耐波性预报的数值方法
作者：李宇辰， 吴晞， 袁小龙， 韩晓光， LI Yu-chen， WU Xi， YUAN Xiao-long， HAN Xiao-guang 作者单位：海军兵种指挥学院,广东广州,510430
刊名：
舰船科学技术
英文刊名：Ship Science and Technology
年，卷(期)：2013,35(10)
本文链接：https://www.doczj.com/doc/1916434256.html,/Periodical_jckxjs201310004.aspx
2010年度操纵性总结 1.船舶操纵性含义 船舶操纵性是指船舶借助其控制装置来改变或保持其运动速率、姿态和方向的性能。 2.良好的操纵性应具备哪些特性 具有良好操纵性的船舶，能够根据驾驶者的要求，既能方便、稳定地保持航向、航速，又能迅速地改变航向、航速，准确地执行各种机动任务。 3. 4.分析操舵后船舶在水平面运动特点。 船的重心G做变速曲线运动，同时船又绕重心G做变角速度转动，船的纵中剖面与航速之间有漂角。 5.漂角β的特性（随时间和沿船长的变化）。 船长：船尾处的速度和漂角为最大，向船首逐渐减小，至枢心P点处速度为最小且漂角减小至零，再向首则漂角和速度又逐渐增大，但漂角变为负值。 6. 7.作用在在船上的水动力是如何划分的。 船在实际流体中作非定常运动时所受的水动力，分为由于惯性引起的惯性类水动力和由于粘性引起的非惯性类水动力两类来考虑，并
忽略其相互影响。 8. 9.线性水动力导数的物理意义和几何意义。 物理意义：各线性水动力导数表示船舶在以u=u0运动的情况下，保持其它运动参数都不变，只改变某一个运动参数所引起船体所受水动力的改变与此运动参数的比值。 几何意义：各线性水动力导数表示相应于某一变化参数的受力（矩）曲线在原点处的斜率。 10.常见线性水动力导数的特点。 位置导数：(Yv，Nv）船以u和v做直线运动，有一漂角-β，船首部和尾部所受横向力方向相同，都是负的，所以合力Yv是较大的负值。而首尾部产生的横向力对z轴的力矩方向相反，由于粘性的影响，使尾部的横向力减小，所以Nv为不大的负值。所以，Yv<0, Nv<0。 控制导数：（Yδ，Nδ）舵角δ左正右负。当δ>0时，Y（δ）>0，N（δ）<0。（Z轴向下为正）所以Yδ>0，Nδ<0。 旋转导数：(Yr，Nr) 总横向力Yr数值很小，方向不定。Nr数值较大，方向为阻止船舶转动。所以，Nr<0。 11. 12. 13. 14.一阶K、T方程及K、T含义，可应用什么操纵性试验测得。 在操舵不是很频繁的情况下，船舶的首摇响应线性方程式可近似
船舶耐波性总结 第一章耐波性概述 一、海浪的描述、、。 船舶耐波性是船舶在波浪中运动特性的统称，它包括船舶在波浪中所产生的各种摇荡运动以及由这些运动引起的抨击、飞溅、上浪、失速、螺旋桨飞车和波浪弯矩变化等性能，直接影响船舶在风浪作用下维持正常功能的能力。 二、6个自由度的摇荡运动 船舶任意时刻的运动可以分解为在Oxyz坐标系内船舶中心G沿三个坐标轴的直线运动及船体绕三个坐标轴的转动。而这些运动中又有直线运动和往复运动 垂荡对船舶航行影响最大，是研究船舶摇荡运动的主要内容。船舶摇荡是指船舶在风浪作用下产生的摇荡运动，他们的共同特点是在平衡位置附近做周期性的震荡作用。产生何种摇荡运动形式取决于船首方向与风浪船舶方向之间的夹角，称为遭遇浪向。 三、动力响应 船舶耐波性是船舶在风浪中性能的总的反应，它主要包括船舶摇荡、砰击、上浪、失速、螺旋桨飞车。 剧烈的横摇、纵摇和垂荡对船舶产生一系列有害的影响，甚至引起惨重后果，主要表现在以下三个方面： 1）、对适居性的影响； 2）、对航行使用性的影响； 3）、对安全性的影响； 船舶在风浪中产生摇荡运动时，船体本身具有角加速度和线加速度，因此属于非定常运动。 第二章海浪与统计分析 2-1 海浪概述 风浪的三要素：风速、风时、风区长度。 风浪要素定义：表观波长、表观波幅、表观周期。 充分发展海浪条件：应有足够的风时和风区长度。 海浪分类：风浪、涌浪、近岸浪。 风浪的要素表示方法：统计分析方法。
2-2规则波的特性 波面可以用简单的函数表达的波浪称为规则波。 A 0=cos kx -t ξξω（） A k ξξω为波面升高，为波幅，为波数，为波浪圆频率。 在深水条件下，波长T c λ、周期和波速之间存在以下关系 ： ≈ 2 =1.56T λ； c==1.25T λλ； 2= T πω； 2k=g ω 波浪中水质点的振荡，并没有使水质点向前移动，也没用质量传递。但是水 质点具有速度且有升高，因此波浪具有能量。余弦波单位波表面积的波浪所具有 的能量2A 1E=g 2 ρξ 2-3不规则波理论基础 一、不规则波的基本概念 1、确定性关系和统计关系 我们所讨论的不规则波引起的船舶摇荡运动等都是属于统计规律范畴之内的。 2、不规则波叠加原理 为了便于问题的讨论，我们假定不规则波是由许多不同波长、不同波幅和随机相位的单元波叠加而成的。考虑到不规则波的随机性，不规则波的波面升高方程为： An n 0n n n=1=cos k x -t+ξξωε∞ ∑（） 随机相位n ε可以取0到2π间的任意值。 二、随机过程 1、随机过程 每一个浪高仪的记录代表一个以时间为变量的随机过程t ξ（），它是许多记录中的一个“现实”。所有浪高仪记录的总体表征了整个海区波浪随时间的变化，称为 “样集”。 2平稳随机过程 1）考虑时间12t=t t=t 、等处的统计特性，称为横截样集的统计特性。 2）考虑随时间变化的统计特性，称为沿着样集的统计特性。 3、各态历经性 对于平稳随机过程，当样集中每一个现实求得的统计特性都是相等的，而且样集在任一瞬时的所有统计特性等于在足够长时间间隔内单一现实的所有统计特性，满足这样条件的平稳随机过程称为具有各态历经性。 三、随机过程中的概率分布 1、随机性的数字特征
