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1、22 航向稳定性船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性第二章第二章 船舶支配船舶支配内容概要内容概要根根本本概概念念研研 究究 方方 法法航航向向稳定定性性分分析析影影响响要要素素航向稳定性航向稳定性船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性 一. 根本概念1. 稳定性概念: 对处于定常运动形状的物体(或系统),假设遭到极小的外界干扰作用,而偏离原定常运动形状,当干扰去除之后,经过一定的过渡,假设物体(或系统)能回复到原定常运动形状,那么称原运动形状是稳定的. 物体的运动形状能否稳定既取决于物体本身的性质,而且也取决于所调查的运动形状和运动参数.航向稳定性航向稳定性Directional Stabil
2、ity船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性 2. 2. 水面船舶的运动稳定性水面船舶的运动稳定性: :直线运动稳定性直线运动稳定性 (straight line stability, also called Inherent (straight line stability, also called Inherent dynamic stability)dynamic stability)船舶受瞬时扰动后，其重心轨迹终将恢复为不断线，但航向发船舶受瞬时扰动后，其重心轨迹终将恢复为不断线，但航向发生了变化。生了变化。 船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性原航线原航线新航线新航线 2)方向稳定性方
3、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不断线。航线相平行的另不断线。船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性3). 位置稳定性位置稳定性- 船舶受扰后，其重心运动轨迹船舶受扰后，其重心运动轨迹将恢复为原航线的延伸线将恢复为原航线的延伸线船舶支配性与耐波性船舶支配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。具有
4、方向稳定性的船舶一定具有直线稳定性。按能否操舵按能否操舵, ,稳定性可分为固定稳定性和控制稳定性稳定性可分为固定稳定性和控制稳定性. .前者前者取决于船体几何外形取决于船体几何外形, ,后者取决于整个闭合回路的特性。后者取决于整个闭合回路的特性。固定稳定性越好的船固定稳定性越好的船, ,控制稳定性也越好。控制稳定性也越好。对于通常的水面船舶对于通常的水面船舶, ,只需经过操舵控制才能够使之具备方只需经过操舵控制才能够使之具备方向稳定性和位置稳定性。向稳定性和位置稳定性。假设不操舵假设不操舵, ,最多具备直线稳定性最多具备直线稳定性. .3. 关系与分类船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性结 论
5、：二二. . 研讨方法研讨方法-小挠动方程小挠动方程运运用用运运动动稳稳定定性性实实际际分分析析方方法法对对稳稳定定性性问问题题进展定量分析进展定量分析.设船舶初始运动形状设船舶初始运动形状: u1=const,v1=r1=0扰动后引起的扰动运动参数扰动后引起的扰动运动参数: 由于对初始形状是小扰动,偏离量较小,可用线性支配运动方程来描叙。 不操舵那么 =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:那么,特征根为:最终解为:二二. . 小挠动方程小挠动方程航航 向向 稳稳 定定 性性阐明: 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
6、负值。m - 为船舶本身质量与纵向附连水质量之和,对普通排水量船舶为正值。分子Xu为纵向速度u的添加所引起的纵向分力X的变化率。如以下图:在平衡速度u1时,螺旋桨正好抑制 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,将引起纯阻力的添加，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。使之值一直为负，阐明其对纵向速度扰动总具有稳定性。二二. 小小挠动方程方程航航 向向 稳稳 定定 性性研讨船舶在程度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:二二. 小小挠动方程方程航向稳定性航向稳定性方程前系数 特征方程为:由特征方程可求得
7、特征根:角速度扰动方程角速度扰动方程的解为：的解为：消去消去r r化简后化简后, ,得得v v的小扰动方程为的小扰动方程为: :横向速度的解为横向速度的解为: :航向稳定性航向稳定性由以上解式可知由以上解式可知,特征根假特征根假设具有具有负实部部,那么那么扰动后的后的扰运运动量量v,r都回复到原来的形状称之都回复到原来的形状称之为具有具有稳定性定性. 但但,即使即使v,r都回复到初始形状参数都回复到初始形状参数,却与初始首向仍存在着一个角度偏向：却与初始首向仍存在着一个角度偏向：可可见,对水面船舶不操舵水面船舶不操舵,就不能就不能够实现 “方向方向稳定性定性,最多只能是直最多只能是直线运运动稳
