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1、船舶值班、操纵与避碰,主讲：任玉清 副教授单位：航海与船舶工程学院2012.9,船舶操纵,第1章 船舶操纵绪论第2章 船舶操纵性基础第3章 操纵设备及其效应第4章 航行环境对操纵的影响第5章 系泊操纵第6章 大风浪中船舶操纵第7章 特殊水域及应急船舶操纵,第1章 船舶操纵绪论,1-1 概述1-2 船舶操纵运动学参数1-3 船舶操纵动力学参数1-4 船舶阻力与推进,1-1 概述,简单来讲，船舶操纵就是指操船人员对船舶所进行的操作。具体来说，船舶操纵是指操船人员利用船舶运动控制设备对船舶运动状态所进行的控制。船舶操纵运动是指操船人员的操作引起的船舶运动状态的变化。一、船舶操纵的含义及原理1、船舶操
2、纵的含义常规船舶操纵（ship handling）包括三种：保持航向改变航向改变船速,1、船舶操纵的含义,保持航向（Course keeping or steering）从事海上运输的船舶，在海上航行的主要目的是为了以最短的距离和最快的时间抵达目的地，并减少燃料消耗。为此，船舶操纵人员总是力求使船舶保持直线运动。在港内，为了使船舶保持在直线航道内航行，也需要船舶保持直线运动。改变航向（Maneuvering or course changing）当船舶在预定的航线上遇到障碍物或其它船舶时，为了避免碰撞，船舶操纵人员又力求使船舶及时改变航向。改变船速（Speed changing）当船舶进出港口
3、、靠离泊或锚泊时，需要对船速进行控制，为此，船舶操纵人员又希望及时改变船速。,1、船舶操纵的含义,操纵：在这三种情况下，操纵人员都要对船舶进行操作。从这个意义上讲，对于水面船舶，船舶操纵实质上就是操船人员对船速和航向所进行的控制。船舶操纵：在人、船、环境系统中，操船者利用船舶本身或其他手段如车、舵、锚、缆、拖轮等，以保持或改变船舶运动状态为目的而进行的必要观察、判断、指挥、实施等。,2、船舶操纵原理,闭环控制船舶操纵人员根据航向（航迹）误差，发出舵角指令，舵工操舵，舵机执行，产生水动力，船改变航向（或航迹），航向值与舵角也反馈到操船人员，供进一步操纵。,二、船舶运动控制设备,操纵设备主要包括舵
4、和推进器：改变或保持船舶的运动方向主要用舵来完成；变化船舶运动速度主要用推进器来完成。从舵和推进器的运用幅度来看，可将船舶操纵分为常规操纵和应急操纵两大类：常规操纵包括用小舵角保持航向、中等舵角改变航向以及减速或增速操纵；应急操纵包括用大舵角（一般为满舵）进行旋回和用全速倒车进行紧急停船。,二、船舶运动控制设备,其他设备：侧推器设备；外力协助操纵拖船的协助；系泊设备：锚、缆等。船舶操纵任务常规航行：小舵角保向或中舵角转向；进出港操纵：锚泊、系浮筒、靠离码头、掉头等；应急操纵：紧急旋回或停船、搁浅或碰撞时的操纵、落水人员救助等；恶劣条件：大风浪中、避离台风操纵等。,船舶操纵任务要求,了解船舶（船
5、体）的操纵特性了解操纵对象的性质了解船舶操纵设备的性能和特性了解操纵设备的性质了解船舶在不同外界环境中的操纵特性外界环境:风、流、浪学习船舶在港内、狭水道中操纵的方式方法以及特殊环境下的操船完善操纵装置，提高操纵人员的水平,三、船舶操纵研究,研究任务通过考察船舶受控运动的规律，找到不同类型的船舶在不同外界环境下的控制规律及方法，以满足安全方面的要求。建立评价船舶操纵安全标准的评价方法，以便对不同类型的船舶在不同外界环境下的安全性进行评价。在安全评价基础之上，为港口设计、航道工程以及其它水工设施（如水上桥梁等）的通航安全提供理论依据和技术数据。,1-2 船舶操纵运动学参数,为定量地描述船舶的操纵
