第1章 船舶操纵基础理论解读

船舶操纵考点总结第⼀章船舶操纵性能基本概念1.船舶操纵性能可分为固有操纵性和控制操纵性，固有操纵性：包括追随性、定长旋回性、航向稳定性；控制操纵性：包括改向性、旋回性、保向性。

2.转⼼：从瞬时轨迹曲率中⼼O 点作船舶⾸尾线的垂线可得瞬时转动中⼼P 点，简称“转⼼”。

船舶定常旋回时，⼀般转⼼位于船⾸之后约1/3 - 1/5 船长处；尾倾时，转⼼后移，⾸倾时，转⼼前移。

3.漂⾓：漂⾓是指船体上⼀点的船速⽮量与船舶⾸尾线之间的交⾓；漂⾓⼀般指船舶重⼼处的漂⾓，⽤符号β表⽰，左舷为负，右舷为负。

4.⽔动⼒及其⼒矩：⽔给予船舶的运动⽅向相反的⼒。

5.⽔动⼒作⽤中⼼：⽔动⼒作⽤中⼼是指船体⽔下部分的⾯积中⼼，随漂⾓β的增⼤⽽逐渐向后移动。

船舶平吃⽔时，当漂⾓为0，船舶向前直航时，⽔动⼒中⼼在船⾸之后约1/4 船长处，且船速越低，越靠近船中；当漂⾓为180o，即船舶后退时，⽔动⼒中⼼在距离船尾之前约1/4 船长处，且船退速越低，越靠近船中。

船舶空载或压载时往往尾倾较⼤，船体⽔下侧⾯积中⼼分布在船中之后，⽔动⼒作⽤中⼼要⽐满载平吃⽔时明显后移。

6.引航卡(Pilot Card)：船长与引航员之间关于船舶操纵性能进⾏信息沟通的资料卡；每航次由船长填写；内容包括本船的主尺度、操纵装置性能、船在不同载况时主机不同转速下的航速以及船舶特殊操纵装置(侧推器)等信息。

7.驾驶台操纵性图(Wheelhouse Poster)：详细概述船舶旋回性能和停船性能的图表资料；置于驾驶台显著位置；内容包括深⽔和浅⽔(＝1.2)，满载和压载情况下船舶的旋回圈轨迹图及制动性能(停船试验)资料。

8.船舶操纵⼿册(Maneuvering Booklet)：详细描述船舶实船操纵性试验结果的⼿册；它是重要的船舶资料之⼀；内容包括旋回试验、Z形操纵试验和停船试验的试验条件、试验记录以及试验分析等；操纵⼿册包括全部驾驶台操纵性图上的全部信息；除实船试验结果之外，操纵⼿册中的⼤部分操纵信息估算结果。

第一章船舶操纵性能说课笔记知识与技能掌握要点：通过学习，掌握船舶的旋回性能。

重点对三副岗位值班与船舶操纵知识及能力要求相联系，做到技能在航运船舶工作中能实际运用；对操纵运动方程与K、T指数能进行定性分析。

对于船员职务晋升多项考试具有重要指导作用。

并做到工学结合，使船舶操纵知识及能力要求与岗位紧密相联。

对航向稳定性与保向性、变速运动性能能准确理解。

通过旋回试验等实训操作，对中、大型商船操纵有感性认识，为下一步深入学习打下基础。

掌握Z形试验与螺旋试验方法。

使学生明确用途，以及在新船试航及修船试航中三副的操作要点。

工学结合：三副值班时，船舶操纵知识及能力要求与本次课的关联；岗位与船舶操纵知识及能力要求实际应用；测试冲程选外高桥叠标场仿真场景，突出训练三副角色。

课程教学特色：理论性较强，注意三校生与普高生的认知能力差别；充分运用企业提供生产案例和影视资料，使内容贴近航运岗位；KT指数讲解插入本校教师几十年前的理论贡献，增强学生荣誉感；在重点训练外高桥测速场冲程实验后，运用仿真模拟设备让学生领略世界主要狭水道场景。

对学生职业兴趣的培养有意义。

第一节船舶旋回性能在船舶操纵中，就舵的使用而言，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，船舶旋回性是船舶操纵中极为重要的一种性能。

