船舶航向稳定性与回转性
02航向稳定性和回转性讲解
But rudder dimensions are limited by stern geometry艉部几何限制 Also, large rudders will increase drag and so reduce the ship‘s speed for a given delivered horse power from the propeller阻力增大，导致速降
the magnitude of the rudder‘s dimensions 舵的几何大小
the rudder angle 舵角 the ship‘s speed 船速
船海系：邱磊
操纵性权衡(Manoeuvrability trade-off)
《船舶操纵性与耐波性》课件
The need for good directional stability and minimum response oppose each other方向稳定性与应舵性矛盾
初始转首性能(Initial turning/course-changing ability) 偏转抑制性能(Yaw checking ability) 回转性能(Turning ability)--—大舵角下 停船性能(Stopping ability)
船海系：邱磊
5
6
固有动稳性(直线运动稳定性)
船海系：邱磊
《船舶操纵性与耐波性》课件
directionally unstable ship 不具方向稳定 性
directionally stable ship具 有方向稳定性
船海系：邱磊
运动响应(Response，应舵性、追随性)
《船舶操纵性与耐波性》课件
Is the requirement to turn in a satisfactory manner when a rudder order is given操舵指令发出后船舶是否按要求转向了？ The ship must respond to its rudder and change heading in a specified minimum time 在给定的最短时间内船舶必须应舵转首 There should be minimum overshoot of heading after a rudder order is given超越角应最小 Both these response quantities are dependent upon应舵性的 大小取决于：
船舶操纵和避碰规则
2.锚抓力与出链长度
根据试验，当底质为泥沙时，锚的抓力于 链长、水深的关系如下表
出链长度/水深 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
抓力/锚在空气中 的重量
0.66
1.01
1.39
1.74
2.09
四、锚与锚泊
单锚泊抓力 单锚泊时的锚抓力可用下式表达： P=Pａ＋Pc＝λwａ＋λwcｌ
锚的种类
霍尔锚 斯贝克锚 波尔锚 AC-14型
四、锚与锚泊
1.锚的用途 锚泊 港内用锚助操 1）．抑制船速 2）．控制船身横向移动 3）．协助调头 4）．稳住船首 应急操纵上的使用 1）．避免碰撞、触礁、上滩 2）．保证狭水道航行安全时使用 3）．海上漂滞使用 4）．系泊时缓和船体受外力的摇动 5）．搁浅后固定船体以及协助脱浅
四、锚与锚泊
3.舵力与转船力矩 （1）舵力及其影响因素
舵的水动力在垂直于舵叶剖面中心线的法向分力称为舵力。 影响舵力的主要因素：舵叶面积、船速和舵角。 舵叶面积、船速和舵角越大，舵力越大，船舶的操纵性越好。 舵力的大小与船速的平方成正比。
（2）转船力矩 舵力对船舶重心G之矩称为转船力矩。
（3）舵角极限 钢质海船机械舵角的极限是35°
船舶能保持或改变航向、航速和位置的性能称为船舶 操纵性。
操纵性包括航向稳定性、回转性、转首性等。 （2）航向稳定性
保持原来航向的能力，称为航向稳定性。 （3）回转性和转首性
回转性是指船舶经操舵后，船舶改变原航向作圆弧 运动的性能。
转首性指船舶回转初期对舵的反应能力。
一、船舶操纵性能
2.冲程
船舶停船或倒车后， 船舶沿原航向惯性前 移的最大距离，称为 冲程。
三、港作拖轮及其运用
3.所需拖轮的总功率和数量
船舶操纵问答题
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。
船舶操纵性总结汇总
操纵性绪论操纵性定义：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航速、航向和位置的性能。
操纵性内容：1. 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。
2．回转性：表示船舶在一定舵角作用下作圆弧运动的性能。
