船舶操纵性研究

船舶操纵性能的仿真分析与设计优化随着船舶设计技术的飞速发展，对船舶操纵性能要求也越来越高。

特别是在现代化的航运市场中，船舶的操纵性能已经成为衡量其经济性、安全性和舒适性的重要指标之一。

当然，船舶的操纵性能不仅与船体本身的设计有关，而且也与船员的技能和驾驶操作方式密切相关。

因此，为了提高船舶的操纵性能，必须采用科学的手段对其进行仿真分析和优化设计。

一、船舶操纵性能的仿真分析在计算机技术和数值模拟技术的支持下，船舶操纵性能的仿真分析已经成为现代船舶设计的重要手段。

通过对船舶的运动特性、操控响应和航行状态等进行全面仿真分析，可以帮助设计师找到解决方案，提高船舶的操控性能和安全性。

同时，船舶操纵性能的仿真分析还可以评估不同类型船舶的性能差异，为船舶的建造和运营提供参考依据。

船舶操纵性能的仿真分析一般由以下几个方面组成：船舶运动学模型、船舶操纵性能模型、环境条件模型和船员行为模型。

其中，船舶运动学模型是仿真分析的基础，包括船舶的运动方程和运动状态的计算方法。

船舶操纵性能模型则是描述船舶操纵性能特点的数学模型，包括船舶的滚转、俯仰、偏航等方面的响应特性。

环境条件模型则是考虑该海区海况、流洋流、风浪等环境因素对船舶操纵性能的影响。

船员行为模型则是考虑到船员的反应和决策对船舶操纵的影响。

通过四个方面的综合分析，可以得到船舶操纵性能的整体权衡。

船舶操纵性能的仿真分析，使用的仿真软件也是非常关键的一个因素。

目前市面上较为常见的仿真软件有SHIPFLOW、MARC等等。

其中SHIPFLOW是用于船舶水动力学仿真分析的计算机软件，可以模拟船舶的水动力性能和操纵性能，预测ship motions、sea loads and ship responses 的全过程。

而MARC则是一种有限元分析软件，可以求解结构动力学问题，可以模拟船舶在不同环境条件下的晃动以及其他特殊条件下的疲劳寿命等等。

同时这两个软件还有其他优秀的特性，众多软件提供了示范数据、例程和测试案例，帮助设计师更好的运用仿真技术进行优化设计。

船舶的操纵性能（旋回性、冲程、保向性、改向性以及船舶变速运动性能）船舶驾驶人员必须较好地掌握船舶操纵知识，了解本船的操纵性能以及各种外界条件对本船操纵性能的影响，才能正确操纵船舶；准确控制船舶的运动。

往往一艘操纵性能良好的船舶，具有稳定地保持运动状态和迅速准确地改变运动状态的性能。

一、旋回性能是船舶操纵中的重要部分，它包括的因素有偏移或反移量、进距、横距、旋回初径、漂角、转心、旋回时间、旋回中的降速和横倾等。

这些数值是在船舶满载，半载以及空载等不同的状态下实测所得，掌握这些要素，对避让船舶、狭窄区域旋回或掉头等情况下安全操纵船舶有着重要的作用，也是判定船舶是否处于安全操纵范围内的重要参数。

偏移或反移量（KICK）是船舶重心向转舵相反一舷横移的距离，满载时其最大值约为船长的1%左右，但船尾的反移量较大，其最大值约为船长的1/10—1/5，可趁利避害的加以运用，如来船已过船首，且可能与船尾有碰撞危险，紧急情况下可向来船一侧满舵利用反移量避免碰撞（有人落水时向人落水一舷操满舵也是利用该反移量）；进距（ADVCNCE）是开始转舵到航向转过任一角度时中心所移动的纵向距离，旋回资料中提供的纵距通常特指转过90度的进距，即最大进距，其值约为旋回初径的0.85—1.0倍，熟练掌握可常帮助我们正确判断船首来船或危险的最晚避让距离；横距（TRANSPER）是开始转舵到航向90度时船舶中心所一定的横向距离，其值约为旋回初径的0.55倍；旋回初径（TACTICAL DIAMETER）是船舶开始转舵到航向180度时重心所移动的横向距离，其值约为3-6倍船长；旋回直径（PINAL IAMETER）是船舶做定常旋回运动时的直径，约为旋回初径的0.9-1.2倍。