6、运动，引入船舶操纵运动坐标系，定义船舶运动学参数，建立船舶操纵运动方程，用数学方法来讨论船舶运动问题。水面船舶运动可用刚体平面运动原理加以描述，用数学方法来定量研究船舶运动问题。船舶在静水中的运动可分解为在水平面的平移运动和绕垂直轴的旋转运动。船舶运动学参数包括位置、船速、漂角、转心、航向角、速度、角速度等。,一、操纵运动坐标系,the earth-fixed and body-fixed frames（SNAME 1950）,船舶6个自由度的运动,三个平动：x轴：u，surging（前进，纵荡）y轴：v，swaying（横移，横荡）z轴：w，heaving（升沉，垂荡）三个转动：x轴：p，r
7、olling（横摇）y轴：q，pitching（纵摇）z轴：r，yawing（首摇）,平面运动,3 degrees of freedomSurging 纵荡Swaying 横荡Yawing 首摇2 actuatorsThrusterRudder,二、船速与漂角,1、船速根据刚体平面运动原理，同一时间内船体上各位置的运动状态各不相同，这里考察的船速是船舶重心处的速度。船速是指船舶相对于水的运动速度，一般用符号 V 表示。在运动坐标系中，坐标原点（船舶重心或船中）的速度是运动轨迹的切线方向，显然船速是矢量。,二、船速与漂角,2、漂角漂角是指船体上一点（一般指船舶重心处）的船速矢量与船舶首尾线之间的
8、交角。漂角用符号 表示，左舷为正，右舷为负，是衡量船舶运动状态的重要参数之一。,漂角与船舶纵向速度u有关：一般来说，u越高，越小；反之，u越低，越大。,二、船速与漂角,2、漂角当v=0、u0时，=0，表示船舶沿Gx轴方向前进；当v 0、u=0时，则=90，表示船舶沿Gy轴方向横移；当v=0、u0时，=180，表示船舶沿Gx轴方向后退；,0时，既有纵向速度也有横向速度，这种情况称为“斜航”。,三、位移和航速,考察船舶运动轨迹时，涉及船舶的运动历史航迹，采用固定坐标系进行描述。航速是指船舶在固定坐标系的运动速度（包括流的影响）。,式中：,四、航向角与转动角速度,航向角是指在水平面内船舶的首尾线与固
9、定坐标系xe 轴的交角。船舶绕垂直轴的转动角速度是指航向角随时间的变化速率，即转动角速度是航向角对时间的导数；角加速度是角速度对时间的导数。,五、转心（pivot point）,船舶的操纵运动可以看作是平动与转动的叠加。船舶转动时，如果船上的每一点都绕某一垂线作圆周运动，这一垂线称为转轴，转轴与船舶首尾线的交点称为转心。从瞬时轨迹曲率中心O 点作船舶首尾线的垂线可得瞬时转动中心P 点，简称“转心”。,五、转心（pivot point）,一般以转心距船首或船尾的距离占船长的比例表示其位置。转心位置取决于船体水下形状以及船舶运动速度的大小和方向等因素。船舶定常旋回时，一般转心位于船首之后约1/3
10、船长处。当船舶存在纵倾时，船体水下侧面积在船中前后的分布将不是对称的：尾倾时，转心后移；首倾时，转心前移。,六、船舶平面运动的特征,1、转心点的运动特征船舶转心点只有平动，没有转动；即转心处只有纵向速度，而没有横向速度。2、漂角沿首尾线的分布特征船长方向各点的漂角方向和大小各不相同，转心处的漂角为0，距离转心越远，漂角越大。3、船舶转动的弧线长度特征船上各点在同一时间内转过的圆弧长度不同，距离转心越远，所转过的弧长越长。4、船舶转动的角度特征船舶各点在同一时间内绕轴转动的角速度和角加速度相等。,1-3 船舶操纵动力学参数,一、船舶操纵运动方程将船舶作为一个刚体，根据牛顿第二运动定律，受到外力作
11、用的船舶的平面运动规律可以表示为：式中：,一、船舶操纵运动方程,作用于惯性坐标系的力和力矩很难直接解出；为研究方便，需要将固定坐标系的运动方程转换成运动坐标系中船舶运动方程；坐标变换,一、船舶操纵运动方程,忽略流向流速随时间的变化，经过求导变换可得运动坐标系中船舶运动方程：,二、作用于船舶的力及力矩,根据日本MMG分离建摸的思想，无流或仅有定常均匀流时，力（矩）项可表示为：,下标分别表示船体（hull）、螺旋桨（propeller）、舵（rudder）、浪（wave）、拖船（tug）、风（air）、缆（line）以及锚链（chain）等。,二、作用于船舶的力及力矩,为了研究问题的方便，可将这些
