船舶操纵1教材

水 动 力 导 数 及 其 对 称 性
线 性 化 、 无 因 次 化
入门贴士
研究前提 :
在舵的控制之下,船舶在 水平面内的各种操纵运动。
研究方法 :
采用力学惯用的处理方法， 选取坐标系，确定表征运动 的参数，建立运动方程．
所以第一步关键是坐标系的选择
§2-１－１
假定： 1 2
坐标系
不考虑波浪 水平面运动
G

P
V V
R

GP R sin
即P点为枢心
R
5. 参数之间的关系
G1G2 V dt G1G2 R d 0 V dt R d 0
d d 0 d dt dt dt V d r R dt r
定常回转时 , r V R
1. 坐标系 2. 参数定义 3. 关系
0
回转角速度 r
d d 0 d dt dt dt d 0 V
dt R
1. 2. 3. 4. 5.
重心坐标: 首向角 船速 航速角 漂角

X OG YOG
x0 x
x0 V V x
V 0

O
d dt
Y0G
通常流线型机翼压力中心在前缘1/4弦长,船首作用占 优势,故导数Nv是一个不很大的负值.
Y Yv v
1.
位置导数 Yv ,Nv
（Yνν）B
S
Nv
N v
（Yνν）S u1
β
B
β
u1 V
χ
NV
ν
V ν
Yνν代表阻尼力，与 横向速度ν的方向相反 Yν 是一个大负号。 Nνν是由ν引起的回转力矩，由于首尾力矩抵消， 总的升力一般作用于舯前方， Nν是一个不大的负值。

第二阶段 （过渡阶段）
• 过渡阶段：转舵结束起到船舶进入定 常回转运动为止的动态过程
• 受力情况：随船舶横移、漂角增大， 作用于船体的流体力和力矩增大；
• 运动特点 ： 斜航运动； 旋回加速； 纵向速度下降； 内倾渐渐向外倾变化。
第三阶段(定常阶段)
• 定常阶段（steady turning） : 受力与运动处于稳定状态
6．舵角
规律：
– 在极限舵角的范围之内，操不同舵角时的旋回初径变 化情况，总的趋势是，随着舵角的减小，旋回初径将 会急剧增加，当然旋回时间也将增加。
– 对于不同的船舶，随着舵角的减小，旋回初径的增加 率是不一样的，其中舵的高宽比小的船舶，其旋回初 径的增加率较大。
7．操舵时间
操舵时间主要对船舶的进距影响较大，进距随操 舵时间的增加而增加；
• 降速幅度：
– 与旋回初径DT有密切的关系，DT/L值越小，旋回性越好， 降速越显著。
– 一般船舶旋回中的降速幅度大约为旋回操舵前船舶速度的 25%～50%，而旋回性能很好的超大型油轮最大可达到原 航速的65%。
3. 横倾（list）
横倾变化
– 船舶操舵不久，将因舵力横倾力矩而出现少量内倾； – 接着由于船舶旋回惯性离心力矩的作用，内倾将变为外倾； – 因横向摇摆惯性的存在将产生最大的外倾角θmax，最大外
第一章 船舶操纵性能
• 第一节 船舶旋回性能 • 第二节 船舶航向稳定性和保向性 • 第三节 船舶变速运动性能 • 第四节 船舶操纵性能试验 • 第五节 ＩＭＯ船舶操纵性衡准的基本内容
第一节 船舶旋回性能
• 在实际操船中，对舵的使用大致可分为小舵角的 保向操纵、一般舵角的转向操纵及大舵角的旋回 操纵三种。定速直航的船舶操某一大舵角后进入 定常旋回的运动性能称为船舶的旋回性能，它是 船舶操纵性当中极为重要的一种性能。

一 船舶旋回的运动过程

船舶以一定航速直 进当中操某一舵角 并保持之，船舶将 进入旋回过程。根 据船舶在旋回运动 过程中所受外力特 点之变化，以及运 动状态之不同，可 将船舶旋回过程划 分为三个阶段，如 图1－1所示。
图1－1船舶旋回的运动过程
1．第一阶段（横移内倾阶段）
船舶向一舷操舵
后，保持或近乎 保持其直进速度， 同时开始进入基 本上沿原航向前 进而船尾外移的 初始旋回阶段。
2．描述船舶旋回运动状态的运动要素
表征船舶旋回运动状态的运动要
素主要有漂角、转心及其位置、 旋回中的降速、旋回中的横倾和 旋回时间等，它们与船舶的旋回 性能有着密切的关系。
（1）漂角（drift angle）
船舶首尾线上某
一点的线速度与 船舶首尾面的交 角叫做漂角，如 图1－6所示。用β 表示之。一般船 舶的漂角大约在 30～150之间。
3．第三阶段[定常旋回阶段（steady turning）]