漂角（DRIPT AUGTE）是船舶旋回中船首与重心G点处旋回圈切线的方向夹角，其值约在3度—15度之间，漂角约大，其旋回性能越好；转心P是旋回圈的曲率中心O到船舶首尾线所做垂线的垂点，该点处的漂角和横移速度为零，转心P约在船首柱后1/3-1/5船长处，因此，旋回中尾部偏外较船首里为大，操船是应特别注意；旋回时间是旋回360度所需要的时间，它与排水量有密切关系，排水量大，旋回时间增加，比如万吨船快速满舵旋回一周约为6MIN，而超大型船舶旋回时间几乎增加一倍；旋回中的降速系由船体斜航阻力增加，舵阻力以及推进效率降低而造成的，所降部分为航速的1/4-2/4不等；旋回产生的横倾，它是一个应注意的不安全因素，旋回初出现向用舵方向一侧的内倾，倾角较小，时间也较短，不久随着转头角度速度增加，将出现向用舵反侧的外倾，对于GM值较小的集装箱船等，在操纵中应特别注意。

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。

船舶操纵性能数值模拟研究船舶操纵性能是指船舶在各类航行条件下的稳定性、敏感度、转向性等方面的性能，是船舶设计和运营的关键指标之一。

为了更好地优化船舶的性能，提高其安全性和经济性，船舶操纵性能的数值模拟研究逐渐受到关注。

一、船舶操纵性能数值模拟研究的发展历程船舶操纵性能数值模拟研究最早可以追溯到20世纪60年代。

当时，美国海军研究办公室开展了一项名为“PMM（planar motion mechanism）”的实验，利用机械手臂控制模型船在水池中运动，测量船模在波浪和海流条件下的漂移、加速度、速度等基本参数，通过这些试验数据进行船舶操纵性能的仿真。

不过，由于当时计算机的处理能力较弱，模型缺乏真实性，无法满足实际需求，船舶操纵性能数值模拟研究并没有能够得到广泛发展。

随着计算机处理能力的提高和仿真技术的成熟，这一领域的研究逐渐复苏。

近年来，随着CFD（computational fluid dynamics，计算流体动力学）技术的广泛应用，以及海洋工程和水运领域的发展，船舶操纵性能的数值模拟研究又迎来了新的发展机遇。

二、船舶操纵性能数值模拟研究的意义为什么要进行船舶操纵性能数值模拟研究？其意义在于：1. 提高船舶性能分析的准确性和精度。

可以利用模拟技术对船舶运动进行计算和分析，帮助设计人员预测船舶的运动状态、防止运动失控，从而使船舶在多种操纵条件下保持稳定、安全、经济的运行状态。

2. 优化船舶设计。

通过模拟技术可以评估船舶的设计方案，对比不同方案的性能优劣，针对性优化设计，降低船舶建造成本、提高经济性。

3. 提高船员的安全意识。

通过模拟器进行操纵训练可以提高船员的操作技能和安全意识，减少操作失误带来的风险，进一步提高航海安全性。

三、船舶操纵性能数值模拟研究的技术手段船舶操纵性能数值模拟研究主要依赖于CFD技术，特别是CFD中的VOF（volume of fluid，流体体积分数）方法，从而模拟船舶运行状态。

