船舶操纵性研究
4.2实船操纵性试验
三、螺旋试验和逆螺旋试验
螺旋试验有（正）螺旋试验和逆螺旋试验两种----评价 船舶航向稳定性的好坏。 不稳定环宽和环高愈大，即环形范围面积越大，该船航 向就越不稳定。 一般滞后环宽值＞20°，则操纵船舶就会变得很困难了。 螺旋试验是固定各舵角被动地等待回转角速度r稳定， 求出与各舵角相对应的定常旋回角速度之间的关系。试 验时所需水域大，费时长。 逆螺旋试验与螺旋试验正好相反，选定一系列回转角速 度r值，通过操舵使船舶保持各角速度值定常回转，该 法比较省时，容易进行，抗外界干扰能力较强。
第九节 实船操纵性试验
主要有：旋回试验、Z形试验、螺旋或逆螺旋试验、停船试验。
四种。
试验条件和要求： 1、风平浪静、潮流小的水域；（风＜4级） 2、水深 H ＞ 5d; 3、满载状态；
4、n、VS 须达到稳定的工况；
5、校准有关仪器设备；
一、旋回试验
目的：测定船舶旋回圈及旋回要素，评价船舶 旋回的迅速程度和所需水域的大小。
满舵旋回 （进距）Ad ≤ 4.5L （旋回初径）DT ≤ 5L （2）初始旋回性能：（initial turning ability） 操（左）右舵100时，当船首向改变100，船舶前进距离 Ad ≤2.5L
（3）偏转抑制性：船舶偏转中，操正舵，（并压舵）尽快使船 停止偏转，即保持直航的性能。
100/100 Z型试验 第一个惯性转头角≤100
四、停船试验
判断船舶的停船性能
五、船舶操纵性能标准
（IMO 1993年通过的临时性标准）
1、适用于1994、7、1或之后建造的船，桨、舵、推进器L ≥ 化学品船 油轮 （不限长度） 液化气船 2、试验条件 平静深水中，无风、流的外界环境； 满载平吃水，稳定的初始试验速度； 100（m）
吊舱推进船舶操纵性仿真研究
第 ３期
２ １ 年 １月 ０１
科
学
技
术
与
工
程 பைடு நூலகம்
⑥
Ｖ０ ． １ Ｎ ． Ｊ ｎ ２ １ １１ ｏ ３ ａ ． ０１
１７ — １ １ （ ０ １ ３０ ０ —６ ６ １ ８ ５ ２ １ ） －５７ ０
Ｓｃｅ ｃ ｃ ｉｎ ｅ Ｔｅ ｈｎｏｏ ｙ ａ ｇｎｅ ｒｎ ｌ ｇ ｎｄ Ｅｎ ｉ ｅ ｉ ｇ
骋 ＿ 在其 博 士论 文 中 以 吊舱 推 进 器 的水 动力 性 能 ２ 为研 究 对 象 ， 用 数 值 计 算 和 模 型 试 验 这 两 种 方 运
法 ， 吊舱 推进 器 的 水 动 力 性 能 进 行 了理 论 、 验 对 试
２１ ０ ０年 ｌ １月 ８ 日收 到 舰 船 吊舱 式 电力 推 进 系 统研 究 ，
１ 吊舱推进船舶综合操纵模型
吊舱 式 电 力 推 进 装 置 的结 构 是 将 推 进 电机 放 在 吊舱体 内 ， 距 螺 旋 桨 直 接 连 接 在 电 机 轴 上 ， 定 整 个 吊舱装 置可 ３ ０度 旋转 ， ６ 在任 何方 向上 产生推 力 ， 不需 要舵 和侧 推 器 Ｊ 。传 统 舵 桨 推进 船 舶 是 依 靠 舵 升力 面偏 转产 生 的横 向力 使 船 发 生 回转 运 动 ， 升 力 方 向垂直 于 船 主 轴 （ 图 １ ａ ） 而 吊舱 推 进 器 如 （），
２ １ ＳｉＴ ｃ． ｎｎ． ０ ｃ． ｅｈ Ｅ ｇ ｇ １
吊舱推 进 船 舶 操 纵 性 仿 真 研 究
刘 洁 李 彦
（ 江苏科技大学 电子信息学院 ， 镇江 ２ ２０ ） １ ０３
摘
要
为进 一步提高 吊舱推进船舶 的操纵 性能， 根据船 舶在操纵 过程 中的运动状 态， 立 了 吊舱推进 船舶综合 仿真模 型。 建
规则波浪中的船舶操纵性数值预报研究
小展弦比机翼模型求解基本势
采用小展弦比机翼理论计算得到的基本速度势仍将用于计算在 波浪中进行操纵运动的船舶所受到的波浪力。
不足：仅采用势流方法是无法模拟强非线性流动现象的。要进 一步提高作用在船体上的操纵水动力的计算精度，需要使用考 虑流体粘性的CFD 计算方法。 本文并没有进一步开展CFD 计算以提高操纵水动力的计算精度。
Innovative Marine Hydrodynamics Lab
规则波浪中的船舶操纵性数值预报研究
张志恒
2019/11/20
船舶运动分解为低频操纵性运动和高频波浪诱导运动。
低频运动采用4-DOF MMG运动模型描述, 考虑低频波浪漂移 力。
高频运动采用一组6-DOF运动方程来描述, 考虑一阶波浪力(FK力，辐射力，绕射力) 。一阶波浪力称为高频波浪力。
相关求解方法
辐射条件的满足（数值海岸技术）
在运动学自由面边界条件中增加适当的阻尼项，以人为地降低数值海岸区域的 波高。
波浪诱导运动方程的求解
横摇阻尼与人工弹簧系统
斜浪状态下，还需要考虑另外两个问题。第一个问题是横摇 阻尼的确定。由于船舶的横摇阻尼很大程度上受到流体粘性 作用的影响，采用势流理论是难以对其进行准确估计的。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
低频操纵性4-DOF模型
如何计算低频波浪漂移力和力矩？
高频波浪诱导的6-DOF运动方程
如何计算 Fi 一阶波浪力？
为了使问题得到简化，本文限于考虑线性的速度势定解问题， 首先将这些边界条件进行线性化。仿Dawson[83]的方法，将总 的扰动速度势分解为基本势和摄动势两部分：
高频6-Dof: 如何计算 Fi 一阶波浪力？
高频6-Dof.
