船舶在横浪中的横摇运动及其稳定性研究

船舶横摇运动中力矩分析

船舶横摇角较小的情况下可以应用线性横摇理论来研究船舶的横摇运动，将船舶看作是一个刚体，在海浪的干扰下，船体绕中心线摆动，规定从船尾向船首看， 顺时针为正，逆时针为负，取船舶的横摇角为φ横摇角速度为φ&，横摇角加速度 为φ&&，船舶在波浪中的横摇所受的力矩可以看成船舶在静水中横摇所受的力矩加上波浪的正浮状态船体的扰动力矩，为此，船舶在波浪上的横摇受以下几种力矩的作用： 一、复原力矩 当船舶横摇某一角度Φ时，此时浮心和重心不在同一垂线上，形成一个使船舶回复到原来位置的力矩，即复原力矩)(ΦM ，当横摇角不太大时，可以应用初稳性公式: Φ-=ΦDh M )( 式中：D 为排水量； h 为初稳性高。 二、阻尼力矩 船在水中横摇，由于船体和水之间存在相对速度，船体必然受到阻力，阻尼力 矩大体受到三个原因的作用：摩擦阻尼，兴波阻尼，漩涡阻尼。 （1）摩擦阻尼 它是水的粘性引起的，其数值的大小一般认为和角速度的平方成比例，在横摇中，摩擦阻尼所占的比重是很小的，往往可以忽略。 （2）兴波阻尼 它是由于船的运动在水表面形成波浪，消耗了船体本身的能量而形成的，一般认为兴波阻尼比例于角速度的一次方。 （3）漩涡阻尼 它是在船体弯曲或突出物附近形成漩涡，损失部分能量而形成的。 船舶横摇阻尼力矩与船体形状、装载情况、舭龙骨、横摇频率和幅值等多种因素有关，精确的确定阻尼力矩是目前横摇研究中最困难的问题。用理论方法确定的阻尼力矩尚不能用于实际，最可靠的方法是进行实船或模型试验。小角度横摇时，认为船舶是时间恒定的线性系统，阻尼力矩与角速度成线性关系，其计算公式如下: φ φ&N M z 2-= Dh J J N )(φφφφμ?+= 其中: φN 为横摇阻尼系数; φμ为无因次横摇衰减系数; φJ 为转动惯量； φJ ?为附加转动惯量。

船舶航向稳定性与保向性

船舶的保向性与航向稳定性 摘要 文章介绍了船舶的航向性与稳定性的内涵，航向稳定性与保向性的关系，通过分析影响船舶的稳定性与保向性的因素，作出相应的补救措施，以提高船舶的保向性与航向的 稳定性。 关键词 航向稳定性； 保向性 ，措施。 1 引言 船舶的航向稳定性是船舶的操纵性的基本内容之一，航向稳定性的高低，直接影响到船舶保向性的好坏，船舶航向稳定性好的船舶保向性也好，直航中很少操舵也能较好的保向，当船舶操舵改向时又能较好较快地应舵，转向中也能较快的把航向稳定下来。航向的稳定性与保向性与船舶的本身船型、水下侧面积等有很大的关系。事关船舶的经济与安全，分析研究影响船舶航向稳定性的因素，具有重要的现实意义。 1航向稳定性的概念及判断 1.1航向稳定性的定义 航向稳定性是指正舵直进的船舶受到外力的作用取得某一转头角速度ro ，当外力消失之后不能用舵校正（即舵角δ＝０）若船舶能稳定在新的航向上，则说明船舶具有航向稳定性；若船舶不能稳定在新的航向上，而是一直偏转下去，则船舶不具备航向稳定 性。 1.2判别一艘船舶的航向稳定性，可以利用实验船或计算预测方法得到航向稳定性指数T 来进行。 在保持正舵的条件下（δ=0﹚，设外界消失后任意时刻t 船舶偏离原航向的回转角 速度为r ，外力消失时船舶具有的转头角速度为ro ，据一阶段近似操纵运动方程 ，可得到 ，既当T ＞0时，T 值越小，回转角速度r 衰减得越快， 船舶很快稳定在新的航向上；相反，若T ＞0,T 值越大，则回转脚速度r 衰减的越慢，航向稳定性越差。如果T ＜0，随着时间t 推移，船舶将不断偏转下去，则该船不具备航向稳定性，而且T ＜0 时，T 的绝对值｜T ｜ 越小，航向越不稳定。 δ?=+??K r T r