8、定性定性, 习惯上称之上称之为航向航向稳定性定性船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性二. 小挠动方程三三. 航向稳定性分析航向稳定性分析船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性三三. 航向稳定性分析航向稳定性分析船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性 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分析知,对水面船舶对水面船舶,A必为正必为正,故航向稳定性要求故航向稳定性要求B/A0,C/A0 即为要求即为要求 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 .大的负值大的负值 大的正值大的正值 小的负值小的负值 小的不定符
9、号小的不定符号 大的正值大的正值 大的负值大的负值 不定符号小量不定符号小量 不定符号小量不定符号小量船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性稳定性衡准数 C定义系数定义系数C 为稳定性衡准数；上式即为稳定性衡准为稳定性衡准数；上式即为稳定性衡准式。式。稳定性判别稳定性判别 C 0 是船舶航向稳定性的是船舶航向稳定性的 判据判据 C0 阐明船舶在程度面运动具有直线稳阐明船舶在程度面运动具有直线稳定性定性; C0 阐明不具有直线稳定性阐明不具有直线稳定性 。船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性OVr抗干扰力臂抗干扰力臂偏航力臂偏航力臂定义定义侧向力作用点距坐标原点的间隔，由侧向力作用点距坐标原点的间
10、隔，由v引起的力矩常使船偏离航向，引起的力矩常使船偏离航向，是一种不稳定要素，称为偏航力臂是一种不稳定要素，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航向稳定性改善措施 水动力导数是与船体几何外形亲密相关的。水动力导数是与船体几何外形亲密相关的。 添加船长可使添加船长可使N r负值添加负值添加 添加船舶中纵剖面的侧面积可使添加船舶中纵剖面的侧面积可使 Nr,Yv 的负值的负值添加添加 添加添加Nv的有效方法是的有效方法是: 添加纵中剖面的尾部侧面积添加纵中剖面的尾部侧面积 可采用增大呆木可采用增大呆木,安装尾鳍安装尾
11、鳍 使船产生尾倾使船产生尾倾 削去前踵等削去前踵等 航向稳定性改善措施船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性添加纵中剖面的尾部侧面积添加纵中剖面的尾部侧面积使船产生尾倾使船产生尾倾削去前踵削去前踵添加船舶中纵剖面的侧面积添加船舶中纵剖面的侧面积23 船舶回转性第二章第二章 船舶支配船舶支配船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性内容概要根根本本概概念念研讨方法航向稳定性分析影响要素航向稳定性航向稳定性 回转性回转性根本概念回转过程分析回转运动耦合特性回转横倾速降一、根本概念：一、根本概念：回转性回转性 转舵使船舶作圆弧运动的才干。转舵使船舶作圆弧运动的才干。 用回转直径来表示。用回转直径来表示。 与
12、船舶避让、避碰、靠离码头、与船舶避让、避碰、靠离码头、 灵敏掉头有关灵敏掉头有关定常回转圈定常回转圈 支配性的目的。支配性的目的。 衡量转首性和回转性的直观方法。衡量转首性和回转性的直观方法。回转圈回转圈 船舶在不同舵角条件下作圆周回转时船舶在不同舵角条件下作圆周回转时 重心的航行轨迹。重心的航行轨迹。第二节 船舶回转性船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性1.定常回定常回转直径直径Dc2. 定常回定常回转阶段船舶重段船舶重心点心点圆形形轨迹。迹。3.战术直径直径DT4. 从船舶原来航从船舶原来航线至船至船首首转向向180时，船，船总中中剖所在位置之剖所在位置之间的的间隔。隔。5. Dt= (0
13、.91.2)D 回转圈的主要特征参数回转圈的主要特征参数船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性 3。纵纵距距L1(Ad) 从从转转舵开舵开场时场时辰船舶重心辰船舶重心G所在的位置所在的位置,至船首至船首转转向向 90时时船舶船舶纵纵中剖面沿原航中剖面沿原航行方向前行方向前进进的的间间隔隔 4。正横距。正横距L2(T) 从船舶初始直航从船舶初始直航线线至至转转向向90时时，船舶重心所在位置，船舶重心所在位置之之间间的的间间隔。隔。回转圈的主要特征参数回转圈的主要特征参数船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性5. 反横距反横距L3(K) 从船舶初始的直从船舶初始的直线线航航线线至回至回转轨转轨迹反方向
14、迹反方向最大偏离最大偏离处处的的间间隔隔 K = (00.1)D6. 进进程程 纵纵距距L1 定常回定常回转转 半径半径 R 回转圈的主要特征参数回转圈的主要特征参数船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性各类船舶的相对回转半径7. 相相对对回回转转直径直径D/L 通常用通常用D/L代表回代表回转转性性优优劣。劣。回回转转性好性好 D/L3回回转转性差性差 D/L10大多数船大多数船 D/L57船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性定常回转枢心P船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性1。枢心点。枢心点P在回转过程在回转过程 中横向速度为零。中横向速度为零。 2。枢心点察看，。枢心点察看，VP平移，平移