3．转首性和跟从性：表示船舶应舵转首及迅速进入新的稳定运动状态的性能。
4. 停船性能：船舶对惯性停船和盗车停船的相应性能。
附加质量和附加惯性矩：作不定常运动（操纵和耐波运动）的船舶，除了船体本身受到愈加速度成比例的惯性力外，同时船体作用于周围的水，使之得到加速度。
根据作用力和反作用力，水对船体存在反作用力，这个反作用力称为附加惯性力。
附加惯性力是与船的加速度成比例的，其比例系数称为附加质量。
船舶操纵一、操纵运动方程1.1坐标系一、固定坐标系：固定坐标系是固结在地球表面，不随时间而变化的，如图所示。
首向角ψ：X 0与X 的夹角（由X 0转向X ，顺时针为正）。
二、运动坐标系：运动坐标系是固结在船体上的，随船一起运动的，如图所示。
重心坐标：X OG 、Y OG ； 船速：V 重心G 瞬时速度； 航速角ψ0：X0轴与船速V 夹角(顺时针为正)；漂角：β船速与X 轴夹角(顺时针为正)； 回转角速度：γ=dψdt；回转曲率：R 右舷为正； 舵角：δ左舷为正。
三、枢心：回转时漂角为零点、横向速度为零的点。
1.2线性运动方程一、坐标转换00cos sin sin cos ψψψψ=-=+G G x u v y u v二、简化方程当重心在原点处：X G =0 运动坐标系一般方程：三、对于给定船型、给定流体中的运动情况船型参数和流体特性为已知条件； 操纵运动为缓变过程，忽略高阶小量； 忽略推进器转速影响；操舵过程短暂，忽略转舵加速度。
则可将给定船型流体中受力情况表示如下：由泰勒展开式，用水动力导数表示如下：四、简化后的操纵运动线性方程式：2()()()ψψψψψψ=--=++=++G G Z G X m u v x Y m v u x N I mx vu 00cos sin ψψ=+G G X mx my 00cos sin ψψ=-G G Y mymx ()()ψψψ=-=+=z X m u v Y m v u NI (,,,,,,)(,,,,,,)(,,,,,,)X X u v r u v r Y Y u v r u v r N N u v r u v r δδδ===v r v r v r v r Y Y v Y r Y v Y r Y N N v N r N v N r N δδδδ=++++=++++111()()v ur v u u r r v u r+=++∆+∆=+1.3水动力导数一、定义：匀速直线运动时，只改变一个运动参数，其他不变引起的作用于船舶水动力对运动参数的变化率。
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
固定坐标系中船舶六自由度操纵运动方程：
. m(u . vr wq ) X H X R X P X 1W X 2W m(v ur pw) YH YR YP Y1W Y2W . m( w uq vp) Z H Z P Z1W Z 2W . I xx p K H K R K P K1W K 2W . I yy q ( I xx I zz ) pr M H M P M 1W M 2W . I zz r ( I yy I xx ) pq N H N R N P N1W N 2W
回转直径：
D
2U 0 2U 0 r K r
k为舵效系数
L2 d 最小回转直径： D 10 AR
2) 战术直径 DT
船舶首向改变180度时，其重心距初始直线航线的横向距离
4) 正横距 l B
转舵开始点到首向角改变90度时重心横移 的距离
DT (0.9 ~ 1.2) D
3) 进距 l A
Cw 为水线面系数
桨力
桨推力减额系数： 推力系数：
进速系数：
（汉克歇尔公式估算）
舵力
(1)
tR
为舵阻力减额系数
(2) 舵的正压力： a） f 的计算：
f a 为舵的法向力系数， 为舵的展弦比 ，
（芳村模型） （船舶机动时舵处的伴流系数）
2 b）U R （有效来流速度）的计算：
v为船舶瞬时速度，
非线性流体动力：
为展弦比，
3）转船流体动力 采用井上模型：
a) b) c)
d) e)
f)
为首尾吃水差
4)横摇流体动力矩
流场变化对船舶航行稳定性影响
流场变化对船舶航行稳定性影响一、流场变化概述流场变化是指在船舶航行过程中，由于水流、风速、风向等因素的变化，导致船舶所处水域的流体动力学环境发生变化的现象。
这些变化对船舶的航行稳定性有着直接且显著的影响。
船舶在设计和建造时，需要充分考虑流场变化对航行稳定性的影响，以确保船舶在各种环境条件下都能安全、高效地航行。
1.1 流场变化的类型流场变化主要包括以下几种类型：- 流速变化：水流速度的增加或减少，会对船舶的动态响应产生影响。
- 流向变化：水流方向的改变，可能导致船舶受到侧向力，影响船舶的航向稳定性。
- 风速和风向变化：风速的增加或风向的改变，会对船舶的上浪和侧倾产生影响。
- 波浪变化：海浪的高度、周期和方向的变化，会对船舶的动态稳定性造成影响。
