第二章船舶航向稳定性与回转性-2-3.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2,2,航向稳定性,船舶操纵性与耐波性,第二章 船舶操纵,内容概要,基本概念,研 究 方 法,航向稳定性分析,影响因素,航向稳定性,船舶操纵性与耐波性,一,.,基本概念,1.,稳定性概念,:,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,当干扰去除之后,经过一定的过渡,若物体,(,或系统,),能回复到原定常运动状态,则称原运动状态是稳定的,.,物体的运动状态是否,稳定,既,取决于,物体本身,的性质,而且也取决于所考察的,运动状态,和,运动参数,.,航向稳定性Directional Stability,船舶操纵性与耐波性,2.,水面船舶的运动稳定性,:,直线运动稳定性,(straight line stability,also called Inherent dynamic stability),船舶受瞬时扰动后，其重心轨迹终将恢复为一直线，但航向发生了变化。,船舶操纵性与耐波性,原航线,新航线,2),方向稳定性,(directional stability,course-keeping ability),船舶受扰并在扰动消除后，其重心轨迹最终将恢复为与原来航线相平行的另一直线。,船舶操纵性与耐波性,3).,位置稳定性,-,船舶受扰后，其重心运动轨迹,将恢复为原航线的延长线,船舶操纵性与耐波性,具有,位置稳定性,的船舶一定具有,直线稳定性,和,方向稳定性。,具有,方向稳定性,的船舶一定具有,直线稳定性。,按是否操舵,稳定性可分为固定稳定性和控制稳定性,.,前者取决于船体几何形状,后者取决于整个闭合回路的特性。,固定稳定性越好的船,控制稳定性也越好。,对于通常的水面船舶,只有通过操舵控制才可能使之具备方向稳定性和位置稳定性。,如果不操舵,最多具备直线稳定性,.,3.,关系与分类,船舶操纵性与耐波性,结 论：,二,.,研究方法,-,小挠动方程,运用,”,运动稳定性理论,”,分析方法对稳定性问题进行定量分析,.,设船舶,初始运动状态,:,u1,=const,v,1,=r,1,=0,扰动后引起的扰动运动参数,:,由于对初始状态是小扰动,偏离量较小,可用,线性操纵运动方程,来描叙。,不操舵则,=0,，,得小扰动方程,:,(2-1),(2-2),对,(2-2),可改写为,:,其对应的特征方程为,:,则,特征根为,:,最终解为,:,二,.,小挠动方程,航 向 稳 定 性,说明,:,上式即为纵向速度小扰动方程的解,:,t,要使扰动速度,u0,应使 负值。,m-,为船舶本身质量与纵向附连水质量之和,对一般排水量船舶为正值。,分子,X,u,为纵向速度,u,的增加所引起的纵向分力,X,的变化率。,如下图,:,在平衡速度,u,1,时,螺旋桨正好克服,u,1,时的船体阻力,故,合力为零。此时产生一个正的扰动速度时,将引起纯阻力的增加，即,X,的减少。从此图可知在,u,1,处的,X,u,是一个明显的负值。这样,对特征根而言,分母正而分母负。使之值始终为负，说明其对纵向速度扰动总具有稳定性。