操纵性 1.船舶操纵性定义及研究内容 操纵性：船舶按照驾驶者的意图保持或改变其运动状态的性能。即船舶能保持或改变航速、航向和位置的性能。 研究内容：航向稳定性、回转性、转首性及跟从性、停船性能。 2.船舶附加质量的含义及与物理质量比例的大致范围 附加质量：附加惯性力与船的加速度成比例，其比例系数称为附加质量。（作不定常运动的船舶，除了船体本身受到与加速度成比例的惯性力外，同时船体作用于周围的水，使之得到加速度，根据作用与反作用原理，水对船体存在反作用力，这个反作用力称为附加惯性力。） 附加质量：m x ≈（0.05~0.15）m m y ≈m z ≈（0.9~1.2）m 附加惯性矩Jxx ≈（0.05~0.15）Izz Jyy ≈（1~2）Izz Jzz ≈Iyy I 是质量惯性矩 3.漂角、航向角和水动力中心的含义 漂角：船舶重心处的速度矢量→ V 与x 轴正方向的交角称为漂角β。并规定速度矢量转向x 轴顺时针方向为正。 航向角：船首指向的方向和船舶在水面上的真实轨迹之间的夹角。 4动坐标系统速度转换到大地坐标系统公式：φφsin cos 00Y X X +=φφsin cos 00X Y Y -= 5、线性水动力导数Yv,Nv,Yr,Nr 的物理意义 水动力的位置导数Yv 是一个较大的负值。 水动力力矩的位置导数Nv 是一个不大的负值。 指的是v 引起的升力系数/力矩系数 水动力的旋转导数Yr 的绝对值不是很大，其符号由船型决定，可正可负。 水动力矩的旋转导数Nr 是一个很大的负值 。指的是r 引起的水动力系数/水动力矩系数 6、线/角加速度水动力导数的物理意义及数值大小判断 水动力的线加速度导数.V Y 是一个相当大的负值。指的是附加质量 水动力矩的线加速度导数.V N 是一个不大的数值，其符号取决于船型。指的是由V ? 引起的附加惯性力矩系数 水动力的角加速度.r Y 是一个较小的值，其符号取决于船型 水动力矩的角加速度导数.r N 是一个很大的负值。指的是回转加速度r ? 引起的船舶附加惯性力系数/惯性力矩系数 7、野本方程及物理意义 野本方程：. r T +r=K δ 物理意义δ：船舶的惯性力矩、阻尼力矩和舵力矩的作用下，进行的缓慢转，首运动，可以 用下列式子近似表示：.r I +Nr=M δ N 为船舶回转中的阻尼力矩系数，I 为船舶回转中的惯性力矩系数，M 为舵产生的转首力矩系数。T=I/N,K=M/N 由此可知，T 是惯性力矩系数与阻尼力矩系数之比，T 值大，表示船舶运动过程中收到的惯性力矩大，阻尼力矩小。而K 是舵转首力矩系数与阻尼力矩系数之比。K 值大，表示舵产生的转首力矩大，而阻尼力矩小。
船舶操纵性：是指船舶按照驾驶者的意图保持或改变其运动状态的性能，即船舶能保持或改变其航速、航向和位置的能力。航向稳定性：表示船舶在水平面内的运动受扰动而偏离平衡状态，当扰动完全消除后能保持其原有平衡状态的性能。 回转性：表示船舶在一定舵角作用下作圆弧运动的性能。转首性：表示船舶应舵转首并迅速进入新的稳定状态的性能. 运动稳定性与机动性制约：小舵角下的航向保持性 、中舵角下的航向机动性 、大舵角下的紧急规避性 固定与运动坐标系的关系： 漂角：速度V 与OX 轴正方向的夹角β。舵角：舵与OX 轴之间的夹角δ。舵速角：重心瞬时速度矢量与O 0X 0轴之间的夹角ψ0。 线性水动力导数意义：船舶作匀速直线运动，在其他参数不变时，改变某一运动参数所引起的作用于船舶的水动力或矩对该参数的变化率。水动力导数：Xu= Yu= 通常可称对线速度分量u 的导数为线性速度导数．如：Xu 等。对横向速度分量v 的导数为位置导数，如：Yv 、Nv 等。对回转角速度r 的导数为旋转导数，如：Nr 、Yr 等。对各加速度分量和角加速度分量的导数为加速度导数Xu 。 ，对舵角δ的导数为控制导数，如：Y δ等。 稳定性：对处于定常运动状态的物体(或系统)，若受到极小的外界干扰作用而偏离原定常运动状态；当干扰去除后，经过一定的过渡过程，看是否具有回复到原定常运动状态的能力。若能回复，则称原运动状态是稳定的。直线稳定性：船舶受到瞬时扰动以后，重心轨迹最终恢复成为一条直线,但航向发生了变化。方向稳定性：船舶受到的瞬时扰动消失以后，重心轨迹最终成为原航线平行的另一直线。位置稳定性：船舶受到瞬时扰动，当扰动消失以后，重心轨迹最终恢复成为与原来航线的延长线。 稳定衡准数:C=-Y V (mx G u 1-N r )+N V （mu 1-Y r ）；C>0 表示船舶在水平面的运动具有直线稳定性；C<0 则不具有直线稳定性。 影响航向稳定性的因素：(1)为改善其航向稳定性，应使Nr 、Yv 二者的负值增加，从C 的表达式可见，此二者之乘积的正值就越大，显然有利于改善稳定性。