随着漂角的增大, 水动力作用中 心逐渐移至重心之后, 水动力转 船力矩Nβ方向与舵力转船力矩 方向相反, 但数值相应增大，当 船舶所受的舵力转船力矩 Nδ、 和水动力转船力矩Nβ相等时， 船舶的旋回角加速度变为零， 船舶的旋回角速度达到最大值 并稳定于该值，船舶将进入稳 定旋回阶段
Hale Waihona Puke Tr1).进距 2).横距 3).旋回初径 4).旋回直径 5).滞距 6).反移量
Ad LK
Re
D
DT
图1－5 旋回圈的尺度与名称
（1）进距（advance）

进距也称纵距，是指从操舵开始 到船舶的航向转过任一角度时重心所 移动的纵向距离。通常，旋回资料中 所说的纵距，特指当航向转过 900 时 的进距，并以Ad表示之，它大约为旋 回初径的0.6～1.2倍。

第一节 船舶变速运动性能
（3）影响紧急停船距离的主要因素 ---主机倒车功率、换向时间 船舶吨位、载荷状态等相近的情况下，主机倒车功率 越大，紧急停船距离越小。大型船舶倒车功率虽比小型 船舶大，但每吨排水量所占主机功率小，而且大型船舶 （1 8万DWT以上）大多配备的是汽轮机，由于其换向 时间长，倒车功率占常用功率比例低，所以大型船舶紧 急停船距离明显增大。
第一节 船舶变速运动性能 第二节 船舶的旋回性能 第三节 稳定性和保向性
第一节 船舶变速运动性能
船舶通过改变主机转速从而改变螺旋桨的转速和方 向（CPP螺旋桨通过改变螺距角），进行启动、变速、 停车、倒车操纵时，船舶都具有维持其原来运动状态的 特性（船舶惯性）。 由于船舶惯性的作用，船舶从一种运动状态转变到 另一种稳定运动状态的过程中需要经过一段时间的延续， 在这段时间内船舶要航行一定的时间与距离。船舶运动 惯性通常有两个指标来衡量：一是船舶完成变速过程中 所航进的距离，称为冲程；另一是完成这段过程所需的 时间，称为冲时。
第二节 船舶的旋回性能
前言：船舶旋回性是船舶最基本的重要操纵性能之 一，通常采用满舵时旋回初径DT与船长L之比 DT／L，即相对旋回初径来衡量. 一、船舶旋回运动的过程及其特征 （一）转舵阶段 从开始转舵到舵转至指定舵角止为转舵阶段。在这 个阶段，由于时间较短，船舶因运动惯性仍保持直线前 进，随后船首出现向转舵一侧回转的趋势，船体开始出 现向操舵相反一侧横移（反向横移），并会产生向转舵 一侧少量横倾（内倾），船速也略有下降。
第一节 船舶变速运动性能
（4）停车冲程实船经验数据
以常速航进中的一般船舶，主机停车后船速达到 2kn时，其停车冲程约为船长的8~20倍，而VLCC满 载时，从海上常速中停车达到余速3kn时，停车冲程约 为船长的23倍. 这里说明一个问题，船舶的排水量越大，其冲程 越大。船舶的航速越大，其冲程也越大。

16、业余生活要有意义，不要越轨。——华盛顿 17、一个人即使已登上顶峰，也仍要自强不息。——罗素·贝克 18、最大的挑战和突破在于用人，而用人最大的突破在于信任人。——马云 19、自己活着，就是为了使别人过得更美好。——雷锋 20、要掌握书，莫被书掌握；要为生而读，莫为读而生。——布尔沃
《船舶操纵》课件（精选）
26、机遇对于有准备的头脑有特别的 亲和力 。 27、自信是人格的核心。
28、目标的坚定是性格中最必要的力 量泉源 之一， 也是成 功的利 器之一 。没有 它，天 才也会 在矛盾 无定的 迷径中 ，徒劳 无功。- -查士 德斐尔 爵士。 29、困难就是机遇。--温斯顿．丘吉 尔。 30、我奋斗，所以我快乐。--格林斯 潘。