船舶操纵性能测试技术及评价方法研究随着船运业的发展，对船舶操纵性能的要求也越来越高。

船舶操纵性能是指船舶在航行过程中的运动特性和控制能力。

操纵性能的好坏直接影响到船舶的安全性和经济效益。

因此，船舶操纵性能的测试和评价是船舶设计、建造和运营中不可或缺的环节。

一、船舶操纵性能的测试技术船舶操纵性能测试主要包括静态试验和动态试验两种方法。

静态试验是在船舶停泊状态下进行的试验，目的是测试船舶的稳定性和操纵性。

静态试验可以通过方向舵试验来检测船舶的方向稳定性、侧向稳定性和侧向操纵性能。

在方向舵试验中，通过模拟不同操纵条件下的水动力载荷，测试船舶的方向响应特性和舵效系数。

这种试验方法具有简单、易于操作、成本低等优点，但缺点是不能反映实际船舶的运动特性和操纵能力。

动态试验是在船舶航行状态下进行的试验，目的是测试船舶的运动特性和操纵能力。

动态试验可以采用模型试验和实船试验两种方法。

模型试验是通过制作船舶模型并在水池或风洞中进行试验来模拟船舶的运动特性和水动力性能。

模型试验具有试验条件可控、数据精确等优点，适用于初步设计阶段。

但是，由于模型的比例缩小，会存在失真现象，因此需要对实验数据进行缩放正确处理。

实船试验则是在实际船舶上进行试验。

实船试验具有真实性强、数据真实可靠等优势，适用于验证模型试验结果和进行航行试验。

实船试验可以通过船舶运动记录系统、GPS定位系统和遥测技术等手段对船舶的运动特性和操纵性能进行记录和分析。

二、船舶操纵性能的评价方法船舶操纵性能的评价涉及的指标比较复杂，常用的指标包括转向率、转向时间、转向燃油消耗量、船速损失等。

下面对常用的评价指标进行简单介绍。

1. 转向率：转向率是指船舶在定点转向时所达到的旋转角度与转向期间所行驶距离之比。

通常用度/秒来表示。

转向率越大，表示船舶的敏捷性越好。

2. 转向时间：转向时间是指船舶在定点转向时所需要的时间。

转向时间越短，表示船舶的控制能力越强。

3. 转向燃油消耗量：转向燃油消耗量是指船舶在完成一次转向时所消耗的燃油量。

船舶操纵性与控制性能分析第一章船舶操纵性的定义与重要性船舶操纵性是指船舶在水上运动时对操纵指令的执行情况，包括转向性能、行进性能以及速度控制能力等。

船舶操纵性在航行安全和航行效率方面均具有重要意义。

良好的操纵性能使船舶能够准确地遵循船长的指令，并能够迅速应对紧急情况，确保船舶的稳定性和航行安全。

本章将对船舶操纵性的定义、指标和重要性进行分析。

第二章船舶操纵性指标船舶操纵性的指标主要包括转向半径、转向时间、航向稳定性和船舶速度控制性能。

转向半径是指船舶在接受操纵指令之后，从原来的航向转向到新航向所需的圆周半径。

转向时间是指从船舶接收操纵指令到其开始转向并最终稳定在新航向的时间。

航向稳定性是指船舶在无外部扰动的情况下能够稳定地维持航向的能力。

船舶速度控制性能是指船舶能够准确控制航行速度，在不同的航行条件下保持稳定。

第三章影响船舶操纵性的因素船舶操纵性受到多种因素的影响，包括船舶的设计参数、水动力因素、环境条件以及航行用途等。

船舶的设计参数如船体形状、船体尺寸、操纵装置的位置和类型等对船舶操纵性产生重要影响。

水动力因素包括航行速度、水流和风力等，在不同的水动力条件下，船舶的操纵性能会有所变化。

环境条件如水域深度、水温和水质等也可能对船舶操纵性产生影响。

此外，航行用途如货船、客船和军舰等也对船舶操纵性有所要求。

第四章船舶操纵性的改进方法为了提高船舶的操纵性能，设计师和船舶操纵员可以采取多种方法。

在设计方面，可以通过优化船体结构、改善操纵装置的设计和布置以及改进船舶的推进系统来提高船舶的操纵性。

在操纵操作方面，船舶操纵员可以通过合理的操作技术和训练来提高船舶的操纵性能。

此外，船舶的自动化技术和辅助操纵系统的引入也可以提高船舶的操纵能力。

第五章船舶操纵性的应用船舶操纵性在船舶的各个领域中都具有重要应用价值。

在商业航运中，良好的船舶操纵性能可以提高货船的航行效率，降低燃油消耗。

在客船运输中，船舶的操纵能力直接关系到乘客的舒适度和安全性。

船舶操纵性能模拟和优化设计技术研究在现代船舶设计中，船舶操纵性能是一个非常重要的指标。

船舶操纵性能直接关系到船舶的安全性、航行性能以及操作人员的船舶操纵的难易程度。

因此，研究船舶操纵性能的模拟和优化设计技术对于提高船舶的操纵能力和提升船舶的性能非常必要。

船舶操纵性能的模拟研究主要通过计算机仿真来进行。

通过建立船舶运动数学模型，可以模拟出在不同操纵条件下船舶的运动轨迹、姿态变化等。

这些模拟结果可以用来预测船舶在不同航行状态下的操纵性能，帮助设计师优化船舶的设计参数以提高其操纵性能。

首先，船舶操纵性能模拟的关键是建立准确的船舶运动数学模型。

这个数学模型应该能够准确地描述船舶的运动特性，包括自由运动和操纵运动。

自由运动包括船舶的漂流运动、操舵运动和纵向运动等，而操纵运动则主要包括船舶的转弯和停止等操作。