(2) Nv 对稳定性的影响较大。只要Nv 为正值，船舶就能保证航向稳定性 (3)若沿船纵向设置升力面(如鳍、舵等能产生升力的物体)，则将其加在首或尾部都能使Nr 的负值增加，但若加在首部会使Nv 增加负值，而加在尾部会使Nv 变正，故升力面设置在尾部可使Nr 负值增加的同时又使Nv 值变正，故对航向稳定性的贡献比设置在首部要大。与几何形体的关系：增加船长可使Nr 负值增加，增加船舶纵中剖面的侧面积可使Nr 、Yv 的负值增加，增加Nv 的有效方法是，增加纵中剖面尾部侧面积，可采用增大呆木，安装尾鳍，使船产生尾倾等。 船舶回转性各参数：反横距：从船舶初始的直线航线至回转运动轨迹向反方向最大偏离处的距离为S1。正横距：从船舶初始直航线至船首转向90°时，船舶重心所在位置之间的距离为S2。该值越小，则回转性就越好。纵距：从转舵开始时刻船舶重心G 点所在的位置，至船首转向90°时船舶纵中剖面，沿原航行方向计量的距离S3。其值越大，表示船舶对初始时刻的操舵反应越迟钝战术直径：从船舶原来航线至船首转向180°时，船纵中剖面所在位置之间的距离DT 。其值越小，则回转性越好。定常回转直径：定常回转阶段船舶重心点圆形轨迹的直径D 进程R ′：自执行操舵点起至回转圈中心的纵向距离；R′=S3-D/2；它表示船舶对舵作用的应答性，R′越小则应答性越好 回转过程的三个阶段： 转舵阶段：指从开始转舵到舵转至规定角度δ0为止。运动特点：V 。 ≠0 ，r 。≠0 ，v=r=0；过渡阶段：指从转舵结束起到船舶进入定长回转运动为止。运动特点：V 。 、r 。 、V 、r 都不为零且随时间发生变化。 定长回转阶段：当作用于船体的力和力矩相平衡时，船舶就以一定的侧向速度V 和回转角速 度r 绕固定点作定长圆周运动。特点：V 。=r 。 =0，v 、r 为常数。 枢心点P :船舶回转过程中，在船上还存在一个横向速度分量为零的点，称为枢心点p 。枢心点是船舶纵中线上唯一的漂角为零的点；枢心点仅仅是因为船舶转向而存在的；船舶加速时，枢心点会向船舶运动的方向移动 。反操现象：是船舶不具有直线稳定性的一种特征，回转性与稳定性相矛盾。回转衡倾的原因：船舶回转过程中，船体上承受的侧向力其作用点高度各不相同，于是形成对ox 轴的倾侧力矩，产生回转横倾。 野本模型：T r 。+r 。 =K δ 其中 K 、T 为操纵性指数。用参数K 评估回转能力。大K 意味着回转性能好。用参数T 评估直线运动稳定性、初始回转能力和航线改变能力。小T 意味着好的直线运动稳定性、初始回转能力和航线改变能力。K= T= 希望船舶有大K 、小T （但相互矛盾）。T 的单位是S ，K 的单位是S -1 转首性指数p ：表示操舵后，船舶行驶一倍船长时，由单位舵角引起的首相角改变量。 诺宾指数：若平>0.3则转首性满足要求。与船体惯性 回转阻尼 舵的回转力矩相关。 操纵性试验：分为模型试验和实船试验两种，模型试验又可分为自由自航模操纵性试验和约束模操纵性试验两种。船舶固有操纵性的试验方法:回转试验、回舵试验、零速启动回转试验、Z 试验、螺线与逆螺线试验、航向改变试验、制动试验和侧向推进装置试验。 回转试验: 1首先在预定的航线上保持船舶直航和稳定航速。 2在开始回转前约一个船长的航程范围内，测量船舶的初始参数，如:航速u 、初始航向角、初始舵角、螺旋桨的初始转速n 0等。 3以尽可能大的转舵速度将舵操至规定舵角δ0并把定舵轮。随后开始测量船舶运动参数随时间的变化，包括船舶的轨迹、航速、横倾角及螺旋桨的转速等。 4待首向角改变540°时，即可结束试验。 螺线试验：评价船舶的直线稳定性，在直航中给船舶以扰动，通过观察扰动去掉后船舶是否能够恢复直航来测定直线稳定性。 1.首先在预定航线上保持匀速直航，并在操舵前测出初始航速、舵角及螺旋桨转速。 2. 执行操舵，以尽可能快的速度将舵转至一舷规定的舵角(如右舷15°) 并保持舵角不变，使船进入回转运动，待回转角速度r 达到稳定值时，记录下r 和相应的舵角δ值。 3. 改变舵角值重复以上过程，测出定常r 值及相应δ值。舵角从右舷15°开始，并按下列次序改变:右15°→右10°→右5°→右3°→右1°→ 0°→左1°→左3°- 左5°→左10°→左15° Z 形操舵试验：测定船舶操舵响应的一种操纵性试验法。进行Z 形试验时，先使船以规定航速保持匀速直航，然后将舵转至右舷规定的舵角(如右舷10°) ，并保持之，则船即向右转向，当首向角达到某一规定的舵角值时(如右舷10°) 立即将舵向左转至与右舵角相等的左舵角(左舷10°) ，并保持之。当反向操舵后，船仍朝原方向继续转向，但向右转首角速度不断减小，直至消失。然后船舶应舵地再向左转向，当左转首向角与舵角值相同时，再向右操舵至前述之右舵角。该过程如此继续，到完成五次操舵为止。 航向改变试验是研究船舶在中等舵角时的转向性能的一种较简易而实用的试验方法。 回舵试验是船舶航向稳定性的定义试验。该试验方法实质为回转试验(或螺线试验)的延续 操纵性船模试验中必须满足的相似条件：1使自航船模与实船保持几何形状相似；2通常保持无因次速度、加速度参数相等，即u/V 、v/V 、rL/V 等相等；3在水动力相似方面，只满足傅汝德数Fn 相等，保证二者重力相似。 实际进行自航模试验时保持：船体几何形状相似；质量、重心位置及惯性矩相似；在决定模型尺度时要考虑临界雷诺数的要求；选择航速时满足傅汝德数相等；机动中保持舵角相等。 船舶固有操纵性指标：直接的判据：它是由自由自航试验直接测定的参数；间接的判据：如野本的K 、T 指数，诺宾的P 指数 操纵性衡准：1回转能力，由回转试验确定。船舶以左(右)350 舵角回转时，回转圈的纵距应