,二,.,小挠动方程,航 向 稳 定 性,研究船舶在,水平面内的航向稳定性,主要取决于以下二式,:,消去,v,化简后可得,:,二,.,小挠动方程,航向稳定性,方程前系数,特征方程为,:,由特征方程可求得特征根,:,角速度扰动方程,的解为：,消去,r,化简后,得,v,的小扰动方程为,:,横向速度的解为,:,航向稳定性,由以上解式可知,特征根若具有负实部,则扰动后的扰运动量,v,r,都回复到原来的状态称之为具有稳定性,.,但,即使,v,r,都回复到初始状态参数,却与初始首向仍存在着一个角度偏差：,可见,对水面船舶,不操舵,就不可能实现,“方向稳定性”,最多只能是”,直线运动稳定性,”,习惯上称之为”,航向稳定性,”,船舶操纵性与耐波性,二,.,小挠动方程,三,.,航向稳定性分析,船舶操纵性与耐波性,三,.,航向稳定性分析,船舶操纵性与耐波性,稳定性衡准数,C,1)A,A 0,大的正值 大的正值 小的正值或负值 小的正或负值,分析知,对水面船舶,A,必为正,故航向稳定性要求,B/A0,C/A0,即为要求,B0,C0,2)B,B,0,分析知,航向稳定性条件减少到只需满足一个条件,:C0,.,大的负值 大的正值 小的负值 小的不定符号 大的正值 大的负值,不定符号小量 不定符号小量,船舶操纵性与耐波性,稳定性衡准数,C,定义,系数,C,为稳定性衡准数；上式即为,稳定性衡准式,。,稳定性判别,C 0,是船舶航向稳定性的,判据,C0,表明船舶在水平面运动具有直线稳定性,;,C0,表明不具有直线稳定性。,船舶操纵性与耐波性,O,V,r,抗干扰力,臂,偏航力臂,定义,定义,侧向力作用点距坐标原点的距离，由,v,引起的力矩常使船偏离航向，,是一种不稳定因素，称为偏航力臂,具有阻止船舶回转的作用，称为抗干扰力臂,稳定性衡准数,航向稳定性改善措施,水动力导数是与船体几何形状密切相关的。,增加船长可使,N,r,负值增加,增加船舶中纵剖面的侧面积可使,N,r,Y,v,的负值增加,增加,N,v,的有效方法是,:,增加纵中剖面的尾部侧面积,可采用增大呆木,安装尾鳍,使船产生尾倾,削去前踵等,航向稳定性改善,措施,船舶操纵性与耐波性,增加纵中剖面的尾部侧面积,使船产生尾倾,削去前踵,增加船舶中纵剖面的侧面积,2,3,船舶回转性,第二章 船舶操纵,船舶操纵性与耐波性,内容概要,基本概念,研究方法,航向稳定性分析,影响因素,航向稳定性,回转性,基本概念,回转过程分析,回转运动耦合特性,回转,横倾,速降,一、基本概念,：,回转性,转舵使船舶作圆弧运动的能力用回转直径来表示。,与船舶避让、避碰、靠离码头、灵活掉头有关,定常回转圈,操纵性的指标。,衡量转首性和回转性的直观方法。,回转圈,船舶在不同舵角条件下作圆周回转时,重心,的航行轨迹。,第二节 船舶回转性,船舶操纵性与耐波性,定常回转直径,Dc,定常回转阶段船舶重心点圆形轨迹。,战术直径,DT,从船舶原来航线至船首转向,180,时，船总中剖所在位置之间的距离。,Dt=(0.91.2)D,回转圈的主要特征参数,船舶操纵性与耐波性,3,。纵距,L1(Ad),从转舵开始时刻船舶重心,G,所在的位置,至船首转向,90,时船舶纵中剖面沿原航行方向前进的距离,4,。正横距,L2(T),从船舶初始直航线至转向,90,时，船舶重心所在位置之间的距离。,回转圈的主要特征参数,船舶操纵性与耐波性,5.,反横距,L3(K),从船舶初始的直线航线至回转轨迹反方向最大偏离处的距离,K=(00.1)D,6.,进程,纵距,L1,定常回转,半径,R,回转圈的主要特征参数,船舶操纵性与耐波性,各类船舶的相对回转半径,7.,相对回转直径,D/L,通常用,D/L,代表回转性优劣。