第七章 船舶操纵性
一、船舶操纵性的基本概念
良好的航向稳定性十分重 要
一、船舶操纵性的基本概念
良好的航向改变能力十分重要
一、船舶操纵性的基本概念
操纵性好的船，实际路程短， 操纵性好的船，实际路程短，同样省油
二、试验研究
三体船模型操纵性自航模试验（江苏科技大学游泳池） 三体船模型操纵性自航模试验（江苏科技大学游泳池）
二、试验研究
回转试验
二、试验研究
Z形操舵试验得到的曲线
二、试验研究
潜艇与水面船不同， 潜艇与水面船不同，多了垂直面内的运动
二、试验研究
人操纵物理模型试验
二、试验研究
实艇（ 实艇（船）试验
三、理论研究
船舶操纵性理论研究： 船舶操纵性理论研究： 基于统计理论， 1 基于统计理论 ， 建立的一系列民船操纵性同船 舶主尺度之间的关系； 舶主尺度之间的关系； 基于水动力学理论， 2 基于水动力学理论 ， 进行各种操纵性水动力问 题的计算，从而对船舶操纵运动进行计算； 题的计算，从而对船舶操纵运动进行计算； 基于系统辨识技术， 3 基于系统辨识技术 ， 利用船舶操纵运动拟合动 态系统的数学模型， 态系统的数学模型，从而再用于实船预报及操纵 性分析。 性分析。
一、船舶操纵性的基本概念
船舶预定航线 船舶实际航线
航向稳定性好的船，可以节省很多燃料消耗。 航向稳定性好的船，可以节省很多燃料消耗。 船舶航行稳定性研究中，按照是否操舵（控制）， 船舶航行稳定性研究中，按照是否操舵（控制）， 将稳定性分为自动稳定性（船舶固有稳定性） 将稳定性分为自动稳定性（船舶固有稳定性）和 控制稳定性。 控制稳定性。 船舶固有稳定性取决于船体几何形状（ 船舶固有稳定性取决于船体几何形状（例如一般 长宽比比较大的船稳定性好） 长宽比比较大的船稳定性好） 控制稳定性取决于控制系统的好坏。 控制稳定性取决于控制系统的好坏。这也是自动 操舵系统发展的意义所在。 操舵系统发展的意义所在。
船舶操纵性能的仿真分析与设计优化
船舶操纵性能的仿真分析与设计优化随着船舶设计技术的飞速发展，对船舶操纵性能要求也越来越高。
特别是在现代化的航运市场中，船舶的操纵性能已经成为衡量其经济性、安全性和舒适性的重要指标之一。
当然，船舶的操纵性能不仅与船体本身的设计有关，而且也与船员的技能和驾驶操作方式密切相关。
因此，为了提高船舶的操纵性能，必须采用科学的手段对其进行仿真分析和优化设计。
一、船舶操纵性能的仿真分析在计算机技术和数值模拟技术的支持下，船舶操纵性能的仿真分析已经成为现代船舶设计的重要手段。
通过对船舶的运动特性、操控响应和航行状态等进行全面仿真分析，可以帮助设计师找到解决方案，提高船舶的操控性能和安全性。
同时，船舶操纵性能的仿真分析还可以评估不同类型船舶的性能差异，为船舶的建造和运营提供参考依据。
船舶操纵性能的仿真分析一般由以下几个方面组成：船舶运动学模型、船舶操纵性能模型、环境条件模型和船员行为模型。
其中，船舶运动学模型是仿真分析的基础，包括船舶的运动方程和运动状态的计算方法。
船舶操纵性能模型则是描述船舶操纵性能特点的数学模型，包括船舶的滚转、俯仰、偏航等方面的响应特性。
环境条件模型则是考虑该海区海况、流洋流、风浪等环境因素对船舶操纵性能的影响。
船员行为模型则是考虑到船员的反应和决策对船舶操纵的影响。
通过四个方面的综合分析，可以得到船舶操纵性能的整体权衡。
船舶操纵性能的仿真分析，使用的仿真软件也是非常关键的一个因素。
目前市面上较为常见的仿真软件有SHIPFLOW、MARC等等。
其中SHIPFLOW是用于船舶水动力学仿真分析的计算机软件，可以模拟船舶的水动力性能和操纵性能，预测ship motions、sea loads and ship responses 的全过程。
而MARC则是一种有限元分析软件，可以求解结构动力学问题，可以模拟船舶在不同环境条件下的晃动以及其他特殊条件下的疲劳寿命等等。
同时这两个软件还有其他优秀的特性，众多软件提供了示范数据、例程和测试案例，帮助设计师更好的运用仿真技术进行优化设计。
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。
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。
船舶操纵性能数值模拟研究
船舶操纵性能数值模拟研究船舶操纵性能是指船舶在各类航行条件下的稳定性、敏感度、转向性等方面的性能，是船舶设计和运营的关键指标之一。
为了更好地优化船舶的性能，提高其安全性和经济性，船舶操纵性能的数值模拟研究逐渐受到关注。
一、船舶操纵性能数值模拟研究的发展历程船舶操纵性能数值模拟研究最早可以追溯到20世纪60年代。
当时，美国海军研究办公室开展了一项名为“PMM（planar motion mechanism）”的实验，利用机械手臂控制模型船在水池中运动，测量船模在波浪和海流条件下的漂移、加速度、速度等基本参数，通过这些试验数据进行船舶操纵性能的仿真。
不过，由于当时计算机的处理能力较弱，模型缺乏真实性，无法满足实际需求，船舶操纵性能数值模拟研究并没有能够得到广泛发展。