船舶耐波性能试验 —阻尼系数测量试验 学生姓名： 学号： 学院：船舶与建筑工程学院班级： 指导教师：
一、船模横摇试验的目的 上风浪中航行最易发生横摇，而且横摇的幅度较大，不仅影响船 员生活和工作的各个方面，严重的横摇还会危及船舶的安全乃至倾覆失事。因此，在有关耐波性的研究中，首先关注的是要求设计横摇性能优良的船舶。 由于船舶在波浪中横摇运动的复杂性，理论计算尚未达到可用于实际的程 度，因而模型试验是目前预报船舶横摇最可靠的方法。 本教学试验由下列两部分组成，即： 1．船模在静水中的横摇衰减试验，目的是确定船的固有周期以及作用在船 体上的水动力系数，如附连水惯性矩及阻尼系数等。据此可根据线性运动方程计算船舶在风浪中的横摇频率响应曲线。 2．船模在规则波中的横摇试验，目的是确定船的横摇频率响应函数，可用 于预报船舶在中等海况下的横摇统计特性，对于高海况的预报数值则偏高，这是由于非线性影响的缘故。 二．实验原理 通过《船舶原理》课程的学习，我们知道船舶的横摇运动方程可以表示为： 式中，表示横摇角、横摇角速度、横摇角加速度；Ixx’表示船 舶在水中的横摇惯性矩，等于船舶在空气中的横摇惯性矩Ixx 与船舶在水中的横摇附加惯性矩之和；N为阻尼力矩系数；D为排水重量；h为横稳性高度；αm0为有效波倾；ω为波浪圆频率。 引入横摇衰减系数γ和横摇固有（圆）频率ωФ ωФ2=Dh/Ixx’ 横摇运动方程可以写成: 静水中自由横摇 考虑船舶在初始时刻浮于静水面上，并伴有一个静横倾角φ0，但不受波浪的作用，该船舶随后将作自由横摇运动，其表达式可以写成 式中，无因次衰减系数μ和相位超前角β为
耐波性作业 一、某船实测的纵摇幅值的统计表如下。 雷利用分布的参数为j K j j a P R ∑==12 )(θ，其中j a )(θ是第j 间隔中的幅值平均值。要 求： （1）作直方图； （2）假定纵摇幅值满足雷利分布，即 R a a a e R f 2 2)(θθθ- ?=，在直 方图上作出)(a f θ曲线。 （3）计算平均纵摇角R a 886.0=θ；三一平均纵摇角R a 416.1)(3/1=θ； 十一平均纵摇角R a 8.1)(10/1=θ 二、按不规则波上的纵摇估算表计算下列船舶的纵摇统计特性
（V g e 2 ,180ωωωβ+ ==）。 已知：三一平均波高4)2(3/1=A ρ米；船速V=6.37米/秒。 其中波谱)(ωρS 按12届ITTC 单参数公式计算。 三、已知某船船长L=147.18米，船宽B=20.40米，排水量D=16739吨，型深H=12.40米，重心高度z g =8.02米，初稳性高度h=1.2米， 阻尼系数2μ=0.12。 （1） 求横摇固有周期； （2） 横摇的放大因数为()2 2 2 2411 φ φμαφΛ +Λ-= mo A ， 请按下列波浪频率计算横摇放大因数，ω=0， 0.1，0.3，0.4，0.458， 0.5，0.6，0.7，0.9，1.1，1.3，∞。 四、排水量为10000吨，初稳性高度h 为0.90米的船舶的横摇固有
周期为14秒。若在重心的上面2米处减少1000吨的重量，问新的横摇周期是多少？（稳心M 的位置认为不变，由于重心的改变，要求绕新的GX 轴的转动惯量）。 五、已知某船横摇周期T=13秒，初稳性高度h=1米，无因次阻尼衰减系数μ=0.10，计算： （1）使船发生共振的波长； （2）若波浪最大倾角为4 /10534.0-=λα（弧度），求共振时最大振幅； （3）假使该船由于载荷分布发生改变（排水量不变），总的质量惯性矩降低了10%，欲使固有周期不变，问初稳性高度改变了多少？在此新情况下，假定阻尼力矩系数2N 保持不变，试求共振横摇角度。 六、已知某货船的船宽B=20.40米，吃水T=8.04米，重心高度z g =8.02米，初稳性高度h=1.20米，舭龙骨比A b /LB=0.033,航行I 类航区。试计算该船的横摇角。 七、已知某船吃水T=8.02米，垂向棱形系数χ=0.70，计算该船的纵摇固有周期。 八、试按“实船试验数据分析表”，利用下表数据，计算某船纵摇幅
漂角：船舶重心处速度与动坐标系中ox轴之间的夹角，速度方向顺时针到ox轴方向为正。首向角：船舶纵剖面与固定坐标系OX轴之间的夹角，OX到x轴顺时针为正 舵角：舵与动坐标系ox轴之间的夹角，偏向右舷为正 航速角：重心瞬时速度与固定坐标系OX轴的夹角，OX顺时针到速度方向为正 浪向角：波速与船速之间的夹角。 作用于船体的水动力、力矩将与其本身几何形状有关（L、m、I），与船体运动特性有关(u、v、r、n)，也与流体本身特性有关（密度、粘性系数、g）。 对线速度分量u的导数为线性速度导数，对横向速度分量v的导数为位置导数，对回转角速度r的导数为旋转导数，对各角速度分量和角加速度分量的导数为加速度导数，对舵角的导数为控制导数。 