船舶航向控制策略研究

龙源期刊网 https://www.wendangku.net/doc/714623755.html, 船舶航向控制策略研究 作者：戚爱春庄肖波 来源：《电脑知识与技术》2013年第12期 摘要：随着船舶现代化、高智能化的快速发展，传统的航向自动控制已经不能满足船舶控制的实际需要。该文研究了船舶航行过程中的航向控制问题，主要介绍了基于极点配置方法以及基于遗传算法的航向控制策略。所得到的结果对于研究船舶航向控制问题具有一定指导意义。 关键词：航向控制；极点配置；遗传算法 中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）12-2871-03 1 船舶航向控制概述 目前，水运是完成地区之间、国与国之间大宗货物贸易最有效最经济最广泛的运输方式。船舶在海上航行时，不可避免地要偏离给定航向，导致这种现象的原因是船舶受到海风、海流、海浪等海洋环境扰动的影响。船舶航向的改变会导致较大的航向偏差，进而导致航行距离的增大及运输成本的增大，也会对船上的设备、货物及乘员产生不利影响。为了节省能源和尽快到达目的地，必须尽量减小航向偏差[1]。 船舶的航向控制直接影响到船舶的操纵性能、安全性能和经济性能，航向控制问题本身是一个复杂而重要的问题。不论何种船舶，为了完成使命，必须进行航向控制。船舶推进、运动与姿态的操纵控制、船舶运动机理等问题目前已经引起了学术界的广泛关注，相关的研究成果已经发表，见文献[2-6]。 随着现代社会对自动化设备需求量的增加以及对于自动化设备技术水平要求的提高，人们对船舶的自动控制装置（自动舵）的需求和要求也逐步提高[7]。自动舵是保证船舶自动导航 时的操纵性能的关键设备，其主要功能是用来自动保持船舶在给定航向或给定航迹上航行。基于自动舵的航向控制具有较高的研究价值。 本文将介绍基于极点配置方法以及基于遗传算法的航向控制策略。 2 船舶航向控制策略研究 下面结合工作实践，讨论船舶航向控制问题。 2.1 基于极点配置方法的船舶航向控制

船舶摇摆实验汇总

具体实验内容：格式样板如下，字体均用宋体。（填空，每空1分，共25分） 船舶摇摆实验 1、实验目的（10） （1）测量实船的固有横摇周期。 （2）通过实验了解船舶重心对横摇周期的影响。 2、实验原理（15） 船舶的摇荡主要有下列六种形式：横摇、纵摇、首摇、垂荡、横荡、纵荡。其中，横摇、纵摇和垂荡对船的航行影响最大，而横摇又最容易发生，横摇振幅也最大，严重影响船舶安全。 船舶的稳性：

横摇固有周期Ts: 横摇摇幅衰减 静水中通过对船舶施加倾斜力矩，使船舶产生初始倾角θ后，去除该力距，船舶进入自由横摇状态。静水中船舶自由横摇的衰减曲线是按指数规律随时间而衰减的，相邻的两个横摇峰值或谷值之间的时间间隔即为横摇的固有周期Ts。在半个周期时间间隔内，横摇幅值绝对值的变化为 由以上关系可得无因次衰减系数的表达式为：

3、实验步骤（10） 1、确认所有实验设备处于正确的初始状态，包括：船舶（模）的摇摆运动不会受到干扰，倾角测量装置已上电并运行正常； 2、每次实验前测量其初始倾角； 3、运行倾角测量软件； 4、给船舶施加倾斜力矩使其倾斜； 5、点击倾角测量软件界面上的“开始”按钮，此时开始测量倾角数据并显示在界面上； 6、去除倾斜力矩使船舶进入自由横摇状态； 7、等待一定时间后，点击倾角测量软件界面上的“暂停”按钮，停止测量倾角数据； 8、将记录下来的倾角数据保存在指定的文件中； 9、在船舶的某一高度上增加重量。 首先将双面胶的一面贴在亚铁上，然后将亚铁粘贴到船模上。注意沿船长的方向，亚铁的中心线要与船模的中线一致，避免船舶左右不对称产生固定的横倾角。将增加重量的船模放入水中，给船模施加倾斜力矩使其倾斜，去除该 力矩使船舶进入自由横摇状态，对船模摇摆的倾角进行测量并保存实验数据。按照这个方法，逐渐增加亚铁的数量，并对其进行摇摆试验，测量其摇摆横倾角并保存数据； 10、点击倾角测量软件界面上的“退出”按钮，关闭该软件，结束实验。 4、实验数据及其处理（40） 根据测得的倾角数据绘制倾角随时间的变化曲线、船舶横摇消灭曲线，求实验船舶的横摇周期、无因次阻尼系数，并写出算例。（所测数据中每两个相邻数据之间的时间间隔是100ms，即数据是按10个/秒的频率测量和记录的。）