一、船舶旋回运动的过程船舶以一定航速直线航行中，操某一舵角并保持之，船舶将作旋回运动。

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，可将船舶的旋回运动分为三个阶段，如图1—1所示。

1.第一阶段——转舵阶段船舶从开始转舵起至转至规定舵角止（一般约8~15s），称为转舵阶段或初始旋回阶段。

如图1—1所示，该阶段中，船速开始下降但幅度甚微；漂角也已出现但量较小；旋回角速度不大，但旋回角加速度最大。

由于船舶运动惯性的原因，船舶重心G基本上沿原航向滑进，在舵力转船力矩Mδ的作用下，船首有向操舵一侧回转的趋势，重心则有向操舵相反方向的微量横移，与此同时，船舶因舵力位置比重心位置低而出现少量内倾。

{（1）定常旋回阶段第一章船舶操纵性基础1、定义：保向、改向、变速。

2、船舶操纵性能：①变速性能：（1）停船性能（2）启动性能（3）倒车性能②旋回性能③保向性能④航向稳定性能3、一些主要概念：①转心：转轴与船舶首位线交点（垂足）通常位于船首之后1/3L （船长）它的位置稍有移动②通常作用在船上的力及力矩：水动力、风动力、舷力、推力③漂角：船舶运动速度与船首位线的夹角4、①水动力及其力矩：水给予船舶的运动方向相反的力②特点：船前进时，水动力中心在船中前船后退时，水动力中心在船中后③附加质量：惯性质量及惯性矩大型船舶纵向附加质量≈0.07m （m 为船的质量）附加惯性矩≈1.0Iz （Iz 为船的惯性矩）④水动力角：水动力方向与船首位线的夹角它是漂角的函数，随它漂角的增大而增大⑤水动力中心大概位置:前进平吃水：漂角为0时，中心在船首之后1/4L （船速越低，越靠近船中，前进速度为0时，在船中）后退平吃水：漂角为0时，中心距船中1/4L⑥水动力距：与力矩系数水线下面积、船体形状有关力矩系数是漂角的函数5、船体阻力摩擦阻力→主要阻力占70%—90%速度越大，其值越大（与V 2成正比）兴波阻力（低速时：与V 2成正比；船高速时：急剧增大）涡流阻力空气阻力：约占2%附体阻力6、船舶的变速性能①停船性能（冲程）：与惯性有关②冲程：往往是对水移动的距离（对水移动速度为0）③一般万吨船：倒车停船距离为6—8L倒车冲程：5万：8~10L 10万吨:10~13L 15—20万吨：13~16L④当船速降到60%~70%时，转速降到25%~35%倒车⑤换向时间：从前进三到后退三所需时间汽轮机：120s~180s 内燃机：90s~120s 蒸汽机：60s~90s7、船舶的旋回性：转船阶段①旋回圈：过渡阶段—变速旋回阶段{剩余阻力：附加阻力：{②旋回初径：操舵后航向转过180°时，重心移动的横向距离一般为3~6L③旋回直径：船定常旋回时，重心轨迹圆的直径通常为旋回初径的0.9~1.2倍④进距：开始操舵到航向转过任一角度，重心移动的纵向距离通常为旋回初径的0.6~1.2倍⑤横距：指操舵让航向转过任一角度，垂心所走的横向距离约为旋回初径的1/2倍⑥制距：操舵开始时的重心位置到定常旋回率重心的纵向距离1~2L（2）船舶旋回运动是舷力的横向分量、水动力横向分量共同作用的结果（3）船舶旋回运动中的性能：降速车旋回的初始阶段：内倾；定常旋回：外倾旋回时间：旋回360°所需的时间；万吨级船旋回时间约为：6min（4）影响旋回特性的因素：①方形系数大旋回性好旋回圈小②船首水线下面积多旋回性好旋回圈小③船尾有钝材或船首瘦削旋回性差旋回圈大④舵面积大旋回性好旋回圈小⑤吃水增大横距、旋回初径增大，反移量减小⑥横倾，影响较小：低速时，向底舷一侧旋回旋回性好高速时，向高舷一侧旋回旋回性好船速低于某一值时，旋回圈加大⑦浅水：水变浅阻力加大转船舵力作用小旋回圈大旋回性变差⑧旋回圈在实际操船中的应用：反移量（kick ）：向操舵相反一舷移动的距离0.1~0.2L （10%~25%L ）9、操纵指数：k r r T =+.