船舶操纵与摇荡

船舶六大航行性能和船舶结构性能对船舶安全的影响为了确保船舶在各种条件下的安全和正常航行，要求船舶具有良好的航行性能，这些航行性能包括浮力、稳性、抗沉性、快速性、摇摆性和操作性。

（一）浮性船舶在一定装载情况下的漂浮能力叫做船舶浮性。

船舶是浮体，决定船舶沉浮的力主要是重力和浮力。

其漂浮条件是：重力和浮力大小相等方向相反，而且两力应作用在同一铅垂线上。

船舶的平衡漂浮状态，简称船舶浮态。

船舶浮态可分为四种。

1、正浮状态是指船舶首、尾、中的左右吃水都相等的情况。

2、纵倾状态是指左右吃水相等而首尾吃水不等的情况。

船首吃水大于船尾吃水叫首倾；船尾吃水大于船首吃水叫尾顷。

为保持螺旋桨一定的水深，提高螺旋桨效率，一般未满载的船舶都应有一定的尾顷。

3、横倾状态是指船首尾吃水相等而左右吃水不等的情况，航行中不允许出现横倾状态。

4、任意状态是指既有横倾又有纵倾的状态。

（二）稳性稳性是指船舶在外力矩（如风、浪等）的作用下发生倾斜，当外力矩消除后能自行恢复到原来平衡位置的能力。

船舶稳性，按倾斜方向可分为横稳性和纵稳性；按倾斜角度大小可分为初稳性（倾角100以下）和大倾角稳性；按外力矩性质可分为静稳性和动稳性。

对于船舶来说，发生首尾方向倾覆的可能性极小，所以一般都着重讨论横稳性。

（三）抗沉性抗沉性是指船舶在一个舱或几个舱进水的情况下，仍能保持不致于沉没和倾覆的能力。

为了保证抗沉性，船舶除了具备足够的储备浮力外，一般有效的措施是设置双层底和一定数量的水密舱壁。

一旦发生碰撞或搁浅等致使某一舱进水而失去其浮力时，水密舱壁可将进水尽量限制在较小的范围内，阻止进水向其他舱室漫延，而不致使浮力损失过多。

这样，就能以储备浮力来补偿进水所失去的浮力，保证了船舶的不沉，也为堵漏施救创造了有利条件。

（四）快速性船舶在主机输出功率一定的条件下，尽量提高船速的能力叫船舶快速性。

快速性包含节能和速度两层意义，所以提高船舶快速性也应从这两方面入手，即尽量提高推进器的推力和减小船舶航行的阻力。

船舶运动的六个自由度船舶是一种水上交通工具，它可以在水上自由行驶。

船舶运动的六个自由度是指在三维空间中，船舶可以进行六种运动，这些运动包括：横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡和偏移。

下面将对这六个自由度进行详细的介绍。

一、横摇横摇是指船体绕纵轴旋转的运动。

当外部力矩作用于船体时，会引起船体发生横摇。

例如，在海浪中行驶时，海浪的冲击力会使得船体产生横向振动，从而引起横摇。

二、纵摇纵摇是指船体绕横轴旋转的运动。

当外部力矩作用于船体时，会引起船体发生纵摇。

例如，在大浪中行驶时，浪头和浪谷的冲击力会使得船体产生前后振动，从而引起纵摇。

三、艏摇艏摇是指船首向左或向右侧倾斜的运动。

当外部力矩作用于艏部时，会引起艏部发生摇晃，从而引起艏摇。

例如，在强风中行驶时，风力会使得船首向左或向右倾斜，从而引起艏摇。

四、横荡横荡是指船体在水平方向上的移动。

当外部力矩作用于船体时，会引起船体发生横向位移，从而引起横荡。

例如，在强浪中行驶时，海浪的冲击力会使得船体产生侧向位移，从而引起横荡。

五、纵荡纵荡是指船体在垂直方向上的移动。

当外部力矩作用于船体时，会引起船体发生垂直位移，从而引起纵荡。

例如，在大浪中行驶时，浪头和浪谷的冲击力会使得船体产生上下位移，从而引起纵摇。

六、偏移偏移是指船体在水平面内的旋转运动。

当外部力矩作用于船体时，会使得船体绕一个轴线旋转，并且这个轴线与纵轴和横轴都不重合。

这种运动称为偏移。

例如，在强风中行驶时，风力会使得船体绕一个轴线旋转，从而引起偏移。

总结：船舶运动的六个自由度包括横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡和偏移。

这些自由度的存在使得船体可以在三维空间中自由运动，并且能够适应不同的水上环境。

对于船员来说，了解船舶运动的六个自由度是非常重要的，因为只有了解了这些自由度，才能够更好地掌握船体运动规律，从而保证航行安全。

《船舶操纵与摇荡》教学大纲（学分 2.5 ，学时 40 ）一、课程的性质与任务研究船舶操纵性的任务在于：通过考察船舶受控运动规律，找到能够表征船舶操纵性的主要技术参数和达到该技术参数的数量指标；建立评价现有船舶和预估新设计船的受控运动和操纵方法；建立在船舶设计中满足操纵要求和改进操纵性的方法；目前，解决上述问题的方法基本上有两种∶其一是建立描绘船舶运动的数学模型，用理论的或约束模型实验的方法求出作用于船舶的水动力，然后由对数学模型的分析得到各种机动下船舶的运动状态和表征操纵性的特征参数。