船舶在波浪中航行时的安全操纵

船舶在波浪中航行时的安全操纵 关于船舶在波浪中航行的纯稳性丧失，国内外学者进行了大量的研究，文献[1]、[2]采用波浪中船舶瞬时湿表面的计算方法，得出了稳性变化与波浪要素之间的相互关系；文献[3]、[4]通过船舶操纵运动方程，运用流体动力学理论，将波浪运动的影响引人操纵方程，并对船舶稳性的影响进行了模拟计算。对于船舶驾驶员来说，仅从静态上了解衡量船舶稳性是否满足稳性规范的要求是不够的，更重要的是要从动力学的角度出发，了解和掌握在恶劣的天气条件下，船舶在波浪中的稳性变化规律，保证船舶以适应于稳性要求的姿态正确航 行。 1 稳性变化的原因分析 根据文献[5]，船舶在波浪中航行时，由于船体浸水体积的变化，使得正浮时的浮心B移至B*。根据静力学理论，对于横倾θ度的船舶，波浪中的复原力臂GZ*值与静水中的复原 力臂GZ值之间的差值可由式（1）确定。 ΔGZ=（B*R-BR）-BB*Sinθ（1） 由式（1）可以看出，船舶在波浪中的稳性变化是由于形状稳性和浮心位置的变化所引起 的。 为了具体地表现这种内在的关系，把GZ改写为表示动稳性的稳性高度GM，有： GM=I/V-BG（2） 式（2）中，I为水线面的惯性矩，V为船舶水下排水体积，BG为船舶浮心至船舶重心的垂直距离。由于波浪的影响，船舶的排水体积变为V+ΔV，水线面的惯性矩变为I+ΔI，浮心由B移至B*，则GM的变化GM+ΔGM可近似地表示为： GM+ΔGM=I/V（1+ΔI/I-ΔV/V）-B*G（3） 利用BM=I/V的关系，GM的变化量ΔGM可按下式求得：

ΔGM=BM（ΔI/I-ΔV/V）-BB* （4） 通过式（4）可以看出，导致船舶在波浪中的稳性变化是由于船舶的排水体积和水线面惯性矩的变化以及浮心位置的移动而引起的。第一项为舷侧外漂和船体浸水体积变化引起的BM的变化量表示由注心上下移动引起的变化量。 2 稳性变化与海浪之间的关系 防止船舶因稳性丧失而导致倾覆，是船舶驾驶员最为关心的问题。IMO亦已通过《在随浪和尾随浪情况下避免危险局面的指南》，其目的在于给船长在随浪和尾随浪航行时提供避免危险局面的建议。对于驾驶员来说，了解船舶姿态与波浪之间相互位置关系而导致船舶稳性的变化，从而采取和选择安全的操船方案有着重要的意义。 2.1 波长与船长比（λ/L）对稳性的影响 稳性变化主要是浮在波面上的船体的水线面惯性矩I的增减引起的，并与波浪的大小和船舶的尺度有关。图l给出了在波高H固定不变，波长与船长比（λ/L）变化、以及波浪位 于船舶各种相对位置时的GZ曲线。 从图1可以看出，当船中位于波谷（ξG/λ=0）时，由于船体前后部的水线面惯性矩与静水中相比，其数值是增加的，因而船舶的稳性也是增加的；当船中位于波峰（ξG/λ=0.5）时，由于水线面的惯性矩减少了，故船舶的稳性也随之减小。另外，从图1还可以看出，这种由船体前后部水线面惯性矩的增减引起的稳性变化，当波长等于船长时，其稳性变化量最大，随着波长的增加，其稳性变化量有减少的趋向。

船舶操纵简答题类型

船舶操纵简答题类型 1.前航中船舶受到扰动后，船舶运动的稳定性有哪几种，船舶的航向稳定性指的是什么？ 2.图示分析前进中的船舶斜顺风航行时受力和偏转规律。 3.船舶在选择锚地时应主要考虑哪些因素？ 4.简述船舶在北半球台风右半圆的避台操纵方法。 5.简述船舶在波浪中航行横摇的谐摇条件及避免谐揺的措施。 6.简述减轻单锚泊偏荡的措施。 7.简述给定船舶影响倒车停船冲程的因素。 8.试比较大风浪中航行时滞航与漂滞的区别及优缺点。 9.简述发现人员落水时的紧急措施。 10.何谓船舶的动航向稳定性，如何判别？ 11.常用锚泊方式有哪几种，各有什么优缺点？ 12.简述船舶纵向受浪时的危害和预防措施。 13.简述驶近落水者的“Williamson”旋回的操纵方法及适用情况。 14.试述伴流横向力产生的原因、条件及作用规律。 15.拖轮顶首协助前进中大船转首，为何存在大船前进速度的极限航速？ 16.前进中的船舶在斜顶风与斜顺风航行时，哪种情况易于保向?为什么？ 17.简述超大型船舶的操纵性特点。 18.何谓滑失？对螺旋桨推力、排出流、舵效有何影响？ 19.绘出倒车停船轨迹，并说明为何呈现这样的形状。 20.简述影响岸壁效应的因素。 21.简述驶近落水者的“Scharnow”旋回的操纵方法及适用情况。 22.简述影响锚抓力的因素。 23.简述影响给定船舶旋回直径大小的因素。 24.简述影响舵效的因素。 25.试述沉深横向力产生的条件，成因及其致偏作用。 26.图示说明后退中的船舶在正横后来风的受力和偏转规律。 27.简述驶近落水者的“单旋回”的操纵方法及适用情况。 28.决定富余水深应考虑哪些因素？ 29.绘草图说明右旋FPP单桨船利用车、舵减小掉头区的方法。 30.图示说明后退中的船舶在正横前来风的受力和偏转规律。 31.简述驶近落水者的“双半旋回”的操纵方法及适用情况。 32.试述影响船舶旋回直径大小的船型因素。 33.试述不同船速情况下船体下沉的特点。 34.简述空载船舶在大风浪中航行的弊端。 35.简述停车不对水移动的船舶在风中的偏转和运动规律。 36.简述浅水中船舶操纵运动特点。 37.什么是岸壁效应？船舶在接近岸壁航行时应如何操舵保向？ 38.简述影响船舶保向性的因素。