直线稳定性：船舶受瞬时扰动后，最终能恢复指向航行状态，但是航向发生了变化； 方向稳定性：船舶受瞬时扰动后，新航线为与原航线平行的另一直线； 位置稳定性：船舶受瞬时扰动后，最终仍按原航线的延长线航行； 具备位置稳定性的必须具备直线和方向稳定性，具备方向稳定性的必定具有直线运动稳定性。 1.定常回转直径 2.战术直径 3.纵距 4.正横距 5.反横距 回转的三个阶段 一、转舵阶段二、过度阶段三、定常回转阶段 耦合特性：船舶在水平面内作回转运动时会同时产生横摇、纵摇、升沉等运动,以及由于回转过程中阻力增加引起的速降。以上所述可理解为回转运动的耦合,其中以回转横倾与速降最为明显。 Tr r Kδ += 回转性指数K是舵的转首力矩与阻尼力矩系数之比，表征船舶转首性， 应舵指T 是惯性力矩数系数与阻尼力矩系数之比， 由T=I/N可见：参数T是惯性力矩与阻尼力矩之比，T值越大，表示船舶惯性大而阻尼力矩小；反之，T值越小，表示船舶惯性小而阻尼力矩大。 由K=M/N可见：参数K是舵产生的回转力矩与阻尼力矩之比，K值越大，表示舵产生的回转力矩大而阻尼力矩小；反之，K值越小，表示舵产生的回转力矩小而阻尼力矩大。 K值越大,相应回转直径越小,回转性越好.T为小正值时,船舶具有良好的航向稳定性. K表示了回转性,T表示了应舵性和航向稳定性。舵角增加：K、T同时减小；吃水增加：K、T 同时增大；尾倾增加：K、T同时减小；水深变浅：K、T同时减小；船型越肥大：K、T 同时增大。 船舶操纵性设计的基本原则是：给定船的主尺度(即船的惯性)，以提供必要和足够的流体动力阻尼及舵效，使之满足设计船舶所要求的回转性、航向稳定性和转首性。通常最常用的办法是改变舵面积，因为舵既有明显的航向稳定作用，又会产生回转力矩。
1.什么是船舶耐波性？ 船舶耐波性是指船舶在波浪扰动下，产生各种摇荡运动、抨击、甲板上浪、失速、螺旋桨出水以及波浪弯矩等，仍能维持一定航速在波浪中安全航行的性能。（P1） 2.什么是有效波面？ 船宽、吃水相对波长是很小时，可近似认为船是水中一质点，它所受的浮力近似垂直于波面。当船宽和吃水相对波长为有限尺度时，由于船宽范围内波形曲率的变化以及沿船体水下表面所受到的浮力方向与波面法向不一致，使船受到的总浮力有所减小，同时其浮力作用线是垂直于某一次波面，这一次波面称为有效波面。（P17） 3.船舶阻尼力（矩）按物理性质大致可分为哪三类？ 兴波阻尼、旋涡阻尼、摩擦阻尼（P8） 4.船在水中可能产生六个自由度的摇荡运动，分别是什么运动？ 横摇、纵摇、首摇、垂荡（升沉）、横荡和纵荡 5.研究船舶耐波性用到的三种坐标系是哪三种，可画图说明？ 空间固定坐标系：该坐标系用来描述海浪； 动坐标系Gxbybzb：随船做摇荡运动，坐标原点取在船的重心G上，坐标轴取作与船的中心惯性主轴相重合，Gxb在船中线面与龙骨线平行，向艏为正；Gzb在船中线面内垂直于Gxb，向上为正；Gyb垂直于船的中线面，向右舷为正。 随船移动的平衡坐标系Oxyz：当船在静水中以航速v航行时，该坐标系随船同速前进，Oxy位于静水面上，Ox正向与航速v同向。当船在波浪上做摇荡运动时，该坐标系不随船做摇荡，仍保持按船的平均速度和原航向前进。 6.船模实验需要满足的相似律有那几个？ 几何相似、运动相似、动力相似。（P136-P137） 7.什么是船舶摇荡运动的兴波阻尼？（P9） 由于船舶运动使水面产生波浪，消耗船本身的能力所造成的阻尼。傅汝德认为兴波阻尼与速度一次方成比例。 8.目前采用较广泛的减摇装置有哪些？ 舭龙骨、减摇水舱、减摇鳍（P168） 9.什么是有效波面角？
哈尔滨工程大学船舶操纵性总结 1.船舶操纵性含义：P1 2.良好的操纵性应具备哪些特性 具有良好操纵性的船舶，能够根据驾驶者的要求，既能方便、稳定地保持航向、航速，又能迅速地改变航向、航速，准确地执行各种机动任务。 3.对于船舶的水平面运动，绘制固定坐标系和运动坐标系。 4.分析操舵后船舶在水平面运动特点。 5.漂角β的特性（随时间和沿船长的变化）。 6.坐标原点在船的重心处时，船舶的运动方程的推导。 7.作用在在船上的水动力是如何划分的。 8.粘性水动力方程线性展开式及无因次化。 9.线性水动力导数的物理意义和几何意义。
物理意义：各线性水动力导数表示船舶在以u=u0运动的情况下，保持其它参数都不变，只改变某一个运动参数所引起船体所受水动力的改变与此运动参数的比值。 几何意义：各线性水动力导数表示相应于某一变化参数的受力（矩）曲线在原点处的斜率。 10.常见线性水动力导数的特点。 11.船舶操纵水平面运动的线性方程组推导及无因次化。 12.写出MMG方程中非线性水动力的三种表达式。 13.首摇响应二阶线性K-T方程推导。 14.一阶K、T方程及K、T含义，可应用什么操纵性试验测得。 15.画图说明船舶在作直线航行时（舵角δ=0），若受到某种扰动后， 其重心运动轨迹的四种可能情况，并说明三种稳定性之间的关系。 16.影响稳定性的因素有哪些？ 17.船舶回转过程的三个阶段及船舶在各个过程运动特点（速度、加 速度信息） 18.船舶回转运动主要特征参数。 19.影响定常回转直径的5个因素是什么？ 20.推导船舶定常回转时横倾角的确定公式。 21.按照操舵规律由线性响应方程求解舶的回转角速度和艏向角。 22.如何获得船舶的水动力导数？ 可以通过理论数值计算、经验公式估算和拘束模型的水动力试验三种方法来获得船舶的水动力导数。