2.2 船舶操纵运动方程
野本方程
操舵速度有限，船舶的惯性很大，船舶对舵的 响应也是一种非常缓慢的运动，因此有
建立了有效的数学研究方法，借鉴飞艇操纵理论
1939，巴辛
利用里亚谱诺夫运动稳定理论研究船舶的运动稳定 性
1.1 船舶操纵性总论
船舶操纵性研究的发展过程
1944，肯夫（kemf）
提出了用Z形操舵试验来评价船舶的操纵性，开创了 船舶对操舵的动态响应研究
1946，戴维逊(K. S. Davidson)和许夫(L. I. Schiff)
1.1 操纵性总论
操纵性的重要意义（经济性要求）
在海上的直航运动，
航向稳定性好 不用经常地去操舵，航迹接近直线
不好的船 频繁操舵纠正航向，经历曲折的航线，增加了实际 的航行距离，同时增加了操纵装置和推进装置的功 率消耗 由于操舵增加的功率消耗占主机功率的2%-3%，航 向稳定性不好的船，可以高达20%。
船舶有横漂速度 时横向力的导数。该力很大， 方向与 相反；
船舶有横漂速度 时横向力对重心力矩的导数。 该力矩不太大，为负值，方向有使漂角增大的趋势；
船舶有前进速度 时纵向力的导数。该力较小， 方向与 相反。
2.2 船舶操纵运动方程
水动力导数的物理意义
水动力和力矩的旋转导数 和
船首具有右舷攻角，产生负的水动力和负的水动力 矩
– 该时刻船舶运动状态决定的水动力 – 该时刻以前的运动历史决定的水动力
其他原因引起的外力，如托缆力和风压力等；
2.2 操纵运动方程的线性化
水动力学数学模型
船舶静水中运动时的受力，采用一阶泰勒展开
2.2 操纵运动方程的线性化

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。

大连海事大学船舶操纵
会计学
1
船舶操纵绪论
概述 船舶操纵运动学参数 船舶操纵动力学参数 船舶阻力与推进
第1页/共46页
船舶操纵概述
船舶操纵的含义 常规船舶操纵(ship handling)包括三种：
保持航向 改变航向 改变船速
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船舶操纵概述
保持航向(Course keeping or steering)
第32页/共46页
船舶操纵动力学参数
船体水动力及其表 达式
水动力角是指水动力合力FH 方向与船舶首尾线之间的交 角γ；
水动力角可用水动力横向分 量与纵向分量的比值表示
第33页/共46页
船舶操纵动力学参数
船体水动力及其表 达式
水动力角的大小取决于横向 水动力系数和纵向水动力系 数的比值；
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船舶操纵设备
• 其他设备：
– 侧推器设备； – 外力协助操纵—拖船的协助； – 系泊设备：锚、缆等。
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船舶操纵特点
• 惯性大，缓变系统 • 控制输入较小 • 欠驱动特性：
控制输入的维数小于被 控自由度维数（dof）， 例如，控制输入：车、 舵；被控坐标：横向位 移y1，航向角和纵向 位移x1
船体水动力及水动力矩
深水中，超大型船舶的纵向附加质 量mx≈0.07m；横向附加质量 my≈0.75m；附加惯性矩Jz≈1.0m。
为了研究问题的方便，有的资料将 船舶质量与附加质量之和称为虚质 量，惯性矩与附加惯性矩之和称 为虚惯性矩。
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船舶操纵动力学参数
船体水动力及其 表达式
第36页/共46页
船舶操纵动力学参数
水动力作用中心

船舶操纵的基本原则
01
遵守国际海上避碰规则 ，确保船舶之间的安全 避让。
02
根据船舶的装载状态、 吃水、风流影响等因素 ，合理调整船速和航向 。
03
注意观察周围环境和条 件，及时采取必要的措 施应对突发情况。
04
保持船员良好的心理状 态，避免因紧张或疏忽 导致的操作失误。
PART 02
船舶操纵性能
、航速、航向等因素，以便更好地进行避让操作。
船舶的应急操纵
总结词
应急操纵是船舶在紧急情况下采取的特殊操纵方式， 要求驾驶员熟悉应急操纵程序和方法，确保船舶在紧 急情况下能够安全脱险。
详细描述
应急操纵是船舶在紧急情况下采取的特殊操纵方式， 要求驾驶员熟悉应急操纵程序和方法。在应急操纵中 ，驾驶员需要保持冷静，迅速判断情况并采取适当的 措施。例如，在失火、碰撞等紧急情况下，驾驶员需 要迅速停车、倒车、转向等操作，以避免危险扩大。 此外，驾驶员还需要了解各种应急设备的使用方法， 如消防器材、救生设备等，以便在紧急情况下能够正 确使用。
PART 05
船舶操纵安全与管理
船舶操纵安全制度与规则
船舶操纵安全制度
为确保船舶操纵安全，必须制定和遵 守相关制度，包括航行制度、停泊制 度、作业制度等。
船舶操纵规则
遵循国际海事组织（IMO）和国内海 事管理机构制定的船舶操纵规则，确 保船舶在航行、停泊和作业过程中的 安全。
船舶操纵安全检查与评估
船舶操纵包括船舶推进、转向 、减速、停车和倒车等基本操 作。
Байду номын сангаас
船舶操纵是航海技术的重要组 成部分，是航海人员进行船舶 驾驶和操作的基本技能。
船舶操纵的重要性
船舶操纵是保证船舶 安全航行和作业的重 要手段。