船舶术语

ABS 美国船级社 aft a. adv. n.（在）船艉 aft peak 艉尖舱 anchor n.锚 anchor chain （cable chain）锚链 anchor handling 锚操纵anchor windlass (chain windlass) 起锚机 aux. engine room 辅机舱ballast system 压载系统ballast water 压载水 base[beis] n.基准 basic design 基本（方案）设计 basic metal 母材 beam n.横梁 bilge n.舱底水 bilge keel 舭龙骨 bilge plate 舭板 bilge pump 舱底水泵block n.分段 block or section fabrication 分段或总段装配 blower 风机 boat deck 艇甲板 bollard n. 带缆桩 bolt n. 螺栓 bottom n. 船底 bottom plate 底板 bottom structure 底板结构bow n. 船艏 bow &stern structure 艏艉结构 bow section 艏段 bridge n.桥楼 bridge control 桥楼控制broadcast n.v. 控制bulbous bow 球鼻艏 bulk cargo 散装货物 bulk-cargo carrier 散装货船 bulkhead n. 隔舱壁bulkhead structure 隔舱壁结构 butt joint 对接接头 cabin n.舱室 camber n. 梁拱 cargo n. 船货cargo oil 货油 cargo –hold n. 货舱 CCS 中国船级社 chain locker 锚链舱 chain pipe 锚链管 chain stopper 制链器 class n. 船级 classification n.船级 classification society 船级 社 coefficients of ship form 船型系数 compartment n. 分隔舱 compass n. 罗经 compass deck 罗经甲板 completion drawing 完工 图 component n. 组成部分 composition n. 成分组成 continuous deck 连续甲板 crew n.(全体)船员 dead weight ton(DWT) n. 载重量，吨载量 deck n. 甲板 deck girder 甲板材 deck longitudinal 甲板纵 骨 deck plate 甲板板 deck structure 甲板结构 deckhouse 甲板室 deliver v. 交货，交船 derrick n. 吊杆 discharge n.v. 排水 DNV 挪威船级社 Dock n. 船坞 double bottom 双层底 double-action a.双作用 draft(draught)n. 吃水 drawing n. 图纸 drydock n. 干船坞 engine-room 机舱 EO 无人机舱 设备 fire pump 消防泵 fire-fighting system 消防 系统 floor plate 肋板 fore perpendicular 艏垂线 forecastle n. 艏楼 formation n. 构成，结构 frame n. 肋骨 framing block 肋骨框架分 段 freeboard n. 干舷 freighter n. 货船 full-load a. 满载的 full-load displacement 满 载排水量 GL 西德劳氏船级社 hawsepipe n.锚链筒 headroom n.甲板间高度 heel n.横倾 hull n.船体 hull cleanness 船体光顺性 hull construction 船体结 构 hull form 船型 hull line 船体线型 hull structure 船体结构 IMCO 政府间海事协商组 织 inclination n.倾斜 inclination test 倾斜试验 incline v. 倾斜 index n.索引 keel n. 龙骨 keel plate 龙骨板 life-belt n.救生圈 life-boat n.救生艇 life-jacket n.救生衣 life-raft n.救生筏 life-saving n.救生 lines lofting 线型放样 lines offsets 型值 lines plan 线型图 local strengthening 局部加 强 locate v.定位 longitudinal bulkhead 纵隔 舱壁 longitudinal framing 纵向 构架 lower deck 下甲板 LR 英国劳氏船级社 M.E.engine room 主机舱 main hull 主船体 maneuvering console 操纵 台 marine geological research vessel

