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船舶操纵性讲义

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船舶原理 （讲义） 邹早建 教授

上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院 本科生课程 船舶原理

（C类） (45学时, 2.5学分)

授课教师: 邹早建 教授 办公地点: 闵行校区（东川路800号） 木兰船建大楼B721室 办公电话: 3420 4255

电子邮件: zjzou@sjtu.edu.cn

课程网站: http://naoce.sjtu.edu.cn/pna

上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院§16.2 实船性能预估 ····································································································· 65 §16.3 实船试航速度预报及螺旋桨与主机的配合情况 ············································· 66 第17章 特种推进器 ··································································································· 67 §17.1 导管螺旋桨 ········································································································· 67 §17.2 可调螺距螺旋桨 ································································································· 67 §17.3 喷水推进器 ········································································································· 67 §17.4 吊舱式推进器 ····································································································· 67 第18章 船舶操纵性总论 ··························································································· 68 §18.1 船舶操纵性包含的内容 ····················································································· 68 §18.2 船舶操纵性的重要性 ························································································· 69 §18.3 操纵船舶的闭环控制 ························································································· 70 第19章 船舶操纵性衡准 ··························································································· 70 §19.1 标准操纵试验及表征船舶操纵性的参数 ························································· 71 §19.2 IMO船舶操纵性标准 ························································································ 74 第20章 船舶操纵运动方程 ······················································································· 75 §20.1 坐标系及船舶操纵运动方程 ············································································· 75 §20.2 线性操纵运动方程及线性水动力导数 ························································· 79 §20.3 响应模型（Nomoto模型）及K、T指数 ····························································· 83 第21章 航向稳定性 ··································································································· 85 §21.1 稳定性分类 ········································································································· 85 §21.2 直线稳定性（固有动稳性）的分析及判据 ························································· 85 第22章 回转性 ··········································································································· 88 §22.1 回转试验的三阶段 ····························································································· 88 §22.2 回转运动分析 ····································································································· 88 §22.3 回转过程中的其它现象 ····················································································· 89 第23章 控制装置简介 ······························································································· 90 §23.1 控制装置的种类 ································································································· 90 §23.2 常规舵的几何特性及水动力特性 ····································································· 92 第24章 船舶耐波性总论 ··························································································· 94 §24.1 船舶的六自由度运动 ························································································· 94 §24.2 船舶耐波性包含的内容 ····················································································· 94 §24.3 船舶耐波性的重要性 ························································································· 95 第25章 海浪与统计分析 ··························································································· 95 §25.1 海浪概述 ············································································································· 95 §25.2 规则波的特性 ····································································································· 95 船舶原理（C类） 上海交通大学本科生课程 - 68 - 第18章 船舶操纵性总论 船舶操纵性是船舶在控制装置的作用下按照驾驶者（或自动驾驶仪）的意图保持或改变其运动状态（包括航速、航向和所处位置等）的能力。传统上，船舶操纵性限于研究船舶在静水中的三自由度操纵运动（在水平面内的纵向、横向运动和绕垂直轴的旋转运动）。但实际上，船舶在进行操纵运动的过程中，常常会受到风浪的作用，特别是海船，需要在海浪中航行，其操纵运动和操纵性能必能要受到海浪的影响，对于这些船舶，需要研究其波浪中的操纵性。另外，对于高速舰船和集装箱船等船型，在其进行操纵运动的过程中常常伴随有明显的横倾运动，对于这些船舶，需要考虑包括横倾的四自由度操纵运动。本课程受学时所限，将按照传统的做法，限于讨论船舶在静水中在水平面内的三自由度操纵运动。

§18.1 船舶操纵性包含的内容 传统上，船舶操纵性研究的主要是稳定性、回转性和转首性（又称为应舵性或初始回转性）。其中稳定性是船舶克服小扰动维持直线航行的能力，回转性是船舶在满舵作用下进行回转运动的能力，转首性是船舶在操舵初期对操舵及时响应而转首的能力。 现代对船舶操纵性进行了更详细的划分，其涉及的内容包括： （1）固有稳定性：作匀速直线运动的船舶受到小扰动的作用而偏离其航线和航向，在扰动去除以后，如果船舶能够在没有控制装置作用的情况下回到匀速直线运动状态，则称该船具有固有稳定性；反之，如果船舶最后进入了一个非定常的回转运动，则称该船不具有固有稳定性。图18.1中给出了具有和不具有固有稳定性的船舶在受到小扰动作