三、螺旋桨的致偏效应及其运用
1、沉深横向力
2、伴流横向力
3、排出流横向力 4、船舶不同运动状态下螺旋桨致偏作用的综合分析
三、螺旋桨的致偏效应及其运用
1、沉深横向力 （1）沉深的概念
h－为沉深 h/D－为沉深比
三、螺旋桨的致偏效应及其运用
1、沉深横向力
（2）沉深横向力的产生机理 螺旋桨上下叶水动力差异 由于上下叶所处的深度不同，当螺旋桨转动时，上下叶 所受的转力不同，Q1>Q2,因此产生横向力。 空气吸入 当沉深比≤0.5时，上叶有空气吸入，则其所受的转力小， 而下叶大，因而，产生横向力。

一、船舶阻力与推力


对于给定的船舶，基本阻力RO的大小与吃水d、船速VS有关。 当船速VS一定时，基本阻力随吃水的增加而增加； 当吃水d一定时，基本阻力随船速的提高而增加，在船速较低时，基本 阻力增加较为缓慢，与船速近似成线性变化，而船速较高时，基本阻力 明显增加，约与船速的平方成正比。其原因不仅是由于摩擦阻力增加， 而且因为兴波阻力约与船速的4-6次方成正比； 涡流阻力约与船速的平方呈正比。 基本阻力中各阻力占总阻力的比重是不同的，由于它们随船速的变化率 不同，所以所占比重也随船速而变，在一般商船速度范围内，摩擦阻力 所占比重最大，约占总阻力的70％-80％，低速时所占比重更多。随着 船速提高，兴波阻力所占比重增大；而涡流阻力一般不足10％，优良船 型可在5％以下，短宽肥大型船该阻力所占比重较大。估算时，一般将3 级风以下的空气阻力Ax计入基本阻力。
二、滑失和船速
（1）额定船速
新船验收后的主机，可供海上长期使用的最大功率称为额
定功率NH，与其相对应的转数称为额定转数nH，该条件下主 机収出的转矩称为额定转矩QH，相应的船速称为额定船速

《船舶操纵》在线课程教学标准学时总数：72学时适用专业：航海技术专业课程类型：专业必修课1．概述1.1 课程性质与任务本课程是航海技术专业的核心课程。

目标是通过学习和模拟训练使学生获得船舶操纵知识，系统了解船舶操纵原理和船舶操纵性指数在操船中的应用；系统了解船舶操纵设备的功能和操作方法；掌握外界环境条件对船舶操纵的影响；掌握不同环境条件下（尤其应急情况下）的操船方法。

使学生达到《STCW公约马尼拉修正案》和中华人民共和国海船船员适任标准规定的甲类、丙类三副资格证书中相关技术考证的基本要求。

并为职务提升所需船舶操纵知识和能力打下基础。

本课程与其它课程有一定的衔接要求，应在《船舶结构与设备》、《船舶货运》已开设的基础上，与《船舶管理》、《船舶值班与避碰》等课程同步开设。

1.2 设计思路本课程是依据“航海技术专业人才培养方案”岗位工作任务与职业能力分析，遵循航海类高职学生的认知规律，为了提高学生对海船驾驶员（三副）岗位的适应能力，本课程标准围绕某项特定工作任务设计课程内容和学习方法。

通过航海仿真模拟创设工作情景。

结合岗位适任证书考核及毕业顶岗实习，使学生符合甲类、丙类海船值班驾驶员在“船舶操纵”方面的适任要求。

本课程标准以甲类、丙类三副岗位任职所需的船舶操纵知识和能力为主轴进行设计，适当引入了船长、大副岗位所需的船舶操纵知识和能力。

结合岗位适任证书的考核要求，确定本课程的工作模块和课程内容。

课程实施过程首先在智慧职教上建立知识树，以知识点为基础，以“颗粒化资源+系统化结构+便携教学”为途径，以微视频、flash动画、微课、ppt等形式为载体，采用线上过程性考核+课堂过程性考核+期末考核的综合考核模式，实现在线课程的智慧化教学。