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

船舶航向非线性系统的H_鲁棒控制与仿真

第29卷第1期 Vo l 29,No 1 西华大学学报(自然科学版) Journa l o fX i h ua Un i v ersity N atural Sc i e nce 2010年1月 J an .2010文章编号:1673 159X (2010)01 0009 04 收稿日期:2009 10 12 作者简介:喻 洲(1985 ),男,湖南长沙人,硕士研究生,主要研究方向为非线性鲁棒控制; 船舶航向非线性系统的H 鲁棒控制与仿真 喻 洲,吴汉松,袁 雷 (海军工程大学电气与信息工程学院,湖北武汉430033) 摘 要:针对船舶航向非线性控制系统的数学模型,在考虑船舶操舵伺服机构特性的情况下,基于状态反馈线性化方法,采用闭环增益成形算法设计出了船舶航向鲁棒控制器。利用M atl ab /S i m u li nk 工具箱进行仿真,结果表明,所设计的鲁棒控制器与采用极点配置法设计的鲁棒镇定控制器相比,具有较好的控制性能,对风浪干扰也具有很强的鲁棒性。 关键词:船舶航向控制;非线性系统;闭环增益成形;鲁棒性 中图分类号:TP273;U 664 文献标识码:A H I RC and Si m ulation of Nonli near Shi p A utopilot Syste m YU Zhou ,WU H an song ,YUAN Lei (Colle g e of E lectrical and Informati on Eng i neering ,N aval U ni .of Engineer i ng,W uhan 430033China ) Abstrac t :The re l a tionsh i p bet w een t he m aneuve r of a shi p and t he characteristi cs o f t he rudder w as stud ied usi ng a non li near m od e.l A robust con tro ll er for ship course was proposed by c l o sed loop gain shapi ng a l gor it h m based on t he state feedback li neariza tion m ethod .T he si m u l a ti on results obta i ned from t he si m u l a ti on so ft w are Si m uli nk ofM atl ab show that the desi gned contro ller ism ore effec ti ve t han the controller based on po le placem ent . K ey word s :sh i p course contro,l nonli near syste m,closed l oop ga i n shapi ng ,robustness 控制策略是船舶运动控制学的主要研究对象。从20世纪20年代PI D 控制律应用于船舶航向控制 系统以来,由于航行安全、节能、降低船员劳动强度等需求,航向控制一直受到人们的高度重视。但是船舶在大洋航行时受风、海浪、海流等各种环境因素干扰,以及船舶的船型、装载、航速、吃水等各种工况影响,船舶运动表现出非线性、不确定性、大滞后等复杂的动态特性[1 2] 。因此,设计船舶航向不确定非线性系统的鲁棒控制策略是船舶控制领域的一个研究热点。 本文针对考虑舵机特性的船舶航向非线性系统模型设计鲁棒控制器,通过状态反馈精确线性化方法得到系统的线性模型,并基于闭环增益成形算法,导出了H 鲁棒控制律。研究表明,所设计的鲁棒控制器与采用极点配置的方法来设计的鲁棒镇定控制器相比,具有较好的控制性能,能够使船舶航向有效跟踪并对系统的不确定性和干扰具有较强的鲁棒性。 1 系统的数学描述 在船舶自动舵设计中,船舶操纵系统模型一般采用线性的野本(N o mo to)方程 T ! + =K (1) 式中, 为舵角; 为航向角;T 为时间常数;k 为增益。该方程只适用于小舵角和低频动舵情况。在某些操纵条件下,例如舵角较大时,船舶存在严重的非线性特性,就不能忽略力和力矩泰勒级数展开式中的非线性项,这时上述模型就不适宜。为了更加准确地描述实际情况,提高模型描述精度,式(1)中的 以非线性项H ( )代之,用以描述船舶非线性操纵特性: H ( )= 0+ 1 + 2 2 + 3 3 (2)式中, i (i =0,1,2,3)为Norr b i n 系数。对于具有对称船体的船舶, 0和 2为0;对于稳定的船舶, 1=1;对于不稳定的船舶, 1= 1;而 3的值可由

