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船舶的保向性与航向稳定性摘要 文章介绍了船舶的航向性与稳定性的内涵，航向稳定性与保向性的关系，通过分析影响船舶的稳定性与保向性的因素，作出相应的补救措施，以提高船舶的保向性与航向的 稳定性。
关键词 航向稳定性； 保向性 ，措施。
1 引言船舶的航向稳定性是船舶的操纵性的基本内容之一，航向稳定性的高低，直接影响到船舶保向性的好坏，船舶航向稳定性好的船舶保向性也好，直航中很少操舵也能较好的保向，当船舶操舵改向时又能较好较快地应舵，转向中也能较快的把航向稳定下来。
航向的稳定性与保向性与船舶的本身船型、水下侧面积等有很大的关系。
事关船舶的经济与安全，分析研究影响船舶航向稳定性的因素，具有重要的现实意义。
1航向稳定性的概念及判断1.1航向稳定性的定义航向稳定性是指正舵直进的船舶受到外力的作用取得某一转头角速度ro ，当外力消失之后不能用舵校正（即舵角δ＝０）若船舶能稳定在新的航向上，则说明船舶具有航向稳定性；若船舶不能稳定在新的航向上，而是一直偏转下去，则船舶不具备航向稳定 性。
1.2判别一艘船舶的航向稳定性，可以利用实验船或计算预测方法得到航向稳定性指数T 来进行。
在保持正舵的条件下（δ=0﹚，设外界消失后任意时刻t 船舶偏离原航向的回转角速度为r ，外力消失时船舶具有的转头角速度为ro ，据一阶段近似操纵运动方程，可得到 ，既当T ＞0时，T 值越小，回转角速度r 衰减得越快， 船舶很快稳定在新的航向上；相反，若T ＞0,T 值越大，则回转脚速度r 衰减的越慢，航向稳定性越差。
如果T ＜0，随着时间t 推移，船舶将不断偏转下去，则该船不具备航向稳定性，而且T ＜0 时，T 的绝对值｜T ｜ 越小，航向越不稳定。
δ⋅=+⋅∙K r T r。
船舶性能试验
船舶性能试验是航行试验中的一项重要内容，它包括航速测定、停船试验、回转试验和初始回转试验、航向稳定性试验、侧向推进器试验、Z形操纵试验和威廉逊溺水试验等。
随着全球定位系统(GPS)技术发展和相关软件的开发，船厂大都采用实时差分定位系统(DGPS)进行船舶性能试验的测量，可全天候测量航速、回转直径、航向稳定性、惯性、停船等项目。
除上述试验外，船舶操纵性试验还包括Z形操纵试验、威廉逊溺水救生试验和航向稳定性试验。
通过Z形操纵试验可以测定船舶对舵的响应特性，威廉逊溺水救生试验是一种验证海上救生方法的船舶操纵性试验。
航向稳定性试验是评价船舶在航行中保持所期望的航向稳定的程度。
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 vu 00cos sin ψψ=+G G X mx my 00cos sin ψψ=-G G Y mymx ()()ψψψ=-=+=z X m u v Y m v u NI (,,,,,,)(,,,,,,)(,,,,,,)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+=++∆+∆=+1.3水动力导数一、定义：匀速直线运动时，只改变一个运动参数，其他不变引起的作用于船舶水动力对运动参数的变化率。
1、船舶的航海性能包括哪些性能？各自的含义分别是什么？1、浮性：船舶装载一定的载荷，仍能浮于一定水面位置而不沉没的能力。
2、稳性：船舶受外力作用离开平衡位置发生倾斜而不致于倾覆，当外力消除后仍能回复到原来平衡位置的能力。
3、抗沉性：船舶遭受海损事故舱室破损进水，仍能保持一定的浮性和稳性而不致于沉没或倾覆的能力。
4、快速性（或称速航性）：船舶在其动力装置产生一定功率的情况下能达到规定航速的能力。
快速性包括两方面：1）船舶阻力：研究船舶航行时所遭受的阻力。
目的在于掌握阻力的变化规律，从而改善船型，降低阻力。
即阻力的成因、分类、计算、影响因素和降阻措施。
2）船舶推进：研究船舶推进器，推进器克服阻力发生推力。
目的在于设计出符合要求的高效推进器。
即推进器的水动力性能、设计高效推进器。
5、操纵性：船舶在航行是按照驾驶员的意图保持既定航向的能力或改变航行方向的能力。
包括：1）航向稳定性：保持原有航向的能力。
2）转首性：应舵转首的能力。
3）回转性：应舵作圆弧运动的能力。
6、耐波性（或称适航性）：船舶在风浪海况下航行时的运动性能，即船舶在风浪中遭外力干扰而产生各种摇摆运动，以及砰击、上浪、失速和飞车等时，仍能维持一定航速在水面上安全航行的能力。
主要研究内容为船舶摇摆。
目的在于：掌握船舶摇摆规律，采取措施以减缓船舶摇摆。
船舶摇摆的含义：1）船舶转动：横摇、纵摇和首摇―――摇；2）船舶直线运动：横荡、纵荡和垂荡―――摆。
2、船型系数有哪些？各自的含义是什么？会进行船体系数的相关计算。
1）水线面系数的大小表示水线面的肥瘦程度。
2）中横剖面系数的大小表示水线以下的中横剖面的肥瘦程度。
3）方形系数的大小表示船体水下体积的肥瘦程度。
4）棱形系数的大小表示船体水下排水体积沿船长方向的分布情况。