（T ：追随性指数.r :r 的导数角速度<r>的加速度k:旋回性指数）阻尼力矩惯性力矩=T （T 大，惯性大，实际操舵中T 越小越好）阻尼力矩转舵力矩=k （k 大，转舵效应好，实际操舵k 越大越好）无因次的k’、T’)(')('v L T T v L k k ==（k/T 表示舵效）{{第二节航向稳定性及保向性1、船向稳定性定义：船受外力干扰，干扰消失后，不用舵的前提下，船能自动恢复直线运动①恢复到原航向平行的航向航向稳定性（方向稳定性）稳定性②彻底恢复到原航行完全相同的航向上③直线稳定航向稳定性：方形系数低，长/宽高的船航向稳定性好瘦船稳定性好船首侧面积大航行稳定性差（例如：球鼻首bulous）2、保向性概念：船首线运动受外力干扰通过用船纠正使其恢复到原航向与航迹上继续做直线运动一般来说：航向稳定性好的船保向性好3、影响保向性因素瘦船好浅吃水差船尾肥大（有钝材）好干舷高差尾倾较首倾好轻载比满载保向性好（如有风，另当别论）船速高好水深浅好逆风逆流好第三节变速性能补充1、启动性能：静止定常运动定常速度v、所需距离与排水量成正比，与v2成反比，与阻力成正比经验：满载启动距离20L轻载为满载的1/2~2/32、减速性能：停车冲程：对水速度为0通常对水移动能维持舵效的最低速度，即认为停船万吨级船2节、超大船3节，即认为停船一般货船停船冲程8~20L、超大船停船冲程20L3、制动性能：前进三后退三变螺距船CPP是FPP船紧急停船距离的60%~80%总结：排水量大停船距离大船速大停船距离大污底严重停船距离小主机功率大停船距离小顺流顺风停船距离大第四节船舶操纵性试验1、旋回试验：在直航情况下，左35°或右35°，使船旋回旋回试验的目的:测定旋回圈，评价船舶旋回性2、冲程试验冲程条件：风流小水深≥3Bd 采用投掷法测定倒车使船停下（这种试验）要求船首改变90°3、螺旋试验、逆螺旋试验该试验目的，判断船舶航向稳定性好坏逆螺旋试验：求取船舶达某一回旋角速度所需舵角4、Z 性试验该试验主要评价船舶首摇抑制性，也可测定旋回性，追随性，航向稳定性获得操纵性指数第五节IMO 要求1、①对旋回性：进距＜4.5L 旋回初径＜5L操10°舵角航向改变10°时的进距＜2.5L②对停船性：全速倒车停船距离＜15L超大船倒车停船距离＜20L③对于首摇抑制性、保向性3、Z 型试验结果：左右10°舷角第一超越角：a 、当L/v ＜10s 时：＜10°b 、当L/v ＞30s 时：＜20°c 、当10s ＜L/v ＜30s 时：[5+21（L/v ）]°第二超越角：a 、当L/v ＜10s 时：＜25°b 、当L/v ＞30s 时：＜40°c 、当10s ＜L/v ＜30s 时：＜[17.5+0.75（L/v ）]°第三章车、舵、锚、缆、拖船第一节螺旋桨（propeller ）1、关于阻力的补充摩擦阻力占到70%~80%，它与大约船速1.852的次方成正比2、吸入流与排出流①进入螺旋桨的流吸入流：范围广、流速慢、流线平行②螺旋桨排出的流排出流：范围小、流速快、水流旋转3、推力有船速关系（还与滑失有关）推力：排出流对船的反作用力船速一定，螺旋桨转速高推力大螺旋桨转速一定，船速高推力小4、滑失：螺旋桨对水实际速度与理论上能前进速度之差理论速度滑失滑失比=螺旋桨推力主要取决于其转速及滑失比。