12、力分为两大类：1、船舶本身的船体水动力和控制设备产生的力；2、船舶以外因素产生的力（俗称外力），如风压力、波浪力、拖船的拖力或拉力等。,三、船体水动力及水动力矩,船体水动力及力矩可分为两大类：1、与“加速度”或“角加速度”有关的船体力及力矩，称为惯性力及惯性力矩；2、仅与运动“速度”或“角速度”有关的船体力在讨论具体船舶操纵的问题时，首先要考虑船体水动力及水动力矩的作用。一般研究外力对船舶运动影响的方法是：首先研究船舶在静水航行中的船体水动力，在此基础上，再进行各种外力影响的修正。,三、船体水动力及水动力矩,为了研究问题的方便，在静水状态下，作用在船体的流体力可进一步分为惯性力和粘性力两部分：
13、,三、船体水动力及水动力矩,1、附加质量和附加惯性矩将惯性力及惯性力矩放在附加质量和附加惯性矩中考虑；船体在水中作变速运动时，加速度使船舶惯性和转动惯性增大，相当于船舶质量的增大，这部分增大的水质量称为附加质量。当船舶作非定常转动时，角加速度同样引起船舶周围的部分水质量对垂直轴惯性矩增大，这部分增大的惯性矩称为附加惯性矩。,三、船体水动力及水动力矩,1、附加质量和附加惯性矩深水中，超大型船舶的纵向附加质量mx0.07m；横向附加质量my0.75m；附加惯性矩Jz1.0m。为了研究问题的方便，有的资料将船舶质量与附加质量之和称为虚质量，惯性矩与附加惯性矩之和称为虚惯性矩。,三、船体水动力及水动力
14、矩,2、船体水动力及其表达式船舶以一定速度在流体中运动时，产生的动压强表示为：,2、船体水动力及其表达式,如果水与船体紧密相连，则水对船体表面产生等量的动压强，结果产生作用于船体的水动力。显然，水动力的大小与船体水线下的湿水面积的大小和形状有关。通常，水动力表示为：,式中：FH 船体水动力（N）；L 船长（m）；d 吃水（m）；CH 船体水动力系数。,2、船体水动力及其表达式,F H 也称为斜航阻力F H可分解为船舶操纵运动方程中的纵向分量X H和横向分量Y H，其力学意义更加明确：X H 为纵向水动力；Y H 为横向水动力。,2、船体水动力及其表达式,式中：CHX纵向水动力系数，即阻力系数；
15、CHY横向水动力系数；水动力角。习惯上，将X H称为船舶阻力，而Y H称为水动力。,3、水动力角,水动力角是指水动力合力FH方向与船舶首尾线之间的交角；水动力角可用水动力横向分量与纵向分量的比值表示：,3、水动力角,水动力角的大小取决于横向水动力系数和纵向水动力系数的比值。由于船舶横向水动力系数通常远大于纵向水动力系数，因此，除了船舶进行纯纵向运动或纯横向运动，水动力角总是大于漂角。,3、水动力角,水动力角与漂角水动力角随漂角 的增大而增大；由于船舶水下侧投影面积远大于正投影面积，则在0180时，水动力角一般接近正横方向（90左右)；当0，即船舶向前直航时，0，这种情况下船舶水动力为船舶直航阻
16、力；当90，即船舶横向移动时，90，这种情况相当于船舶靠泊或离泊过程中的横移运动所受的横向阻力；当180时，180，即船舶受力为后退阻力。,4、水动力作用中心,水动力作用中心是指船体水下部分的面积中心。其位置 xW 与船体水线下侧面积沿船长的分布和船舶运动状态有关。水动力作用中心位置xW为漂角的函数，的增大而逐渐向后移动。,4、水动力作用中心,水动力中心与漂角（船舶平吃水）：当=0，即船舶向前直航时，xW 0.25 L，即水动力中心在船首之后约1/4 船长处，且船速越低，越靠近船中；当=90，即船舶对水横向移动时，xW0，即水动力中心在船中附近；当=180，即船舶后退时，Wx-0.25 L，即
17、水动力中心在距离船尾之前约1/4 船长处，且船退速越低，越靠近船中。船舶空载或压载时往往尾倾较大，船体水下侧面积中心分布在船中之后，水动力作用中心要比满载平吃水时明显后移。,5、水动力矩,除船舶对水横向移动外，一般水动力作用中心不在船中处。故水动力的横向分量YH 不但改变了船舶的横向运动状态，而且它还会对船舶产生力矩，该力矩称为水动力矩。船舶操纵运动方程中由于船舶对水运动引起的水动力矩NH可表示为：,式中：xW水动力中心距船中的距离；CHN水动力矩系数。NH改变了船舶对垂直轴的转动状态，使船舶产生角加速度，进而使船舶转动角速度发生变化。给定船型，NH的大小与船速和漂角有关。,6、水动力与水动力