建立这个数学模型需要考虑到船舶的外形参数、质量参数、操纵系统参数以及水动力参数等。

只有通过精确建模，才能得到准确的模拟结果。

其次，船舶操纵性能模拟还需要准确的操纵输入。

即通过模拟操纵系统，向数学模型提供准确的操纵指令。

这些操纵指令可以是舵角、舵转速、螺旋桨转速等。

这些指令的准确性对于模拟结果的准确性非常重要。

因此，在设计船舶操纵性能模拟时，需要考虑到操纵系统的灵敏度、延迟等因素。

另外，船舶操纵性能的模拟还需要考虑不同的航行状态。

船舶在不同航行状态下的操纵性能可能存在差异，因此需要在模拟中考虑到这些因素。

例如，船舶在不同海况下的操纵性能可能存在差异。

此外，船舶在不同负载条件下的操纵性能也可能有所不同。

因此，模拟中需要考虑到这些因素，并进行相应的优化设计。

在船舶操纵性能的优化设计中，可以通过改变船舶的几何形状、添加辅助设备或进行控制系统优化等方式来提高船舶的操纵性能。

一种常用的优化设计方法是流线型的优化。

通过改变船舶的几何造型，尤其是船舶的船型和船尾形状，可以减小船舶在操纵时的水动力阻力，提高船舶的操纵性能。

实验（实践）1 船舶操纵性试验1.实践内容（1）（选做）：旋回试验（满载、压载），实践要求：完成操作、记录、绘图，求出旋回要素。

1）试验方法：（1）保持船舶直线定常航速；（2）旋回之前一个船长时，记录初始船速、航向角、及推进器转速等；（3）发令，迅速转舵到指定的舵角，并维持该舵角；（4）随着船舶的转向，每隔不超过20秒的时间间隔，记录轨迹、航速、横倾角、及螺旋桨转数等数据。

（5）在整个船舶旋回中，保持舵角、转速不变，直至船舶航向角旋回360º以上。

2）实验报告内容（1）初始状态：船舶首、尾吃水、排水量，初始船速、主机转速。

（2）环境条件：水深、波浪(浪级，涌浪的周期及方向)、流向流速、风向风速。

旋回轨迹和旋回要素绘图离、超越角。

1）试验方法：以10º/10º(分子表示舵角，分母表示进行反向操舵时的航向角)Z形操纵试验为例：（1）保持船舶直线定常航速；发令之前记录初始船速、航向角、及推进器转速等；（2）发令，迅速转右舵到指定的舵角(10º)，并维持该舵角；（3）船舶开始右转，当船舶航向变化量与所操舵角相等时，迅速将舵转为左舵到指定的舵角(10º)，并维持该舵角；（4）当船舶航向改变量与所操左舵角相等时，迅速将舵转为右舵到指定的舵角(10º)，并维持该舵角；（5）如此反复进行，操舵达5次时，可结束一次试验。

除上述10º/10ºZ形操纵试验之外，根据需要，还可进行20º/20º、5º/5ºZ形操纵试验。

2）实验报告内容（1）初始状态：船舶首、尾吃水、排水量，初始船速、主机转速。

（2）环境条件：水深、波浪(浪级，涌浪的周期及方向)、流向流速、风向风速。

Z型试验绘图1）试验方法（1）保持船舶直线定常航速；发令之前记录初始船速、航向角及推进器转速等；（2）发令，将主机由全速进车改为全速倒车；（3）船舶开始减速，当船舶对水速度为0时，可结束一次试验。

舵舵的性能船后舵对舵压力的影响1.舵与船体之间的相互干扰船舶操一舵角后，在舵叶两侧所产生的压力差将波及到船体尾部两侧，等效于增加了舵叶面积，增加了舵压力。

同时当舵安装在船尾时，船体对舵本身的效率也会有影响。

因此，船体与舵之间是相互干扰的。

根据研究，这种舵与船体之间的流体力学上的相互干扰的结果，将使舵压力比单独舵时提高约20%～30%，而船尾钝材越大，舵的外形与船尾底部线形吻合。

间隙越小，舵压力增加越明显。

2.伴流的影响船在水中运动时，船体周围有一部分追随船舶运动的水流称伴流，或称追迹流。

在船体各处，其伴流的大小和方向不尽相同。

伴流在船舶首尾方向的分布是：当船舶前进时，伴流的大小与厚度自首至尾逐渐扩大，船首处为零，而最大值位于船尾附近。

船在倒航时则尾部伴流为零。

此外，伴流分布还呈现近大远小，上大下小，左右对称的特点。

前进中的船舶，船尾伴流方向与船舶前进方向一致，从而降低了舵叶对水相对速度，使舵力下降。

单车单舵船因伴流影响，其舵压力将降至单独舵舵压力的一半（约40%），及伴流可使舵压力减少60%左右。

船舶在驶向泊位过程中停车，尤其对于肥大型船（B/d≥3,B 为船宽，d为吃水），刚停车时虽然船舶还有相当大的余速，却因过强的伴流影响而使舵压力减小，舵效变差，甚至出现无舵效的情况。

3.螺旋桨排出流的影响螺旋桨正车工作时，螺旋桨排出流作用在舵叶上。

船舶操一舵角时，螺旋桨排出流提高了舵叶与水的相对速度，舵装在螺旋桨的后方，舵压力增大。

这种有利影响，对单车单舵船来说，几乎可以抵消伴流的不利影响；而双车单舵船，由于舵设置在双车的居中位置，排出流不直接作用在舵叶上，故排出流对舵压力的影响较小，而伴流的不利影响依然存在。

因此对双车单舵船的综合影响是，其舵压力只有单独舵的40%～60%，这对操船是不利的。

双车单舵船在靠离泊过程中，由于螺旋桨排出流的影响小，船速又较低，几乎没有舵效，因此必须借助双车采取不同转速和改变旋转方向来达到回转的目的。