2. 碰撞后的应急操船措施333.抢滩34四、海上搜救34(1)单旋回(single turn) 34(2)Williamson 旋回(Williamson turn) 35(3)Scharnow 旋回(Scharnow turn) 35第一章船舶操纵绪论1.船舶操纵定义船舶操纵分为常规操纵和应急操纵两大类。

常规操纵包括用小舵角保持航向、中等舵角改变航向以及加速减速操纵；应急操纵包括用大舵角进行旋回的用全速倒车进行进行紧急停船。

还包括侧推设备和拖船协助。

2.研究内容船舶受控运动规律、船舶操纵安全标准、港口设计航道工程以及其他水工设施。

3.船舶分类小型船舶：一万吨以下；中型船舶：3-5万吨；大型船舶：载重吨8万吨以上、船长250米以上的船舶。

20万吨VLCC 30万吨ULCC。

4.船舶数据杂货船船速一般为13-18节方形系数为0.65-0.7散货船船速一般为12-17节方形系数为0.8-0.85油船船速一般为12-16节方形系数为0.8-0.85集装箱船船速14-25节方形系数0.5-0.75.船舶运动学参数船舶运动学参数包括位置、船速、漂角、转向角、角速度等。

漂角是指船舶重心处的船速矢量与船舶首位线之间的交角，漂角等于横向速度比纵向速度的反正切。

航向角是指水平面内船舶首尾线与固定坐标系X轴的交角。

船舶转动时，如果船上的每一点都绕某一垂线做圆周运动，这一垂线称为转轴，转轴与船舶首尾线的交点叫做转心。

定常旋回时，一般转心在船首之后约三分之一船长处。

船舶存在尾倾时转心向后移动。

在转心处只有平动没有转动。

转心处的漂角为0.只有纵向速度。

6.船舶操纵运动方程7.附加质量和附加惯性矩物体在流体中变速运动，推动物体的力不仅要为增加物体的动能做功，还要为增加周围流体的动能做功。

因此质量为m的物体要获得加速度a，施加在它上面的力F将大于物体质量m与加速度a的乘积，增加的这部分质量就是附加质量。

若写为公式，则：，称为该物体的附加质量。

{（1）定常旋回阶段第一章船舶操纵性基础1、定义：保向、改向、变速。

2、船舶操纵性能：①变速性能：（1）停船性能（2）启动性能（3）倒车性能②旋回性能③保向性能④航向稳定性能3、一些主要概念：①转心：转轴与船舶首位线交点（垂足）通常位于船首之后1/3L （船长）它的位置稍有移动②通常作用在船上的力及力矩：水动力、风动力、舷力、推力③漂角：船舶运动速度与船首位线的夹角4、①水动力及其力矩：水给予船舶的运动方向相反的力②特点：船前进时，水动力中心在船中前船后退时，水动力中心在船中后③附加质量：惯性质量及惯性矩大型船舶纵向附加质量≈0.07m （m 为船的质量）附加惯性矩≈1.0Iz （Iz 为船的惯性矩）④水动力角：水动力方向与船首位线的夹角它是漂角的函数，随它漂角的增大而增大⑤水动力中心大概位置:前进平吃水：漂角为0时，中心在船首之后1/4L （船速越低，越靠近船中，前进速度为0时，在船中）后退平吃水：漂角为0时，中心距船中1/4L⑥水动力距：与力矩系数水线下面积、船体形状有关力矩系数是漂角的函数5、船体阻力摩擦阻力→主要阻力占70%—90%速度越大，其值越大（与V 2成正比）兴波阻力（低速时：与V 2成正比；船高速时：急剧增大）涡流阻力空气阻力：约占2%附体阻力6、船舶的变速性能①停船性能（冲程）：与惯性有关②冲程：往往是对水移动的距离（对水移动速度为0）③一般万吨船：倒车停船距离为6—8L倒车冲程：5万：8~10L 10万吨:10~13L 15—20万吨：13~16L④当船速降到60%~70%时，转速降到25%~35%倒车⑤换向时间：从前进三到后退三所需时间汽轮机：120s~180s 内燃机：90s~120s 