船舶操纵问答题

1、何谓航向稳定性？如何判别？ 答：船舶航行中受到风、浪、流等极小的外界干扰作用，使其偏离原来运动状态。在外来干扰消失后， 保持正舵的条件下，船舶能回到原来运动状态的能力。 判别：1）外力干扰消失后，在正舵条件下，如船舶最终能以一个新航向作直线运动，称直线稳定性； 2）外力消失后，在正舵条件下，如船舶最终能恢复到原航向上作直线运动，仅与原来运动轨迹存在一个偏量，称方向稳定性； 3）外力干扰消失后，在正舵条件下，如船舶最终能自行恢复到原来航线上，航向与原航向相同， 且运动轨迹无偏离，称具有位置稳定性； 4）外力干扰消失后，最终进入一个回转运动，称该船不具备航向稳定性； 2、何谓航向改变性？哪些因素影响航向改变性？ 答：表示船舶改向灵活的程度，通常由原航向改驶新航向时，到新航向的距离来表示船舶改向性的优劣。航向改变性通常用初始回转性能和偏转抑制能力来衡量。 初始回转性能是指船舶对操舵改变航向的快速响应性能：由操舵后船舶航进一定距离上船首转过的角度大小来衡量；偏转抑制性能：指船舶偏转中操正舵、反向压舵，使船舶停止偏转保持直线航行的性能； 影响航向改变性的因素：1)方型系数Cb大，旋回性好； 2）舵角：大舵角，旋回性好； 3）吃水与吃水差； 4）横倾； 5）浅水； 6）其他因素：（如强风、强流等） 3、掌握船舶变速性能（冲程、冲时）对船舶操纵有何意义？影响紧急停船距离（冲程）的因素有哪些？ 答：前进中的船舶完成变速过程中所前进的距离，称为冲程，所经历的时间，称为冲时。 当船舶进行启动、变速、停车、倒车时因惯性的存在，采取上述措施时，需经一段时间，航行 一段距离，才能从一种定常运动状态改变到另一种运动状态。 意义：在实际操纵船舶时，应充分考虑到本船的冲程和冲时（即考虑一提前量）才能得心应手地 及时将船停住或避让来往船舶或及时避开障碍物，才能采取一切有利于安全航行的措施， 避免紧迫局面和事故的发生。 尤其要掌握倒车停船性能，当快速航进中，遇到紧急情况时，只有在充分了解本船的紧急 停船距离，才能避免碰撞的发生。 影响紧急停船的因素：1）主机倒车功率、换相时间；2）推进器种类；3）排水量 4）船速5）其他因素：顺流冲程大，顶流冲程小；浅水阻力大；污底严重阻力大、冲程小等 4、何谓舵效？影响舵效的因素有哪些？ 答：广义：船体对舵的响应。 即舵对于船舶转首的控制作用。 狭义：运动中的船舶操一舵角δ后，船舶在较短的时间内，在较短的距离内（L或2L） （一定的水域内）转首角的大小来表示舵效的好坏。 能在较短的时间、较小水域内有较大的回转角，称该船的舵效好。反之，则舵效差； 影响舵效的因素有：1）舵角和舵面积比；2）舵速3）吃水4）纵倾和横倾 5）舵机性能6）其他因素 5、试述纵倾、横倾对船舶操纵的影响？ 答：当船舶产生纵倾、横倾时影响船舶的航向稳定性、保向性和旋回性、舵效。 纵倾：1）首倾：使船舶保向性和航向稳定性下降，回转速度加快，旋回圈减小； 首倾增加1%L，旋回初径减小10%， 2）尾倾：船舶保向性和航向稳定性提高，回转速度慢，旋回圈增大， 尾倾增加1%L，旋回初径增加10% 高速船因尾倾大，旋回圈增大； 3）对舵效的影响：首倾时舵效差，尾倾时舵效好； 横倾：船舶存在横倾比没有横倾时保向性下降，横倾对旋回圈的大小影响不大。

船舶静止在波浪上的外力计算

船舶静止在波浪上的外力计算 一、整体计算过程（计算思路） 两个假设： 1、假设船舶以波速在波浪的前进方向上航行，即船与波的相对速度为零； 2、假设船体是在重力和浮力作用下静平衡于波浪上的一根梁。 计算思路： 1、船舶外力计算的目的是进行强度校核，应保证： []max σσ≤ 其中，max σ为船体断面最大正应力，[]σ为许用应力。 2、应力计算根据梁的弯曲理论由下式给出： M Z I σ=? 其中，M 为计算断面的弯矩；I 为横断面绕水平中和轴的惯性矩；Z 为计算应力点到中和轴的距离。 3、船体梁在载荷作用下纵纵弯曲产生的弯矩有两部分构成：静水力弯矩和波浪附加弯矩： s M M M ω=+ 整体计算步骤： 1、计算不同装载状态下静水弯矩和波浪附加弯矩以及静水剪力和波浪附加剪力； 2、计算总纵弯矩； 3、计算船体断面的最大正应力； 4、根据许用应力进行强度校核。 波浪要素和装载状态： 1、计算波浪附加弯矩时，标准波浪的波形取为坦谷波； 2、应考虑四种装载状况：满载出港、到港，压载出港、到港