18、矩系数,水动力系数可通过循环水槽试验获得，也可根据约束船模试验获得水动力导数进行计算，或流体力学理论计算。目前，高速、小漂角水动力系数的计算方法已经比较完善了，但大漂角水动力系数资料较少，而船舶掉头、靠离泊操纵恰恰需要研究大漂角下的水动力。水动力系数和水动力矩系数与船舶运动状态和船体水下部分的形状有关；对于给定船型，水动力系数和水动力矩系数都是漂角的函数。,水动力系数,水动力矩系数,四、影响船体水动力的因素,1、船舶的几何特征船长L、船宽B、吃水d；无因次几何形状参数L/B、B/d、CB2、船舶的运动特征速度、加速度、角速度、角加速度此外，船舶的位置和方位（横倾角、纵倾角及首向角）也是与水动力
19、有关的运动特征参数。3、航行水域的几何特征宽度、水深与吃水比、航道的边坡等。,1-4 船舶阻力与推进,一、船舶阻力RT=R0+R 1、基本阻力R0=RF+RW+RE+RA RF摩擦阻力（frictional resistance）RF的大小与船体水下部分的湿水面积AS、船体表面的粗糙度和船速等因素有关。RFV 2RF在RT中所占的比例取决于船速的大小：对于低速船，如油船或散货船，占7090%；对于高速船，如集装箱船或客船，有时可能低于45%。,1、基本阻力R0=RF+RW+RE+RA,剩余阻力RR（residual resistance）RR 包括兴波阻力RW和涡流阻力RE：RW（wave-m
20、aking resistance），指船舶对水运动过程中船体周围产生的兴波造成的能量损失。RE（eddy-making resistance），指流体与船体分离产生的涡流造成的能量损失。剩余阻力RR又称压差阻力，其大小取决于船体的形状和船速，其中RW 占有比例较大。低速时，兴波阻力RW与船速的平方成正比；但在高速时，RW急剧增大。低速时，RR占RT的825%；高速时，占4560%,1、基本阻力R0=RF+RW+RE+RA,剩余阻力RR（residual resistance）浅水对剩余阻力的影响较大，这是由于浅水造成船底的流体向后流动较为困难，进而产生比深水更大的兴波从而造成的阻力增量。空气阻
21、力RA（air resistance）RA指在静水状态下，船舶水上部分对空气的相对运动产生的阻力。一般来说，空气阻力与船速的平方以及船体水线以上部分正投影面积成正比。一般情况下，RA占RT的2%左右；集装箱船，RA占RT的比例可达10%。,1、基本阻力R0=RF+RW+RE+RA,摩擦阻力RF、兴波阻力RW、涡流阻力RE和空气阻力RA在基本阻力中所占比例与船速有关。船速一般用傅汝德数Fn（或相对速度）表示，即,在总阻力，当Fn0.25时，摩擦阻力RF占70%以上，且Fn越小，比例越大；当Fn达到0.30时，兴波阻力则可能占50%或更多。由于一般运输船的Fn多在0.25以下，很少超过0.30，故
22、RF所占比例最大，其次是RW，RE和RA所占比例较小。,2、附加阻力R,附加阻力指船舶营运过程中，由于船体表面粗糙度、海况、风以及海流等引起的船舶阻力增量。（1）船体粗糙度船舶营运过程中，船壳板上漆层的脱落、海生物的生长都会使船体表面变粗糙，意味着RF的增加。船体表面粗糙度的增大，在整个船舶使用寿命期间可能使总阻力增加2550%。（2）风、浪、流的影响船舶阻力会由于风、浪、流的影响而增加。顶浪航行时，一般船舶总阻力比静水状态增加50100%。,二、船舶推进,船舶推进是指船舶主机通过传动轴系把能量传递给推进器，在转化成有效推力以克服船舶前进时所受的阻力，使船舶以一定得航速航行。螺旋桨推力T见第3章（操纵设备及其效应）第1节（螺旋桨及其效应）,