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船员大型船舶操纵特殊培训课件

船员大型船舶操纵特殊培训课件

搭建船员交流与合作平台，促进船员之间的 互动与合作，共同提升行业水平。
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船员大型船舶操纵理论知识
03
培训
航海学基础知识
航海学概述
航海学是研究海洋航行、船舶导航和 海洋学的综合性学科，旨在培养船员
掌握船舶航行的基础知识和技能。
无线电导航
无线电导航是利用无线电信号，如 GPS、GLONASS、Galileo等全球定 位系统，进行高精度定位和导航的方
法。
天文航海
天文航海是根据天体位置和运动规律， 通过观测太阳、月亮、行星等天体位 置，推算船位和航向的方法。
船员大型船舶操纵特殊培训
05
评估与改进
培训效果评估
评估标准制定
根据培训目标和内容，制 定合理的评估标准，确保 评估结果客观、公正。
培训过程监控
对培训过程进行实时监控， 及时发现和解决存在的问 题，确保培训质量。
培训效果评估方法
采用多种评估方法，如考 试、实操考核、学员反馈 等，全面评估培训效果。
船员大型船舶操纵特 殊培训课件
目录
• 大型船舶操纵概述 • 船员大型船舶操纵技能培训 • 船员大型船舶操纵理论知识培训 • 船员大型船舶操纵实践操作培训 • 船员大型船舶操纵特殊培训评估与
改进
01
大型船舶操纵概述
大型船舶的定义与特点
01 大型船舶定义
通常是指船长超过100米，载重吨位超过1万吨的 船舶。
气象预报与警报
海洋气象观测与仪器
船员需要掌握气象预报和警报的获取方法 ，了解不同气象条件下的航行建议和限制 ，以保障航行安全。
了解海洋气象观测的基本方法和常用仪器 ，如风速风向仪、海浪仪等，有助于船员 更好地观测和记录气象数据。
船舶操纵性第1章4

船舶操纵性第1章4


(x,T
)
（1）船体上同一空间点上β（t）的变化： ( XT ,t) ∵
∴ d d d
dt dt dt
由理论力学知：
积分
Vdt Rd
d d V r V (t)
dt ∴ dt R
R
（2）在同一时刻沿船长各点上β（x）的变化：
(x,T
)
根据船的运动
特点：平动加转动，
（４）
Ix p L
四个自由度的水平面运动方程
（３）（４）两式均为坐标原点在重心的运动方程式。
§１－２ 船舶运动方程式
以上公式中的各参数均是相对于原点在重心的坐 标系的。若水动力试验时所测得的参数是对于船舯 的，则力矩需要进行转换，将试验测得的对船舯
的力矩转换为对重心G的力矩： N N xY
G
x
x
y
Y
§１－２ 船舶运动方程式
特别是，当坐标原点不在重心处，而是在船舯
处，则令重心的坐标为xG，有
u uG, v vG rxG
r rG X X G ,Y YG
N NG xGYG
I z IGZ xG2 m
§１－２ 船舶运动方程式
§１－２ 船舶运动方程式
m(u vr) X
在给定操舵规律δ(t)与推力（矩）的 情况后，上述参数如ψ(t),β(t),r(t)
等随时间的变化，这一问题只有通过受 力分析，建立方程求解后才能得到。
1.1.3 漂角β的特性（随时间和沿船长的变化）
考查：
（1）船体上同一空间点上β（t）的变化：
(XT ,t)
（2）在同一时刻沿船长各点上β（x）的变化：
IZ r mxG (v ur) N
§１－２ 船舶运动方程式
船舶操纵知识

船舶操纵知识

吃水影响：
– – – – 舵面积比随吃水增加而降低； 随着吃水的增加，船舶通过重心G点竖轴的转动惯量增加； 随着吃水的增加，初始旋回大大减慢。 若纵倾状态相同，吃水增加时，旋回进距增大，横距和旋回初径也 将有所增加。
吃水差影响：
– 较大程度地改变了船舶水线下船体侧面积的分布状态，因而对船舶 旋回性能带来明显的影影响。 – 尾倾增大，旋向圈也将增大；对于Cb=0.8的船舶，若尾倾增大量为 船长的1%，旋回初径将可增加10%左右；对于Cb=0.6的船舶，若尾 倾增大量为船长的1%，旋回初径将可增加3%左右。
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V D0 Re
b
三、船舶旋回运动要素
• 表征船舶旋回运动状态的运动要素：
漂角； 转心； 旋回中的降速； 旋回中的横倾等，
• 运动要素与船舶的旋回性能有着密切的关 系。
1. 漂角（Drift angle）
• 定义：
– 船舶首尾线上某一点的线速 度与船舶首尾面的交角叫作 漂角，用β表示之。• 小：4. 横倾（list）
4. 横倾（list）
• 影响因素：
– 船舶旋回横倾大小与船速、所操的舵角、船舶的 旋回性能和船舶的初稳性高度GM等有关。
• 注意事项：
– 操船过程中应特别注意回转突倾，避免用急舵特 别是急回舵。 – 1999年10月17日盛鲁轮在避让渔船时因操舵造成 横倾过大，引起汽车碰撞起火，最后沉没。
• 位置：
– 转心的位置大约在离船首柱后 1/3 ～ 1/5 船长处，也可能出于船首前某一 点。旋回性能越好、旋回中漂角 β 越 大的船舶，旋回时转心越靠近船首。
3. 旋回中的降速
• 降速原因：
– 舵阻力增加； – 船体的斜航阻力增加与旋回初径DT有密切的关系，DT/L 值越小，旋回性越好，降速越显著。 – 主机特性，推进效率降低
船舶的操纵性能

船舶的操纵性能

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。