其二是在某些规定的机动下，进行实船或船模的自航实验，直接测量其运动状态和表征操纵性的特征参数。

或者由测量得的运动状态再借助数学模型求得表征操纵性的参数和船舶的水动力。

这两种方法都可以得到船型、操纵器特征与操纵性之间的关系，从而为操纵性设计和改进船舶操纵性提供依据。

在本课程中通过自航模操纵性实验，对回转试验、螺旋、逆螺旋及回舵实验；z形实验和倒车制动实验等的方法及实验结果分析迸行介绍。

在掌握船舶在波浪扰动下摇荡现象与机理的基础上，通过在船池中摇荡实验加深对船舶摇荡的理解。

重点掌握船舶摇荡的测试方法、陀螺等测试设备的使用、模型实验相似理论及换算方法。

二、课程内容、基本要求与学时分配（一）船舶操纵性（20学时）1绪论，坐标系，操纵运动方程,水动力导数定义与物理意义2船舶对操舵的响应3舵设计4船舶操纵性试验（二）船舶耐波性（20学时）1波浪与船舶摇荡运动概要2船舶摇荡运动3船舶在不规则波中摇荡运动/谱分析法4减摇方法与减摇装置三、课程的其它教学环节实验内容与基本要求：四、说明1本课程的先修课程为《理论力学、船舶流体力学》2教学试验部分只讲数据分析方法3其他试验内容在“船舶与海洋工程性能试验技术”中完成。

五、课程使用的教材和主要参考书使用教材：《船舶操纵性与耐波性》吴秀恒著，人民交通出版社教学大纲制订者：王少新2004年 8月。

船舶的摇摆控制大型集装箱船首部与尾部的形状差别很大，所以当船舶在波浪区域航行，沿船长方向出现波峰和波谷时，很容易导致船舶扶正力臂的变化，故要特别关注船舶的摇摆参数-周期和幅度，一艘船的扶正力矩是扶正力臂与总重量的乘积。

船舶在顺水或逆水前进时，其横摇和纵倾是呈周期性的变化，其扶正力臂也呈周期性的变化。

正是因为这种现象，导致船舶的扶正力矩也随之发生变化，从而引发了船舶的摇摆。

而这种以时间为变量参数的摇摆，如果遇上合适的海浪情况，就有可能引发船舶共振现象，这时船舶的摇摆角度加大，导致货物和集装箱的灭失，极端的情况下，可能使船体结构遭受破坏。

最近几年来，集装箱船的事故，就反映出这种现象的危险性。

人们都知道一个现象，船舶在低速航行时，如果恰巧在某一时间操舵、遇到阵风或其它因素的影响时而引起船舶附近的波浪发生变化，当其频率较低时（仅为船舶自身摇摆周期的一半），有可能导致船舶摇摆的角度很大。

对大型集装箱船，在一定的海况下就有可能产生周期性的摇摆，如在北太平洋和北大西洋一年中分别有9%和12%时间里存在着导致这种现象发生的海况。

实事上，如果在船舶上安装一个减摇系统，适时地给船舶外加一个恰当的阻尼，来抵消船舶扶正力矩的变化，摇摆是可以加以预防的。

德国的Interring公司生产的IPRF装置就是这种想法在实船上的应用。

这套装置采用众所周知的自控式减摇水舱技术，其核心部分是减摇水舱系统。

两个水舱分别布置于船舶的左右舷，在船体上设置一个通道，将两个水舱相互连通，形成U 型水舱。

减摇水舱中充入一定量的水，注水量应根据水舱形状、船舶装载情况和航线情况来确定。

其原理是使水舱内的水的运动周期和船舶在波浪上的摇摆周期相近，保证在船舶摇摆时，两个液舱能形成一定的水位差，以便形成一个扶正力矩，以扶正力矩抵消波浪所产生的倾斜力矩，达到减小船舶的摇摆幅度。