1.2 流场变化对船舶航行稳定性的影响流场变化对船舶航行稳定性的影响主要体现在以下几个方面：- 船舶的航速：流场变化会影响船舶的阻力和推进效率，进而影响航速。
- 船舶的航向：流向变化和风向变化可能导致船舶偏离预定航向。
- 船舶的稳定性：波浪和风浪的变化会影响船舶的横倾和纵倾稳定性。
- 船舶的操纵性：流场变化会影响船舶的操纵性能，如转向响应和回转性能。
二、流场变化对船舶航行稳定性的影响分析2.1 流速变化对船舶航行稳定性的影响流速的增加会导致船舶受到更大的水动力，这可能会增加船舶的阻力，降低推进效率，从而影响船舶的航速和燃油消耗。
同时，流速的增加也可能导致船舶受到更大的波浪冲击，影响船舶的动态稳定性。
2.2 流向变化对船舶航行稳定性的影响流向的变化会使船舶受到侧向力，这可能导致船舶偏离预定航向，需要通过调整舵角来维持航向。
此外，流向变化还可能与船舶的自旋力相互作用，影响船舶的操纵性和稳定性。
2.3 风速和风向变化对船舶航行稳定性的影响风速的增加会增加船舶受到的风压，可能导致船舶产生较大的上浪和侧倾。
风向的变化则可能使船舶受到侧向风力，影响船舶的航向和稳定性。
船舶操纵性总结
操纵性绪论操纵性定义：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航速、航向和位置的性能。
操纵性内容：1. 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。
2．回转性：表示船舶在一定舵角作用下作圆弧运动的性能。
3．转首性和跟从性：表示船舶应舵转首及迅速进入新的稳定运动状态的性能。
4. 停船性能：船舶对惯性停船和盗车停船的相应性能。
附加质量和附加惯性矩：作不定常运动（操纵和耐波运动）的船舶，除了船体本身受到愈加速度成比例的惯性力外，同时船体作用于周围的水，使之得到加速度。
根据作用力和反作用力，水对船体存在反作用力，这个反作用力称为附加惯性力。
附加惯性力是与船的加速度成比例的，其比例系数称为附加质量。
船舶操纵一、操纵运动方程1.1坐标系一、固定坐标系：固定坐标系是固结在地球表面，不随时间而变化的，如图所示。
首向角ψ：X 0与X 的夹角（由X 0转向X ，顺时针为正）。
二、运动坐标系：运动坐标系是固结在船体上的，随船一起运动的，如图所示。
重心坐标：X OG 、Y OG ； 船速：V 重心G 瞬时速度； 航速角ψ0：X0轴与船速V 夹角(顺时针为正)；漂角：β船速与X 轴夹角(顺时针为正)； 回转角速度：γ=dψdt；回转曲率：R 右舷为正； 舵角：δ左舷为正。
三、枢心：回转时漂角为零点、横向速度为零的点。
1.2线性运动方程一、坐标转换00cos sin sin cos ψψψψ=-=+G G x u v y u v二、简化方程当重心在原点处：X G =0 运动坐标系一般方程：三、对于给定船型、给定流体中的运动情况船型参数和流体特性为已知条件； 操纵运动为缓变过程，忽略高阶小量； 忽略推进器转速影响；操舵过程短暂，忽略转舵加速度。
则可将给定船型流体中受力情况表示如下：由泰勒展开式，用水动力导数表示如下：四、简化后的操纵运动线性方程式：2()()()ψψψψψψ=--=++=++G G Z G X m u v x Y m v u x N I mx vu 00cos sin ψψ=+G G X mx my 00cos sin ψψ=-G G Y mymx ()()ψψψ=-=+=z X m u v Y m v u NI (,,,,,,)(,,,,,,)(,,,,,,)X X u v r u v r Y Y u v r u v r N N u v r u v r δδδ===v r v r v r v r Y Y v Y r Y v Y r Y N N v N r N v N r N δδδδ=++++=++++11111()()()()()()()()v v G r r G v v z r G r v ur v u u r r v u rm Y v Y v mx Y r mu Y r Y mx N v N v I N r mx u N r N δδδδ+=++∆+∆=+--+-+-=--+-+-=1.3水动力导数一、定义：匀速直线运动时，只改变一个运动参数，其他不变引起的作用于船舶水动力对运动参数的变化率。
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原航线
r 0
t
0
yG 0
4
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新航线
船舶操纵性与耐波性
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。
➢ 如果不操舵,最多具备直线稳定性.