随着计算机处理能力的提高和仿真技术的成熟，这一领域的研究逐渐复苏。
近年来，随着CFD（computational fluid dynamics，计算流体动力学）技术的广泛应用，以及海洋工程和水运领域的发展，船舶操纵性能的数值模拟研究又迎来了新的发展机遇。
二、船舶操纵性能数值模拟研究的意义为什么要进行船舶操纵性能数值模拟研究？其意义在于：1. 提高船舶性能分析的准确性和精度。
可以利用模拟技术对船舶运动进行计算和分析，帮助设计人员预测船舶的运动状态、防止运动失控，从而使船舶在多种操纵条件下保持稳定、安全、经济的运行状态。
2. 优化船舶设计。
通过模拟技术可以评估船舶的设计方案，对比不同方案的性能优劣，针对性优化设计，降低船舶建造成本、提高经济性。
3. 提高船员的安全意识。
通过模拟器进行操纵训练可以提高船员的操作技能和安全意识，减少操作失误带来的风险，进一步提高航海安全性。
三、船舶操纵性能数值模拟研究的技术手段船舶操纵性能数值模拟研究主要依赖于CFD技术，特别是CFD中的VOF（volume of fluid，流体体积分数）方法，从而模拟船舶运行状态。
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波浪诱导的船舶6自由度
简化
不规则波
In this study, only long crested wave is considered and ITTC wave spectrum is applied. Significant wave height, HS, is 3.25m, modal period, TP, is 9.6second (sea state 5), and initial wave heading is 180deg.
Innovative Marine Hydrodynamics Lab
文献阅读
张志恒
2019/12/4
1. OMAE. 2. J. Offshore Mech. Arct. Eng.
Author: Min-Guk Seo Affliation: Korea research institute of ships and ocean
3. As for irregular wave condition, the turning performance can be affected by wave random phase. When the ship encounters the beam sea, the wave elevations play an essential role in the change of ship speed and turning trajectory.
2. For regular wave, the wave drift force is the most critical factor affecting turning performance. The wavelength is getting shorter, the drift distance of the turning trajectory becomes larger.
MMG model
Izz为艏摇方向惯性矩
Yasukawa, H.. 2006:
Wave drift force
In this study, the wave drift force is pre-calculated according to these related parameters(ship’s forward speed, lateral speed, wave heading and frequency), stored in a database and used for the maneuvering simulation
In this study, wave spectrum is divided into 500 parts and three different wave phase combinations are considered.
Conclusion
1. When using the corrected wave drift forces according to the lateral speed, the simulation results considering the lateral speed show better agreement with the experimental data than those without consideration.
The end!
速度势分解
稳定势 Double body approximation
人射波浪势 辐射波浪势 绕射波浪势 Rankine panel method
Rankine源（简单格林函数）G(
p,
q)Βιβλιοθήκη 1 r频域中运动方程
附加质量
恢复力矩阵 波浪诱导的运动
质量 阻尼系数矩阵 波激力矢量
直接积分船体表面压力计算波浪漂移力