,回转性好,D/L3,回转性差,D/L10,大多数船,D/L57,船舶操纵性与耐波性,定常回转枢心,P,船舶操纵性与耐波性,1,。枢心点,P,在回转过程,中横向速度为零。,2,。枢心点观察，,V,P,平移，,角速度绕,P,旋转。,3,。一般将驾驶室设于,P,点,附近便于观察。,定常回转阶段，,R,和,不变枢心位置不变,指从开始转舵至规定角度,为止。,产生由舵角引起的侧向力,Y,和力矩,N,.,船舶操纵性与耐波性,回转的三个阶段,1.,转舵阶段,2.,过渡阶段,3.,定常回转阶段,1.,转舵阶段,转舵阶段运动方程,船舶操纵性与耐波性,回转的三个阶段,1.,转舵阶段,2.,过渡阶段,3.,定常回转阶段,1.,转舵阶段,消,元,略去小量,船舶操纵性与耐波性,回转的三个阶段,1.,转舵阶段,2.,过渡阶段,3.,定常回转阶段,1.,转舵阶段,物理含义,：表示转过单位舵角后，在回转初始阶段所产生的回转角加速度。,C,P,参数,C,P,是船舶开始回转得快慢的指标,。,表达式：,初始回转的有因次角加速度参数,C,P,1.,C,P,值越大,C,P,船舶转舵后越能迅速进入回转运动,。,2.,对要求操纵灵活得内河船舶、拖船、顶推船等，常对转舵后得转首时间有一定要求。,可近似得认为，阶跃操舵后（指操舵速度很大得操舵），初始阶段船舶的回转是等角加速运动，,首向角变化为：,4.,近似估算转首时间,船舶操纵性与耐波性,转舵结束到进入定常回转运动为止。,船舶操纵性与耐波性,回转的三个阶段,1.,转舵阶段,2.,过渡阶段,3.,定常回转阶段,2.,过渡阶段,由转舵阶段产生的 、随时间的推移，很快就会表现出明显的侧向速度 和回转角速度 。,过渡阶段的特点,:,、都不为零，随时间变化，唯有舵角保持常数（）。,由 使船舶产生回转，于是船舶纵中剖面与水流形成一漂角。,2,.,过渡阶段（或渐变阶段,),船舶操纵性与耐波性,船舶操纵性与耐波性,回转的三个阶段,1.,转舵阶段,2.,过渡阶段,3.,定常回转阶段,2.,过渡阶段,过渡阶段运动方程,线性化假设,船舶操纵性与耐波性,回转的三个阶段,1.,转舵阶段,2.,过渡阶段,3.,定常回转阶段,3.,定常回转阶段,各运动参数不随时间变化,特点,：重心轨迹是圆,定常回转阶段船舶运动方程：,船舶操纵性与耐波性,回转的三个阶,段,1.,转舵阶段,2.,过渡阶段,3.,定常回转阶段,各运动参数随时间变化,船舶操纵性与耐波性,定常回转半径,1,。解定常回转阶段运动方程得：,2,。重心点线速度与角速度的关系：,船舶操纵性与耐波性,定常回转半径,3,。解出定常回转直径：,4,。无因次形式：,船舶操纵性与耐波性,定常回转分析,1.,分母大于零,Y,V,0,，,N,0,；,N,V,0,，,Y,；,2.,如果分子大于零,，,则,（,右,舷）产生,（,右,舷）,则,（,左,舷）产生,（,左,舷）,船舶可控制，船舶具有直线稳定性,如果分子小于零,，,舵角和回转半径具有相反的符号，舵不能控制船舶的 运动，直线不稳定。,-,稳定性衡准,影响定常回转运动的因素,1,。“右舵右旋，左舵左旋”,正常操舵,“右舵左旋，左舵右旋反操现象,2,。,增加船首部纵剖面面积使,N,v,和,N,r,负值，,导致,C,稳定性变差,;,D,0,回转性好,减小船首部纵剖面面积使,N,v,负值,N,r,负值，,导致,C,，,D,0,回转性和直线稳定性存在矛盾,!,船舶操纵性与耐波性,影响定常回转运动的因素,3,。