关于耐波性理论的一些浅见 【摘要】船舶动力学的研究历来是由两个主要理论：操纵性和耐波性。 船舶在海水中的航行必将伴随波浪，耐波性的研究对于保证船舶的安全，维持船舶工作时环境的稳定，保证其功能，都具有重大的意义。 【关键词】耐波性理论;船舶动力学;流体力学;运动;操纵性 【前言】耐波性能力的措施 1976 年，St.Denis提出描述耐波性能所需的四个主要条件。这些都是: 使命: 什么船将要完成的目标。这艘船在海上的作用。 环境: 条件下，这艘船操作。这可以称为海况、风速、地理区域或它们的组合。 船舶的反应: 这艘船对环境条件的响应。反应是环境和容器特性的函数。 耐波性能标准: 船上的响应的既定的限制。这些都基于船舶运动和经历，加速度，包括舒适标准，例如噪音、振动和晕船、如非自愿的速度减少，基于性能值和可观察到的现象，如弓浸泡。 显然，钻探和一艘渡轮有着不同的任务，在不同的环境下运作。性能标准也会不同。都可算是适航，虽然出于不同的原因，根据不同的标准。 在船舶设计中，先确定船舶在波浪中的行为是重要的。这可以通过计算，发现通过物理模型测试，最终测量船上的船只。计算可以简单的形状如矩形驳船进行解析，但需要由计算机进行任何现实形船。 一些这些计算或模型试验的结果称为响应振幅运算符(RAO) 的传递函数。浮动结构他们将需要所有六个运动和所有相对波标题计算。 一影响耐波性因素： 以下许多因素会影响耐波性或更正确的船响应。 大小: 更大的船一般会比一个较小的低运动。这是因为海浪的相对与船舶的大小更低。 位移: 重船一般会降低运动，要比一个轻一点。既然波的能量每艘船舶是相同的，并提供激振力，具有更大质量的船将有较低的加速度。 稳定性: 稳定的船舶会倾向于跟随波的配置更接近于一个不稳定的。这意味着一个更稳定的船舶一般有较高的加速度，但较低的振幅的运动。 干舷: 更大的船的干舷是不太可能出现在巨大的甲板上。甲板浸水往往是耐波性标准，因为它会影响一些船只的任务能力。 二耐波性的应用 在船舶设计中，先确定船舶在波浪中的行为是重要的。这可以通过计算，通过物理模型测试，最终测量船上的船只。计算可以对简单的形状如矩形驳船进行解析，但需要由计算机进行任何现实形船的计算。这些计算或模型试验的结果称为响应振幅运算符(RAO) 的传递函数。浮动结构他们将需要所有六个运动和所有相对波总计算。 船舶运动对确定船员、旅客、船舶系统部件、安全货物和结构元件的动态载荷是非常重要的。过度的船舶运动可能会妨碍船舶完成其任务的能力，如小型艇或飞机的部署和恢复。衡量一个人的完成特定任务而车载移动船舶发生工作间断（MII）。它给出了一个指示的事件，即当一个站立的人将要寻找支持，以保持平衡。工作间断的测量是时时刻刻都在进行中的。
参考复习题 假定操舵规律为如图所示的阶跃操舵，试由一阶T K -响应方程δ=+ K r r T 求解船舶的回转角速度)(t r 和艏向角)(t ψ。 解：将所给的操舵规律变为如下两种操舵规律的叠加：(2分) 第一种为：0δδ=，0≥t ； 第二种为：???>-=≤=t1. t ,t1, t ,00δδδ 第一种操舵规律的解为： )e (K )t (r T t --=10δ 积分后有艏向角： )Te T t (K )t (T t -+-=0δψ 第二种操舵规律的解为： 0=)t (r ，1t t ≤， )e (K )t (r T t t 101----=δ，1t t >。 叠加后，得到所求的解为： )e (K )t (r T t --=10δ，1t t ≤ T t T t e )e (K )t (r --=110δ，1t t >。 积分后有艏向角： )Te T t (K )t (T t -+-=0δψ ，1t t ≤ )e )(e (T K )t (T t T t ---=1110δψ，1t t > 航向对升沉、纵摇及横摇波浪扰动力幅的影响。 答：航向角对升沉、纵摇波浪扰动力幅影响是在船长方向上。波形同真实波形相同。仅波长变化即应以表观波长1λ代替真实波长λ χλλcos /1=。 对横摇波浪扰动力幅影响是χλλsin /2= 但当考虑动水力压力修正时，应仍用真实波长，因为波内流体质点轨圆半径随水深的递减是由真实波长决定的。
航速、航向对波浪扰动力频率的影响 答：船以速度v 并与波浪传播方向成χ角（χ＝0°为迎浪）。这时，波峰相对船的传播速度为cos e c c v χ=+ e c 称为波表观传播速度(即船上的观察者所看到的波传播速度)。显然，船上观察者所看到的作用于船上的波浪周期为cos e e T c c v λλχ==+ e T 称为波的遭遇周期，它与波的真实周期B T 不同(B T c λ =)。相应的波浪遭遇频率e ω为 22(cos )(cos )e e c v k c v T ππχωχλ +===+ 其中，2k πλ = ——波数。由此可见，这时作用于船上的波浪周期已不是波的真实用期，而应是遭遇周期。因此，当考虑航速、航向的影响时，在计算波浪扰动力(矩)时，扰动频率(或周期)应以波的遭遇频率(或遭遇周期)代替波的真实频率(或周期)。 重点补充： 耐波性：横摇运动方程及各个系数 相对频率的定义和几种情况分析 操纵性： K-T 方程及各个系数的含义 回转圈及相关内容