一套典型的船舶IPRP系统应由几对液舱、一个气动的空气阀和一套控制单元组成，控制单元中包括船舶纵倾和横摇传感器。

三体船操纵与横摇耦合运动试验与分析船舶在航行过程中，由于涉及到复杂的水动力学问题，船体的运动也会受到多种因素的影响，而横摇是其中比较典型的一种运动形式。

因此，对于舰艇进行操纵和控制时，必须充分考虑到船体的横摇运动，并采取相应的措施，以保证船舶的安全性和航行效率。

在本文中，将介绍一种船舶操纵与横摇耦合运动试验与分析。

一、试验目的本次试验的目的是探讨船舶操纵与横摇耦合运动的特性，并对其进行分析。

通过试验，可以得到以下方面的参考数据：1. 船舶在不同操纵条件下的横摇幅度、周期和频率等参数。

2. 不同操纵条件下的船舶横向加速度及姿态角等参数。

3. 分析船舶操纵与横摇的耦合特性，探究操纵对横摇的影响以及如何通过操纵来控制和减小船舶的横摇运动。

二、试验方法本次试验采用的是真实船舶模型，通过在水槽中设置波浪平台来模拟船舶在风浪条件下的横摇运动。

试验过程中将记录下来船舶的操纵动作，如舵角、推进力等参数，并通过惯性测量系统来实时记录船舶姿态、速度、加速度等数据，最终利用Matlab等工具进行数据分析和处理。

三、试验结果在试验过程中，分别对舵角、速度等操纵参数进行多次试验，得到了相应的实验数据。

其中，船舶的横摇振幅和周期与船速和船舶构型等因素都有关系，试验结果如下：1. 船速对横摇振幅的影响：当船速较低时，横摇振幅较小，随着船速增加，横摇振幅逐渐增大，达到一个最大值后开始逐渐减小。

2. 船舶构型对横摇振幅的影响：在相同的船速下，不同平台宽度的船舶，横摇振幅也有所不同。

当平台宽度较小时，横摇振幅会比较大，而平台较宽时则会有所减小。

3. 操纵对横摇的影响：若未加任何操纵时，船舶的横摇运动会明显增大，而操纵动作（如舵角）的变化可以对横摇进行控制和调节，减小横摇的振幅和周期。

四、分析和结论通过对试验结果的分析，得出了以下结论：1. 横摇运动受多种因素的影响，如船速、船舶构型等因素都会影响横摇振幅和周期的大小。

2. 操纵动作可以帮助减小船舶的横摇振幅和周期，调节范围也受舵盘角度的限制。

船舶的摇摆控制大型集装箱船首部与尾部的形状差别很大，所以当船舶在波浪区域航行，沿船长方向出现波峰和波谷时，很容易导致船舶扶正力臂的变化，故要特别关注船舶的摇摆参数-周期和幅度，一艘船的扶正力矩是扶正力臂与总重量的乘积。

船舶在顺水或逆水前进时，其横摇和纵倾是呈周期性的变化，其扶正力臂也呈周期性的变化。

正是因为这种现象，导致船舶的扶正力矩也随之发生变化，从而引发了船舶的摇摆。

而这种以时间为变量参数的摇摆，如果遇上合适的海浪情况，就有可能引发船舶共振现象，这时船舶的摇摆角度加大，导致货物和集装箱的灭失，极端的情况下，可能使船体结构遭受破坏。

最近几年来，集装箱船的事故，就反映出这种现象的危险性。

人们都知道一个现象，船舶在低速航行时，如果恰巧在某一时间操舵、遇到阵风或其它因素的影响时而引起船舶附近的波浪发生变化，当其频率较低时（仅为船舶自身摇摆周期的一半），有可能导致船舶摇摆的角度很大。

对大型集装箱船，在一定的海况下就有可能产生周期性的摇摆，如在北太平洋和北大西洋一年中分别有9%和12%时间里存在着导致这种现象发生的海况。

实事上，如果在船舶上安装一个减摇系统，适时地给船舶外加一个恰当的阻尼，来抵消船舶扶正力矩的变化，摇摆是可以加以预防的。

德国的Interring公司生产的IPRP装置就是这种想法在实船上的应用。

这套装置采用众所周知的自控式减摇水舱技术，其核心部分是减摇水舱系统。

两个水舱分别布置于船舶的左右舷，在船体上设置一个通道，将两个水舱相互连通，形成U型水舱。

减摇水舱中充入一定量的水，注水量应根据水舱形状、船舶装载情况和航线情况来确定。

其原理是使水舱内的水的运动周期和船舶在波浪上的摇摆周期相近，保证在船舶摇摆时，两个液舱能形成一定的水位差，以便形成一个扶正力矩，以扶正力矩抵消波浪所产生的倾斜力矩，达到减小船舶的摇摆幅度。