2. 课程目标通过情景—模块的教学活动，掌握《STCW公约马尼拉修正案》关于船舶操纵的理论知识，能够在航海模拟器上根据不同的外界环境条件适时利用船舶操纵设备，有效地完成设定的操纵目标，同时培养学生在船舶操纵中的综合协调能力，为实现“零距离上岗”奠定良好的基础。

根据船舶在旋回运动根据船舶在旋回运动过程中的受力特点及运动状态的不同可将船过程中的受力特点及运动状态的不同可将船舶的旋回运动分为三个阶段舶的旋回运动分为三个阶段第一阶段第一阶段转舵阶段转舵阶段船舶从开始转舵起至转船舶从开始转舵起至转至规定舵角止一般约至规定舵角止一般约815s815s称为转舵阶称为转舵阶段或初始旋回阶段
特点： ①产生一定的漂角斜航； ②船尾出现明显外移； ③转心P在船首附近，亦可能在
首尾延长线上； ④降速不明显； ⑤出现少量的向操舵一舷的内倾
。
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第一节 船舶的旋回性能
第二阶段——过渡阶段
随着船舶横移速度与漂角的增大，船舶的运 动矢量将逐渐偏离首尾面而向外转动，越来越明 显的斜航运动将使船舶的旋回运动进入加速旋回 阶段。
动所需的时间和航进的路程，以及相应的偏航量和偏航角， 统称为倒车制动性能。倒车冲程又称为紧急停船距离（crash stopping distance）或最短停船距离（shortest stopping distance）。 倒车时，主机换向时间随主机种类不同而不同：蒸汽机约需 60～90s，内燃机约需90～120s，汽轮机约需120～180s。 2.倒车停船冲程估算（看课本公式） 根据统计，一般情况下各类船舶的紧急停船距离大致为： 一般中型至万吨级的紧急停船距离可达6～8倍船长；5万吨 级达8～10倍船长；10万吨级达10～13倍船长；15-20万吨级 达13～16倍船长。
②操舵时间：对船舶的进距影响较大，对 横距和旋回初径影响不大；
③旋回方向：因为受螺旋桨横向力的影响， 右旋单车船，向左旋回比向右旋回时的旋 回初径要小一些。
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第一节 船舶的旋回性能
4.外界环境的影响
①浅水：旋回圈随着水深的变浅而逐渐 增大。当水深与吃水之比小于2时，旋 回圈将明显增大。

(3)船舶转动惯量、排水量：
满载大船、舵效比较差，其表现是起转迟钝，停 转不易。一般情况下，操纵此类船舶应早用舵，早回 舵，并使用大舵角。
(4)船舶纵、横倾：
首倾时，舵效较差，适量尾倾舵效好。横倾时， 转向低舷侧水阻力较大，舵效差；反之，则舵效好。
(5)舵机性能：
电动液压舵机性能较好。
(6)风、流、浅水等外界因素：
(4)收到功率(DHP) 收到功率是指通过船尾轴管后向螺旋桨提供的功率。
(5)推力功率(THP)
推力功率是指螺旋桨发出的推进功率，它 等于螺旋桨发出的推力T与螺旋桨进速Vp 的积。即：
THP=T·Vp
(6)有效功率(EHP)
有效功是指克服船舶阻力R而保持一定船 速Vs所需要的功率，它等于船舶阻力与船 速的积，即：
EHP=R·Vs
2)各功率之间的关系
(1)传送效率η c
传送效率是螺旋桨收到功率与主机功率(MHP)之比：
η c=DHP/MHP
（该值通常为O.95～O.98）
(2)推进器效率η p
推进器效率是有效功率与收到功率之比：
η p=EHP／DHP (3)推进效率
（该值约为O.60～O.75）
推进效率是有效功率与主机机器功率之比。该
1.静航向稳定性
静航向稳定性是指当船舶因外力作用稍微偏离原 航向而重心仍沿原航线运动时，船舶斜航漂角将如 何变化的性能。
2.动航向稳定性
动航向稳定性是指当干扰过去之后，在不用舵纠 正的情况下，能尽快地稳定于新航向的性质。
3.判断航向稳定性的方法
1)航向稳定性指数判断法
船舶航向稳定性指数T>O且为较小正数时，其具有 良好的航向稳定性。随着T值的增大。虽然仍具有航 向稳定性，但是其航向稳定性将变差。当T<O，则船 舶不具有航向稳定性。