操纵性 绪论 操纵性定义：船舶按照驾驶者的意图保持或改变其运动状态的性能，即船舶能保持或改变航速、航向和位置的性能。 操纵性内容： 1. 航向稳定性：表示船舶在水平面内的运动受扰动而偏离平衡状态，当扰动完全消除后能保持其原有平衡状态的性能。 2．回转性：表示船舶在一定舵角作用下作圆弧运动的性能。 3．转首性和跟从性：表示船舶应舵转首及迅速进入新的稳定运动状态的性能。 4. 停船性能：船舶对惯性停船和盗车停船的相应性能。 附加质量和附加惯性矩： 作不定常运动（操纵和耐波运动）的船舶，除了船体本身受到愈加速度成比例的惯性力外，同时船体作用于周围的水，使之得到加速度。根据作用力和反作用力，水对船体存在反作用力，这个反作用力称为附加惯性力。 附加惯性力是与船的加速度成比例的，其比例系数称为附加质量。船舶操纵 一、操纵运动方程
1.1坐标系 一、固定坐标系： 固定坐标系是固结在地球表面，不随时间而变化的，如图所示。 首向角ψ：X 0与X 的夹角（由X 0转向X ，顺时针为正）。 二、运动坐标系： 运动坐标系是固结在船体上的，随船一起运动的，如图所示。 重心坐标：X OG 、Y OG ； 船速：V 重心G 瞬时速度； 航速角ψ0：X0轴与船速V 夹角(顺时针为正)； 漂角：β船速与X 轴夹角(顺时针为正)； 回转角速度：γ= dψdt ； 回转曲率：R 右舷为正； 舵角：δ左舷为正。 三、枢心： 回转时漂角为零点、横向速度为零的点。 1.2线性运动方程 一、坐标转换 00cos sin sin cos ψψψψ =-=+G G x u v y u v
二、简化方程 当重心在原点处：X G =0 运动坐标系一般方程： 三、对于给定船型、给定流体中的运动情况 船型参数和流体特性为已知条件； 操纵运动为缓变过程，忽略高阶小量； 忽略推进器转速影响； 操舵过程短暂，忽略转舵加速度。 则可将给定船型流体中受力情况表示如下： 由泰勒展开式，用水动力导数表示如下： 四、简化后的操纵运动线性方程式： 2()()() ψψψψψψ=--=++=++G G Z G X m u v x Y m v u x N I mx v u 00cos sin ψψ =+G G X mx my 00cos sin ψψ =-G G Y my mx ()() ψψψ =-=+=z X m u v Y m v u N I (,,,,,,)(,,,,,,)(,,,,,,) X X u v r u v r Y Y u v r u v r N N u v r u v r δδδ== =v r v r v r v r Y Y v Y r Y v Y r Y N N v N r N v N r N δδδδ =++++=+++ +111()()v ur v u u r r v u r +=++?+?=+
影响船舶操纵性能的因素 船舶操纵所需的信息 1.船舶实际运动信息： 包括船舶位置、航向、航速、转速及其他变化趋势，还应包括各种操纵机器的使用状态以及船舶的其他情况· 2.操船环境信息： 1.自然环境信息；包括风、流、浪涌的方向和强弱程度，特别是他们对船舶运动 造成之影响· 2.航道环境信息；包括航道水深及可航宽度，暗礁险滩等碍航物及助航设施· 3.交通信息；包括航行水域内的其他船只种类，大小、数量、动态及所载货物等·3.船舶操纵性能信息： 包括船舶操纵性能的所有数据· 4.船员信息 5.法规信息 一、影响航向稳定性之因素主要有哪些？ 1.水深，浅水区，航向稳定性佳，富裕水深UKC（under keel clearance,船底间隙）小， 航向稳定性好． 2.船长LOA，LOA大，航向稳定性好． 舵效恶化程度与LOA平方成正比，LOA愈大，舵效愈差，但保向性好． 3.纵倾Trim，Trim大，航向稳定性好． Trim对航向稳定性影响很大，其改变船舶水下侧面积之分布，Trim by Stern航向稳定性佳．满载Even Keel或Trim by Head 航向稳定性差． 4.方形系数Cb，Cb大，航向稳定性变小，瘦长型船舶航向稳定性好． 5.枢心点PP(Pivot Point)，PP前移，航向稳定性变小． 6.船速SP，SP大，保向性佳，SP变大，T值变小． 7.舵角，舵角大，T小，航性稳定性好，增大舵面积，航向稳定性变大． 8.水流，顺流，保向性变差． 9.船艏尖削Cut Up者，船艉有钝材Dead Wood、Skeg者，航向稳定性好． 钝材Dead Wood为船艉设计为Transom Stern型，位于龙骨与艉柱间之材料． Skeg桨叶下方之结构，可保护桨叶及舵．