蒸汽机：60s~90s7、船舶的旋回性：转船阶段①旋回圈：过渡阶段—变速旋回阶段{剩余阻力：附加阻力：{②旋回初径：操舵后航向转过180°时，重心移动的横向距离一般为3~6L③旋回直径：船定常旋回时，重心轨迹圆的直径通常为旋回初径的0.9~1.2倍④进距：开始操舵到航向转过任一角度，重心移动的纵向距离通常为旋回初径的0.6~1.2倍⑤横距：指操舵让航向转过任一角度，垂心所走的横向距离约为旋回初径的1/2倍⑥制距：操舵开始时的重心位置到定常旋回率重心的纵向距离1~2L（2）船舶旋回运动是舷力的横向分量、水动力横向分量共同作用的结果（3）船舶旋回运动中的性能：降速车旋回的初始阶段：内倾；定常旋回：外倾旋回时间：旋回360°所需的时间；万吨级船旋回时间约为：6min（4）影响旋回特性的因素：①方形系数大旋回性好旋回圈小②船首水线下面积多旋回性好旋回圈小③船尾有钝材或船首瘦削旋回性差旋回圈大④舵面积大旋回性好旋回圈小⑤吃水增大横距、旋回初径增大，反移量减小⑥横倾，影响较小：低速时，向底舷一侧旋回旋回性好高速时，向高舷一侧旋回旋回性好船速低于某一值时，旋回圈加大⑦浅水：水变浅阻力加大转船舵力作用小旋回圈大旋回性变差⑧旋回圈在实际操船中的应用：反移量（kick ）：向操舵相反一舷移动的距离0.1~0.2L （10%~25%L ）9、操纵指数：k r r T =+.（T ：追随性指数.r :r 的导数角速度<r>的加速度k:旋回性指数）阻尼力矩惯性力矩=T （T 大，惯性大，实际操舵中T 越小越好）阻尼力矩转舵力矩=k （k 大，转舵效应好，实际操舵k 越大越好）无因次的k’、T’)(')('v L T T v L k k ==（k/T 表示舵效）{{第二节航向稳定性及保向性1、船向稳定性定义：船受外力干扰，干扰消失后，不用舵的前提下，船能自动恢复直线运动①恢复到原航向平行的航向航向稳定性（方向稳定性）稳定性②彻底恢复到原航行完全相同的航向上③直线稳定航向稳定性：方形系数低，长/宽高的船航向稳定性好瘦船稳定性好船首侧面积大航行稳定性差（例如：球鼻首bulous）2、保向性概念：船首线运动受外力干扰通过用船纠正使其恢复到原航向与航迹上继续做直线运动一般来说：航向稳定性好的船保向性好3、影响保向性因素瘦船好浅吃水差船尾肥大（有钝材）好干舷高差尾倾较首倾好轻载比满载保向性好（如有风，另当别论）船速高好水深浅好逆风逆流好第三节变速性能补充1、启动性能：静止定常运动定常速度v、所需距离与排水量成正比，与v2成反比，与阻力成正比经验：满载启动距离20L轻载为满载的1/2~2/32、减速性能：停车冲程：对水速度为0通常对水移动能维持舵效的最低速度，即认为停船万吨级船2节、超大船3节，即认为停船一般货船停船冲程8~20L、超大船停船冲程20L3、制动性能：前进三后退三变螺距船CPP是FPP船紧急停船距离的60%~80%总结：排水量大停船距离大船速大停船距离大污底严重停船距离小主机功率大停船距离小顺流顺风停船距离大第四节船舶操纵性试验1、旋回试验：在直航情况下，左35°或右35°，使船旋回旋回试验的目的:测定旋回圈，评价船舶旋回性2、冲程试验冲程条件：风流小水深≥3Bd 采用投掷法测定倒车使船停下（这种试验）要求船首改变90°3、螺旋试验、逆螺旋试验该试验目的，判断船舶航向稳定性好坏逆螺旋试验：求取船舶达某一回旋角速度所需舵角4、Z 性试验该试验主要评价船舶首摇抑制性，也可测定旋回性，追随性，航向稳定性获得操纵性指数第五节IMO 要求1、①对旋回性：进距＜4.5L 旋回初径＜5L操10°舵角航向改变10°时的进距＜2.5L②对停船性：全速倒车停船距离＜15L超大船倒车停船距离＜20L③对于首摇抑制性、保向性3、Z 型试验结果：左右10°舷角第一超越角：a 、当L/v ＜10s 时：＜10°b 、当L/v ＞30s 时：＜20°c 、当10s ＜L/v ＜30s 时：[5+21（L/v ）]°第二超越角：a 、当L/v ＜10s 时：＜25°b 、当L/v ＞30s 时：＜40°c 、当10s ＜L/v ＜30s 时：＜[17.5+0.75（L/v ）]°第三章车、舵、锚、缆、拖船第一节螺旋桨（propeller ）1、关于阻力的补充摩擦阻力占到70%~80%，它与大约船速1.852的次方成正比2、吸入流与排出流①进入螺旋桨的流吸入流：范围广、流速慢、流线平行②螺旋桨排出的流排出流：范围小、流速快、水流旋转3、推力有船速关系（还与滑失有关）推力：排出流对船的反作用力船速一定，螺旋桨转速高推力大螺旋桨转速一定，船速高推力小4、滑失：螺旋桨对水实际速度与理论上能前进速度之差理论速度滑失滑失比=螺旋桨推力主要取决于其转速及滑失比。