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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,v1=r1=0
➢ 扰动后引起的扰动运动参数:
(2-1)
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。
抗干扰力臂 偏航力臂
lr
lv
l v 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
l r 具有阻止船舶回转的作用，称为抗干扰力臂
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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 Nr,Yv 的负值增加 增加Nv的有效方法是: ➢ 增加纵中剖面的尾部侧面积
➢ 分子Xu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u1时,螺旋桨正好克服 u1 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u1处的Xu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。
“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”
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船舶操纵性与耐波性
三. 航向稳定性分析
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船舶操纵性与耐波性
三. 航向稳定性分析
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船舶操纵性与耐波性
1) A
A>0
稳定性衡准数C
大的正值 大的正值 小的正值或负值 小的正或负
分析知值,对水面船舶,A必为正,故航向稳定性要求B/A>0,C/A>0
船舶操纵性与耐波性
第二章 船舶操纵
§2－2 航向稳定性
1
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船舶操纵性与耐波性
内容概要
航向稳定性
基
研
本
究
概
方
念
法
航 向 稳 定 性
影 响 因 素
分
析
2
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船舶操纵性与耐波性
航向稳定性
Directional Stability
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.
3
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船舶操纵性与耐波性 2. 水面船舶的运动稳定性: 1) 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。
vv1e1t v2e2t
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船舶操纵性与耐波性
二. 小挠动方程
➢ 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：
t
rdt
0
➢ 可见,对水面船舶不操舵,就不可能实现
3. 关系与分类
结 论：
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。
不操舵则 δ=0 ， 得小扰动方程:
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航向稳定性
二. 小挠动方程
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:
9
(2-2)
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航向稳定性
二. 小挠动方程
➢ 说明: 上式即为纵向速度小扰动方程的解: t→∞,要使 扰动速度△u→0,应使 3 负值。
➢ m - X u 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。
t , r 0 ; 0 ; y G 0 。
r 0
t
0
yG 0
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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
t , r 0 ; 0 ; y G 0 。
r 0
t
0
yG 0
6
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船舶操纵性与耐波性
C >0 是船舶航向稳定性的 判据 C>0 表明船舶在水平面运动具有直线稳定性; C<0 表明不具有直线稳定性 。
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稳定性衡准数
定义
定义
lr
Nr mxGu1 Yr mu1
lv
Nv Yv
lv Yv
xG
O
V
lr
r Yr mu1
C Y v ( m 1 Y r u ) [ N Y r r m m G 1 u 1 x u N Y v v ] Y v ( Y r m 1 ) ( l r u l v )
➢ 可采用增大呆木,安装尾鳍 ➢ 使船产生尾倾 ➢ 削去前踵等
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船舶操纵性与耐波性
航向稳定性改善措施
10
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航向稳定性
二. 小挠动方程
➢ 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:
方 程 前 系 数
11
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航向稳定性
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:
12
rr1e1t r2e2t
即为要求 B>0, C>0
2) B
B >0
大的负值 大的正值 小Hale Waihona Puke 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
分析知,航向稳定性条件减少到只需满足一个条件: C>0 .
16
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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