增加,Yv,的负值对回转直径的影响取决于,mx,G,u,1,-N,r,和,N,之比；,4,。,Y,负值,，,N,正值,，,通常会使,回转直径,D,，并且不导致稳定性下降。,从,控制水动力导数,出发可同时改善稳定性和回转性,(,如增加舵面积,),船舶操纵性与耐波性,基本概念：,船舶在水平面内作回转运动时会同时产生横摇、纵摇、升沉等运动,以及由于回转过程中阻力增加引起的速降。以上所述可理解为回转运动的耦合,其中以,回转横倾,与,速降,最为明显,.,第三节 回转运动的耦合特性,船舶操纵性与耐波性,一、回转横倾,形成原因,:,在回转过程中，船体承受侧向力其作用点高度各不相同，于是产生了对,Ox,轴的倾侧力矩,将回转横倾分为,三个阶段,，如图所示：,转舵阶段,过渡阶段,定常回转阶段,转舵阶段,过渡阶段,定常回转阶段,船舶操纵性与耐波性,一、回转横倾,转舵阶段,过渡阶段,定常回转阶段,1.,转舵阶段,r=v=0,产生向回转内侧的倾斜,船舶操纵性与耐波性,一、回转横倾,转舵阶段,过渡阶段,定常回转阶段,2.,过渡阶段,船舶操纵性与耐波性,一、回转横倾,转舵阶段,过渡阶段,定常回转阶段,3.,定常回转阶段,忽略舵力,船产生外倾,船舶操纵性与耐波性,回转过程中横倾角随时间的变化,船舶操纵性与耐波性,特别指出,过渡阶段横倾角随时间变化而振动,图中最大横倾角出现在过渡阶段,.,回转过程中横倾角随时间的变化,船舶操纵性与耐波性,稳定横倾角的估算,惯性力取矩,原因,：回转过程会降低横稳性,稳性规范对此有所限制,所以必须,估算,定常回转阶段,稳定横倾角,.,估算式：,质量惯性力取矩：,消元推出,N,xo,稳定回转阶段的横倾外力矩；,Z,G,为重心垂向高度,船舶操纵性与耐波性,稳定横倾角的估算,惯性力取矩,稳定回转过程存在速降，V,0,代替,u,1,稳定横倾角,：,通常取,R,0,=2.6L,时，横倾角最大，并且取稳定回转时,V,0,=0.7u,1,，于是上式：,我国海船,稳性规范,船舶操纵性与耐波性,稳定横倾角影响,外倾角与回转初速平方成正比,，,与初稳性高成反比。,这表明,高速船回转时外倾角比低速船大得多。,特别是在横风顺浪航行的船舶满舵调头在外倾角加上风和浪的作用，有可能使船舶处于危险状态如图所示。,二、回转过程速降,侧向速度和角速度引起,阻力,增加,侧向速度、角速度以及舵角使,桨效率,下降,表征回转速降：定常回转阶段航速,与直,线航速,u,1,之比，称为,回转速降系数,1,。形成原因：,2,。表征系数：,船舶操纵性与耐波性,二、回转过程速降,线性理论解决不了速降问题，而非线性,解析方法过于复杂，通常采用估算法,3,。估算法：,介绍估算方法,戴维逊方法,费加耶夫斯基方法,其它学者的方法,船舶操纵性与耐波性,回转速降系数与相对,回转直径之间的关系,二、回转过程速降,戴维逊方法,船舶操纵性与耐波性,还有杉原、费尔索夫和泽姆辽诺夫斯基等人给出了不同的计算公式,二、回转过程速降,费加耶夫斯基方法,船舶操纵性与耐波性,思考题,何谓自动稳定性,何谓控制稳定性,?,具有直线运动稳定性的船是否具有方向稳定性和位置稳定性,?,对通常水面船舶若不操舵,(=0),，则当干扰去除后的运动情况如何？,线性操纵运动数学模型中八个线性水动力导数，说明其含义并分析数量级大小。,某船经试航表明不具有直线运动稳定性，试问采取什么措施能使稳定性改善？,如何粗略估算回转初期转首时间？,是从受力角度来分析船舶回转过程的横倾情况？,船舶操纵性与耐波性,作业,6,，,8,题,