船舶耐波性及其评价方法综述 熊云峰熊文海 （武汉理工大学，武汉430063） 摘要: 随着人们对船舶在波浪上的航行性能愈来愈重视，船舶耐波性的好坏已成为衡量现代化船舶航行性能的重要衡准之一，本文通过对船舶耐波性的分析，总结了船舶在波浪中航行时的耐波性衡准，并对各种船舶耐波性评价方法作了较为全面的介绍和总结，同时提出了今后研究工作的方向和重点。 关键词: 船舶耐波性；衡准；评价；综述 1引言 船舶耐波性及其评价方法是船舶设计和航海人员及海事管理部门都十分重视的研究课题。寻找使用方便且行之有效的船舶耐波性评价方法与衡准也一直是船舶耐波性研究人员所追求的目的之一。但由于船舶耐波性问题的复杂性，迄今尚无统一的耐波性衡准指标，船舶耐波性评价方法也多种多样。因此，深入了解以往研究所用的各种评估方法及其研究成果，对于进一步完善船舶耐波性及其评价方法的研究，找到更加方便、合理、准确的评价方法，减少船舶在风浪中发生危险的可能性，无疑具有重大的意义。为此，本文力图对船舶耐波性及其评价方法进行较为全面的介绍和总结，并提出今后研究工作的方向和重点，供船舶耐波性研究人员参考。 2 船舶耐波性概述 船舶耐波性是研究船舶在波浪中运动规律的一门学科。对商船而言，耐波性是指船舶在波浪扰动下，产生各种摇荡运动、砰击、甲板上浪、失速、螺旋桨出水以及波浪弯矩等，仍能够维持一定航速在波浪中安全航行的性能。对于舰艇而言，我国海军规定：“耐波性是指舰艇在一定海况下具有适当的舰体运动环境，以保证人员及各种武器、系统和其他装备能正常工作的能力”。 对于船舶耐波性的研究，它是随着船舶工业的发展和计算机技术的发展而不断在发展，但是研究船舶耐波性的基本方法主要有两种： （1）理论计算与分析法 船舶在波浪中的摇荡运动，从力学的观点看，包括两个
船舶运动学习题――之耐波性部分 1、长L=5m ，宽B=0.6m ，高H=0.3m ，比重为0.5的匀质木块在淡水中漂浮，求此木 块的小角度自由横周期（设木块排水量为?，木块对纵轴的惯性距)(12 22H B I x +? =， （忽略水的附加惯性矩）。 2、排水量000,10=?t ，横摇周期为10s,横稳性高为 1.22m 。其姊妹船的排水量 00012，=?t ，横稳性高为1.30m 。两船的重量分布各方面都是相似的。横摇附加质量为船舶质量的16%。 求A ）试计算姊妹船的横摇周期（不计附加质量）； B ）计算计及附加质量的横摇周期。 3、已知某船L=120m ，B=15m ，T=6.8m, C b =0.67, Z g =6m, Z b =3.85m,横稳心半径BM=2.6m ，附加质量惯性矩J x =10%I x (I x 为船舶质量惯性矩)。 求：（1）船舶横摇固有周期?T ； （2）在纵中剖面中心上10m 处加上200t 的重物。求此时船横摇固有周期（设此时 稳心M 保持不变）。 4、某船对横摇轴的惯性半径为9.39m ，横稳性高GM=1.48m ，排水量t 000,15=?，如果船在静水中横摇时，其阻尼力矩系数N=47,800s m KN ??。试确定船在经过三个完整振荡的横摇角幅值（设初始倾角为7o，即当t=0时， 7=ψ，0ψ'=）。附加质量惯性矩等于船舶质量惯性矩的20%。 5、某船L=140m ，?=12,500t ，相当惯性半径（已计及附加质量）m k x 10=，GM=2m ，假设阻尼系数N=49,000 s m KN ?? 试求：（1）该船的横摇固有周期和有阻尼自由横摇周期； （2）与其几何相似的船模、缩尺比为27，试求船模的横摇固有周期； （3）如该船的零速处于正横浪中、求能产生共振（谐摇）横摇的规则波长。 6、已知某余弦波波长m 100=λ，以齐姆米尔曼经验公式确定波高与波长的关系为 4/317.0λ=w ，波长及波高以m 计。求该波的周期T ，波数K ，周频率w ，波速c ，波 高 w ，波幅 a ，最大波倾角0α，单位波面积波能及波面方程 7、已知某船横摇固有周期13s T ?=，初稳定性高GM=1m ，无因次衰减系数10.0=μ试
船舶耐波性总结一、基本概念 1.船舶耐波性 2.船舶适航性 3.船舶六自由度的摇荡运动 4.船舶摇荡运动要素 5.波浪主干扰力 6.F-K假设 7.影响风浪的要素 8.波浪的特征要素 9.波面角 10.行波相速度 11.波浪能量 12.史密斯效应 13.表观浮力（视浮力） 14.表观重力（视重力） 15.有效波面、有效波面角 16.不规则波的特征要素及含义 17.长峰不规则波、短峰不规则波 18.线性叠加原理 19.波能谱密度函数（物理含义、特性）20.保证率 21.最大波幅、平均波幅、有义波幅（波高） 22.海浪谱、风浪谱 23.自由横摇近似固有周期（圆频率） 24.横摇衰减系数 25.消灭曲线 26.无因此衰减系数 27.升沉、纵摇固有周期近似确定公式 28.波面角的修正系数 29.频率/幅频/相频响应函数（RAO） 30.相对频率或调谐因数 31.有效波面升高 32.遭遇频率 33.航向角 34.波的表观传播速度 35.减摇装置 36.静特征数 37.双共振减摇原理 二、简答题 1.研究船舶线性摇荡的常用的坐标系及含义。 2.船舶在波浪中摇荡运动受力分析方法、各种力的物理含义。 3.波面及波面以下水质点运动特点。 4.波浪中的压力分布。 5.频域与时域描述关系的转换方法。 6.常用波浪统计方法。 7.横摇固有周期对横摇运动性能的影响及其主要影响因素。 8.横摇无因次衰减系数对横摇运动的影响及其改善方式。 9.船舶静水中有阻尼线性横摇与静水中升沉或纵摇运动的不同点。 10.如何使船具有优良的横摇性能？ 11.讨论频率响应函数几种特殊情况。 12.船舶在规则波中迎浪航行的升沉和纵摇运动特性。 13.讨论航速、航向对波浪主干扰力的影响。 14.船在规则波、不规则波中纵摇、横摇的周期有何特点？ 15.试验中船模与实船应满足哪些相似条件？如何校正？ 16.讨论主尺度和船型系数对耐波性的影响。 17.讨论首部横剖面形状、球首、干舷对耐波性的影响。 18.简述常见实用减摇装置及其减摇原理。