2-4自由自航船舶操纵性试验教程

《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。

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。

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、航向和位置的能力。

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。

回转性：表示船舶在一定舵角作用下作圆弧运动的性能。

转首性：表示船舶应舵转首并迅速进入新的稳定状态的性能. 运动稳定性与机动性制约：小舵角下的航向保持性 、中舵角下的航向机动性 、大舵角下的紧急规避性固定与运动坐标系的关系：漂角：速度V 与OX 轴正方向的夹角β。

舵角：舵与OX 轴之间的夹角δ。

舵速角：重心瞬时速度矢量与O 0X 0轴之间的夹角ψ0。

线性水动力导数意义：船舶作匀速直线运动，在其他参数不变时，改变某一运动参数所引起的作用于船舶的水动力或矩对该参数的变化率。

水动力导数：Xu= Yu= 通常可称对线速度分量u 的导数为线性速度导数．如：Xu 等。

对横向速度分量v 的导数为位置导数，如：Yv 、Nv 等。

对回转角速度r 的导数为旋转导数，如：Nr 、Yr 等。

对各加速度分量和角加速度分量的导数为加速度导数Xu 。

，对舵角δ的导数为控制导数，如：Y δ等。

稳定性：对处于定常运动状态的物体(或系统)，若受到极小的外界干扰作用而偏离原定常运动状态；当干扰去除后，经过一定的过渡过程，看是否具有回复到原定常运动状态的能力。

若能回复，则称原运动状态是稳定的。

直线稳定性：船舶受到瞬时扰动以后，重心轨迹最终恢复成为一条直线,但航向发生了变化。

方向稳定性：船舶受到的瞬时扰动消失以后，重心轨迹最终成为原航线平行的另一直线。

位置稳定性：船舶受到瞬时扰动，当扰动消失以后，重心轨迹最终恢复成为与原来航线的延长线。

稳定衡准数:C=-Y V (mx G u 1-N r )+N V （mu 1-Y r ）；C>0 表示船舶在水平面的运动具有直线稳定性；C<0 则不具有直线稳定性。

影响航向稳定性的因素：(1)为改善其航向稳定性，应使Nr 、Yv 二者的负值增加，从C 的表达式可见，此二者之乘积的正值就越大，显然有利于改善稳定性。

1、螺旋试验
• 试验方法：
– 从右满舵开始逐步减小舵角直至正舵、左舵、 左满舵，最后再从左满舵向右满舵一步步过渡， 依次求出各舵角所对应的定常角速度 。
• 缺点：
– 费时
1、螺旋试验
• 结果：
– 把定常旋回角速度作为舵角的函数，得到如下 图形 ：
c
a
b
图1 具有航向稳定性的船舶
d
图2 航向不稳定的船舶
4.拖锚制动
• 通过拖锚利用拖锚阻力，即拖锚时锚的抓 力来刹减船舶余速的方法称为拖锚制动法。
• 该法仅用于万吨级及其以下的船舶； • 抛锚时船舶对地的速度也仅限于2～3kn以
下。
5.拖轮制动法
• 通过拖轮协助，或仅靠拖轮提供的推力使 船制动的方法叫作拖轮制动法。
• 多用于超大型船舶在港内低速状态时的制 动。
上节要点回顾
• 影响旋回性的因素
– 船型因素：方形系数、长宽比、水下侧面积、舵面积、车舵类型 – 操船因素：舵角、船速、吃水、纵倾、横倾以及外界因素
• 旋回要素的应用 • 船舶航向稳定性
– 船舶运动稳定性的分类 – 船舶航向稳定性的含义
• 操纵性指数 • 舵效
– 影响舵效的因素
• 保向性
– 影响保向性的因素
下船舶的旋回圈轨迹图及制动性能(停船试验)资 料。
第五节 船舶操纵性衡准
• 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
本节要点
• 船舶变速运动性能