5）纵向棱形系数的大小表示船体水下排水体积沿吃水方向的分布情况。
3、了解梯形法的基本原理，掌握用梯形法列表进行船体计算的方法，掌握“成对和”和“自上而下和”的含义。
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 vu 00cos sin ψψ=+G G X mx my 00cos sin ψψ=-G G Y mymx ()()ψψψ=-=+=z X m u v Y m v u NI (,,,,,,)(,,,,,,)(,,,,,,)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=++++=++++11111()()()()()()()()v v G r r G v v z r G r v ur v u u r r v u rm Y v Y v mx Y r mu Y r Y mx N v N v I N r mx u N r N δδδδ+=++∆+∆=+--+-+-=--+-+-=1.3水动力导数一、定义：匀速直线运动时，只改变一个运动参数，其他不变引起的作用于船舶水动力对运动参数的变化率。
首向角：船舶纵剖面与OoXo轴的交角。
漂角：重心速度与GX轴正方向夹角。
航速角：重心瞬时速度矢量与OoXo轴夹角。
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、航向和位置的性能。
包括小舵角的航向稳定性、中舵角的航向机动性和大舵角的紧急规避性。
内容如下：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。
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。
枢心：回转时漂角为零点、横向速度为零的点。
附加惯性力：作不定常运动的船舶，除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，根据作用与反作用力原理，水对船体存在反作用力，这个力称为。
附加质量：附加惯性力是与船的加速度成比例的，其比例系数称为。
水动力导数：位置导数 Yv ,Nv：船体受到一个升力Yv，船体首部和尾部长力方向一致，v都都指向v的负方向，因此合力是一个较大的负值，Yv是一个较大的负值，而水动力矩由于首尾作用相抵消，其绝对值不会很大，因机翼的水动力中心在形成之前，首部作用占优，Nv是一个不大的负值。
加速度导数：Yv点是水动力Y相对于加速度在平衡状态下的变化率，正的加速度的船舶经受一个与加速度相反方向的水反作用力，因此Yv点是一个相当大的负值。
由于船首和船尾对Z轴产生的水动力力矩方向相反，因此水动力矩导数Nv点是一个不大的数值，其符号取决于船型。
旋转导数Yr ,Nr：由于船首和船尾水动力方向相反，因此水动力导数Yr的绝对值不是很大，其符号取决于船型，可正可负。
由于船体回转产生的水动力矩在船首尾有相同的方向，都是阻止船舶回转的，因此水动力矩导数Nr是一个很大的负值。
第一章船舶操纵基础理论通过本章的学习，要求学员概念理解正确，定义描述准确，对船舶操纵性能够正确评估，并具有测定船舶操纵性能的知识。
根据船舶操纵理论，操纵性能包括：1）机动性（旋回性能和变速运动性能）2）稳定性（航向稳定性）第一节船舶操纵运动方程为了定量地描述船舶的操纵运动，我们引入船舶操纵运动方程，用数学方法来讨论船舶的运动问题。
一、船舶操纵运动坐标系1．固定坐标系Ox0y0z0其原点为O，坐标分别为x0，y0，z0，由于我们仅讨论水面上的船舶运动，因此，该坐标系固定于地球表面。
作用于船舶重心的合外力在x0，y0轴上的投影分别为X0和Y0对z0轴的合外力矩为N2． 运动坐标系Gxyz其原点为点G （船舶重心），坐标分别为x ，y ，z ，该坐标系固定于船上。
这主要是为了研究船舶操纵性的方便而建立的坐标系。
x ，y ，两个坐标方向的运动速度分别为u 和v ，所受的外力分别为X 和Y ，对z 轴的转动角速度为r ，z 轴的外力矩为N 。
二、 运动方程的建立根据牛顿关于质心运动的动量定理和动量矩定理，船舶在水面的平面运动可由下列方程描述：y 0⎪⎩⎪⎨⎧===ϕZ og o og o I N y m Y x m X该式一般很难直接解出。
为了方便，将其转化为运动坐标系表示，这样可以使问题大为简化。
经过转换，得：⎪⎩⎪⎨⎧=+=-=r I N ur vm Y vr u m X Z )()( 该方程看似复杂，但各函数和变量都与固定坐标系没有关系，因此，可以使问题大为简化。
三、 水动力和水动力矩的求解对于上述方程中的水动力和水动力矩可表示为：⎪⎩⎪⎨⎧===),,,,,,(),,,,,,(),,,,,,(δδδr v u r v u f N r v ur v u f Y r v u r v u f X N Y X经过台劳级数展开，可得X ，Y ，N 对各自变量的偏导数，称为水动力导数和水动力矩导数，它们可以通过船模试验求得。