二、各部分计算过程详解 1、静水弯矩计算 两个必要条件：1）船体浮力等于重力；2）重心和浮心在同一铅垂线 静水弯矩计算核心公式： ()()() ()()()()00x x q x x b x N x q x dx M x N x dx ω=-?=???=? ?? 静水力弯矩计算步骤： 1) 绘制重量曲线； 2) 绘制浮力曲线； 3) 求出重量曲线和浮力曲线的差值()q x ，作为船体梁的载荷强度； 4) 根据上面的公式计算静水弯矩。 重量曲线绘制方法： 绘制重量曲线时，必须根据静力等效原则合理分布，满足以下四个要点：重量不变，重心不变，范围一致，均匀分布 围长法：核心是假设船体结构单位长度重量与剖面围长成比例； 抛物线法：核心是假定船体与舾装品总重量构成的重量曲线可以用抛物线和矩形之和来表示； 梯形法：将船体重量近似地用梯形曲线表示； 局部性重量：根据静力等效原则进行合理分布。 浮力曲线绘制方法： 浮力曲线由邦戎曲线得出，由于船舶并非处于平浮状态，所以必须进行纵倾调整，调整方法为解析法和逐步近似法，其中逐步近似法计算过程： ● 按给出的平均吃水m d ，浮心纵向坐标b x ，水线面漂心f x 以及纵稳心半径R ，计算首尾吃水： 22g b f m f g b a m f x x L d d x R x x L d d x R -???=+- ??????-???=-+ ????? ● 确定首尾吃水后，利用邦戎曲线求出对应吃水线时的浮力曲线，可计算出排水体积1V 和浮心纵向坐标1b x 的第一次近似值； ● 将求的的两个数值与给定的排水体积0V 及重心纵向坐标g x 比较，相差较大时，必须作第二次近似计算，由下式确定新的首尾吃水：

船舶操纵性与耐波性总结

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。(2) Nv 对稳定性的影响较大。只要Nv 为正值，船舶就能保证航向稳定性 (3)若沿船纵向设置升力面(如鳍、舵等能产生升力的物体)，则将其加在首或尾部都能使Nr 的负值增加，但若加在首部会使Nv 增加负值，而加在尾部会使Nv 变正，故升力面设置在尾部可使Nr 负值增加的同时又使Nv 值变正，故对航向稳定性的贡献比设置在首部要大。与几何形体的关系：增加船长可使Nr 负值增加，增加船舶纵中剖面的侧面积可使Nr 、Yv 的负值增加，增加Nv 的有效方法是，增加纵中剖面尾部侧面积，可采用增大呆木，安装尾鳍，使船产生尾倾等。 船舶回转性各参数：反横距：从船舶初始的直线航线至回转运动轨迹向反方向最大偏离处的距离为S1。正横距：从船舶初始直航线至船首转向90°时，船舶重心所在位置之间的距离为S2。该值越小，则回转性就越好。纵距：从转舵开始时刻船舶重心G 点所在的位置，至船首转向90°时船舶纵中剖面，沿原航行方向计量的距离S3。其值越大，表示船舶对初始时刻的操舵反应越迟钝战术直径：从船舶原来航线至船首转向180°时，船纵中剖面所在位置之间的距离DT 。其值越小，则回转性越好。定常回转直径：定常回转阶段船舶重心点圆形轨迹的直径D 进程R ′：自执行操舵点起至回转圈中心的纵向距离；R′=S3-D/2；它表示船舶对舵作用的应答性，R′越小则应答性越好 回转过程的三个阶段： 转舵阶段：指从开始转舵到舵转至规定角度δ0为止。运动特点：V 。 ≠0 ，r 。≠0 ，v=r=0；过渡阶段：指从转舵结束起到船舶进入定长回转运动为止。运动特点：V 。 、r 。 、V 、r 都不为零且随时间发生变化。 定长回转阶段：当作用于船体的力和力矩相平衡时，船舶就以一定的侧向速度V 和回转角速 度r 绕固定点作定长圆周运动。特点：V 。=r 。 =0，v 、r 为常数。 枢心点P :船舶回转过程中，在船上还存在一个横向速度分量为零的点，称为枢心点p 。枢心点是船舶纵中线上唯一的漂角为零的点；枢心点仅仅是因为船舶转向而存在的；船舶加速时，枢心点会向船舶运动的方向移动 。反操现象：是船舶不具有直线稳定性的一种特征，回转性与稳定性相矛盾。回转衡倾的原因：船舶回转过程中，船体上承受的侧向力其作用点高度各不相同，于是形成对ox 轴的倾侧力矩，产生回转横倾。 野本模型：T r 。+r 。 =K δ 其中 K 、T 为操纵性指数。用参数K 评估回转能力。大K 意味着回转性能好。用参数T 评估直线运动稳定性、初始回转能力和航线改变能力。小T 意味着好的直线运动稳定性、初始回转能力和航线改变能力。K= T= 希望船舶有大K 、小T （但相互矛盾）。T 的单位是S ，K 的单位是S -1 转首性指数p ：表示操舵后，船舶行驶一倍船长时，由单位舵角引起的首相角改变量。 诺宾指数：若平>0.3则转首性满足要求。与船体惯性 回转阻尼 舵的回转力矩相关。 操纵性试验：分为模型试验和实船试验两种，模型试验又可分为自由自航模操纵性试验和约束模操纵性试验两种。船舶固有操纵性的试验方法:回转试验、回舵试验、零速启动回转试验、Z 试验、螺线与逆螺线试验、航向改变试验、制动试验和侧向推进装置试验。 回转试验: 1首先在预定的航线上保持船舶直航和稳定航速。 2在开始回转前约一个船长的航程范围内，测量船舶的初始参数，如:航速u 、初始航向角、初始舵角、螺旋桨的初始转速n 0等。 3以尽可能大的转舵速度将舵操至规定舵角δ0并把定舵轮。随后开始测量船舶运动参数随时间的变化，包括船舶的轨迹、航速、横倾角及螺旋桨的转速等。 4待首向角改变540°时，即可结束试验。 螺线试验：评价船舶的直线稳定性，在直航中给船舶以扰动，通过观察扰动去掉后船舶是否能够恢复直航来测定直线稳定性。 1.首先在预定航线上保持匀速直航，并在操舵前测出初始航速、舵角及螺旋桨转速。 2. 执行操舵，以尽可能快的速度将舵转至一舷规定的舵角(如右舷15°) 并保持舵角不变，使船进入回转运动，待回转角速度r 达到稳定值时，记录下r 和相应的舵角δ值。 3. 改变舵角值重复以上过程，测出定常r 值及相应δ值。舵角从右舷15°开始，并按下列次序改变:右15°→右10°→右5°→右3°→右1°→ 0°→左1°→左3°- 左5°→左10°→左15° Z 形操舵试验：测定船舶操舵响应的一种操纵性试验法。进行Z 形试验时，先使船以规定航速保持匀速直航，然后将舵转至右舷规定的舵角(如右舷10°) ，并保持之，则船即向右转向，当首向角达到某一规定的舵角值时(如右舷10°) 立即将舵向左转至与右舵角相等的左舵角(左舷10°) ，并保持之。当反向操舵后，船仍朝原方向继续转向，但向右转首角速度不断减小，直至消失。然后船舶应舵地再向左转向，当左转首向角与舵角值相同时，再向右操舵至前述之右舵角。该过程如此继续，到完成五次操舵为止。 航向改变试验是研究船舶在中等舵角时的转向性能的一种较简易而实用的试验方法。 回舵试验是船舶航向稳定性的定义试验。该试验方法实质为回转试验(或螺线试验)的延续 操纵性船模试验中必须满足的相似条件：1使自航船模与实船保持几何形状相似；2通常保持无因次速度、加速度参数相等，即u/V 、v/V 、rL/V 等相等；3在水动力相似方面，只满足傅汝德数Fn 相等，保证二者重力相似。 实际进行自航模试验时保持：船体几何形状相似；质量、重心位置及惯性矩相似；在决定模型尺度时要考虑临界雷诺数的要求；选择航速时满足傅汝德数相等；机动中保持舵角相等。 船舶固有操纵性指标：直接的判据：它是由自由自航试验直接测定的参数；间接的判据：如野本的K 、T 指数，诺宾的P 指数 操纵性衡准：1回转能力，由回转试验确定。船舶以左(右)350 舵角回转时，回转圈的纵距应