一套典型的船舶IPRP系统应由几对液舱、一个气动的空气阀和一套控制单元组成，控制单元中包括船舶纵倾和横摇传感器。

规则波中船舶操纵与垂荡、纵摇耦合运动模拟与特性分析刘桂峰;伍洁;陈俊烽【摘要】采用MMG分离模型的思路,在船舶六自由度操纵性运动方程中叠加波浪垂荡力和纵摇力矩,构成波浪中船舶操纵与垂荡、纵摇耦合动力学模型,用来模拟规则波中船舶操纵与垂荡、纵摇耦合运动特性.其中的波浪力由切片法计算,船舶航向保持采用PD控制模式.采用耦合动力学模型计算了某船在规则波中保持航向时的垂荡、纵摇运动,并与试验结果进行了比较.两者的幅频曲线形式上基本一致,间接证明了耦合动力学模型的有效性.进而采用该模型计算了该船在不同浪向角和航速下保持航向稳定的垂荡、纵摇运动,以垂荡、纵摇等值极坐标曲线形式表征了船舶规则波浪中操纵与垂荡、纵摇的耦合运动特性.%By uniting manoeuvring motion equations of six degrees of freedom and heave force and pitch moment of a ship in regular waves, ship dynamic model was constructed, in which MMG model in calm water was adopted and heave force and pitch moment were calculated with strip method, and proportional & differential control model was used for keeping course. Based on the above model, the coupling motion of heave and pitch for a ship keeping course in regular waves are simulated. The calculated results had good agreement with model test on amplitude-frequency response, which indirectly proved the effectiveness of coupling dynamic model. Furthermore, with different wave angle and ship speed, the coupling motion of heave and pitch for a ship in regular waves are simulated, and the characteristics of which are obtained in the form of amplitude isoline in polar coordinates.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2011(011)024【总页数】7页(P5863-5869)【关键词】船舶工程;操纵性;规则波;切片法;耦合特性【作者】刘桂峰;伍洁;陈俊烽【作者单位】海军工程大学船舶与动力学院,武汉430033;海军工程大学船舶与动力学院管理工程系,武汉430033;海军工程大学船舶与动力学院,武汉430033【正文语种】中文【中图分类】U661.33船舶静水中的操纵性研究目前已建立了一套较为完善的理论计算方法和试验方法，用于船舶的初步设计阶段中预报船舶操纵性［1—4］，解决各种工程问题。

船舶操纵与摇荡船舶操纵与摇荡期末总复习考试题⽬类型：1. 名词解释（5题）2. 填空（10题左右，空不限）3. 画图题（1~2题左右）4. 简答题（5~6题左右）5. 计算分析题（2题）考试内容（操纵性）：第⼀章绪论1. 操纵性的定义？操纵性包括哪些⽅⾯的内容？答：所谓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航速、航向和位置的性能。

船舶操纵性包括以下四⽅⾯内容：A、航向稳定性：它是指船舶在⽔平⾯内的运动受扰动⽽偏离平衡位置，当扰动完全消除后，保持原有航向运动的性能；B、回转性:它是指船舶应舵作圆弧运动的性能；C、转⾸性及跟从性：它是指船舶应舵转⾸及迅速进⼊新的稳定运动状态的性能。

前者称为转⾸性，后者称为跟从性；D、停船性能：它是指船舶对惯性停船和倒车停船的响应性能。

第2章船舶操纵1、描述船舶运动的坐标系？什么是⾸向⾓、漂⾓以及航速⾓（定义及正负号）？答：为了描述船舶的运动，我们常采⽤⼀下两种右⼿坐标系:a、固定坐标系Oxyz，它是固定在地球表⾯的右⼿坐标系，其原点O可以任意选择，通常与t=0时船舶重⼼G的位置相⼀致。

Xy平⾯位于静⽔⾯内，z轴垂直向下为正。

b、运动坐标系Gxyz，它是以船舶重⼼位置G为原点⽽固定于船体上的直⾓坐标系。

x、y和z轴分别是经过G的⽔线⾯、横剖⾯和中纵剖⾯的郊县，x 轴向⾸为正，z轴向下为正。

⾸向⾓：船舶的重⼼位置和船舶中纵剖⾯与x轴交⾓，称为⾸向⾓。

由x轴转到中纵剖⾯顺时针为正。

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，规定由速度⽮量转到x 轴顺时针⽅向为正。

航速⾓：Xo轴到V的夹⾓，顺时针为正。

2、⽔动⼒导数（回答要全⾯）？⽔动⼒模型？⽔动⼒导数的物理意义（位置导数、旋转导数、⾓加速度导数以及舵导数，要求会分析其正负号）答：⽔动⼒导数:⽔动⼒模型:3. 船舶运动稳定性包含哪三部分？（直线、⽅向、位置，其相互之间的关系）答：直线稳定性：船舶受瞬时扰动后，最终能恢复直线航⾏状态，但航向发⽣变化；⽅向稳定性：船舶受扰后，新航线为与原航线平⾏的另⼀直线；位置稳定性：船舶受扰后，最终仍按原航线的延长线航⾏。