船舶在波浪中

船舶在波浪中 的运动 学号：M93520070 姓名：赖建中

?简介 ?操纵数学模式 ?运动数学模式 纵移（Surge）、横移（Sway）、上升下潜（Heave）、横摇（Roll）、纵摇（Pitch）、偏摇（Yaw）

? 船舶在海上行进时的反应是一个非常复杂的非线性现象，因为不只有波浪作用力，同时船本身也有一个前进的动力存在。 ? 规则波 单方向不规则波 多方向不规则波 操纵数学模式 ? 使用日本MMG( Mathematical Modeling Group)流力模式。 ? 船舶、螺桨、舵单独性能为基础再加上三者的扰动效应。 ? 只考虑船舶纵移(surge)、横移(sway)、平摆(yaw)、横摇(roll)。 坐标系 ? 空间固定坐标 ? 船体固定坐标 ? 船体固定坐标与水面平行。 ? 地球公转与自转效应忽略。 →→

运动方程式 ? 如果将 定在船体重心 上 ? 不考虑起伏(heave)、纵摇(pitch) ? 角速度 ? 重心速度相对于空间固定坐标的转换 ? 重心速度相对于水的速度转换成相对于地球的速度。 船舶-流体力与力矩，附加质量和黏滞度影响 ? 流体力系数可视为只与船舶之瞬间运动状态有关，此即所谓的准定态(quasi-steady)处理方式。 ? 考虑横摇运动 O G ()()() H eave X m u w p vr Sur ge Y m v ur w p Sw ay Z m w vp uq ??? ?? ?? =+-=+-=+- ()()() R ol l Pi t ch Yaw x z y y x z z y x K I p qr I I M I q r p I I N I r pq I I ??? ?? ?? =+-=+-=+- () pr op ps I I n Q Engi ne += () () X m u vr Y m v ur ?? ??? =-=+ p q r φ θ???????? ??? 00cos si n si n cos X u v Y u v ???? ?????=-=+

船舶操纵性总结

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。 在操舵不是很频繁的情况下，船舶的首摇响应线性方程式可近似