15、， 角速度绕角速度绕P旋转。旋转。3。普通将驾驶室设于。普通将驾驶室设于P 点点 附近便于察看。附近便于察看。定常回定常回转阶段段 ，R和和 不不变枢心位置不枢心位置不变l指从开指从开场转舵至舵至规定角度定角度 为止。止。l产生由舵角引起的生由舵角引起的侧向力向力Y, Y, 和力矩和力矩N.N.船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性回转的三个阶段回转的三个阶段1. 转舵阶段转舵阶段2. 过渡阶段3. 定常回转阶段1. 转舵阶段转舵阶段转舵阶段运动方程转舵阶段运动方程船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性回转的三个阶段回转的三个阶段1. 1. 转舵阶段转舵阶段2. 过渡阶段3. 定常回转阶段1. 转
16、舵阶段转舵阶段消消元元略去小量船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性回转的三个阶段回转的三个阶段1. 转舵阶段转舵阶段2. 过渡阶段3. 定常回转阶段1. 转舵阶段转舵阶段物理含义：表示转过单位舵角后，在回物理含义：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。转初始阶段所产生的回转角加速度。CP 参数参数CP是船舶开场回转得快慢的目的。是船舶开场回转得快慢的目的。表达式：初始回转的有因次角加速度参数CP 1. CP值越大,CP 船舶转舵后越能迅速进入回转运动。2. 对要求支配灵敏得内河船舶、拖船、顶推船等，常对转舵后得转首时间有一定要求。可近似得以为，阶跃操舵后指操舵速度很大得操舵，
17、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支配性与耐波性船舶支配性与耐波性转舵终了到进入定常回转运动为止。船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性回转的三个阶段1. 转舵阶段2. 过渡阶段过渡阶段3. 定常回转阶段2. 过渡阶段过渡阶段 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，唯有舵角坚持常数 。 由 使船舶产生回转，于是船舶纵中剖面与水流构成一漂角。2. 过渡阶段或渐变阶段)船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性回转的三个阶段1. 转
18、舵阶段2. 过渡阶段过渡阶段3. 定常回转阶段2. 过渡阶段过渡阶段过渡阶段运动方程过渡阶段运动方程线性化假设线性化假设 船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性回转的三个阶段1. 转舵阶段2. 过渡阶段3. 定常回转阶段定常回转阶段3. 定常回转阶段定常回转阶段l 各运动参数不随时间变化各运动参数不随时间变化l 特点：重心轨迹是圆特点：重心轨迹是圆定常回转阶段船舶运动方程：定常回转阶段船舶运动方程： 船舶支配性与耐波性船舶支配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支配性与耐波性船舶支配性与耐波性定常回转半径1。解定常回转阶段运动方程得：。解
19、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：。重心点线速度与角速度的关系：船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性定常回转半径3。解出定常回转直径：。解出定常回转直径：4。无因次方式：。无因次方式：船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性定常回转分析1. 分母大于零分母大于零 YV 0， N 0 ； NV 0 ，Y ；2. 假假设设分子大于零，分子大于零，那么那么 右舷右舷 产产生生 右舷右舷 那么那么 左舷左舷 产产生生 左舷左舷 船舶可控制，船舶具有直船舶可控制，船舶具有直线稳线稳定性定性 假假设设分子小于零，分子小于零， 舵角和回舵角和回转转半径具有相反的符号，舵不能控制船舶的半径具
20、有相反的符号，舵不能控制船舶的 运运动动，直，直线线不不稳稳定。定。-稳定性衡准稳定性衡准影响定常回转运动的要素1。“右舵右旋，左舵左旋右舵右旋，左舵左旋正常操舵正常操舵 “右舵左旋，左舵右旋右舵左旋，左舵右旋反操景象反操景象2。 添加船首部添加船首部纵纵剖面面剖面面积积使使Nv和和Nr 负值负值， 导导致致C 稳稳定性定性变变差差 ; D0 回回转转性好性好 减小船首部减小船首部纵纵剖面面剖面面积积使使 Nv 负值负值, Nr 负负值值， 导导致致C ， D0 回回转转性和直性和直线稳线稳定性存在矛盾定性存在矛盾!船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性影响定常回转运动的要素3。添加。添加Yv的
21、的负值对负值对回回转转直径的影响取决于直径的影响取决于 mxGu1-Nr 和和 N 之比；之比；4。 Y 负值负值 ，N正正值值，通常会使，通常会使回回转转直径直径D ，并且不，并且不导导致致稳稳定性下降。定性下降。 从控制水从控制水动动力力导导数出数出发发可同可同时时改善改善稳稳定定性和回性和回转转性性 (如添加舵面如添加舵面积积)船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性l根本概念：根本概念：l l 船舶在程度面内作回转运动时会同时产生船舶在程度面内作回转运动时会同时产生横摇、纵摇、升沉等运动横摇、纵摇、升沉等运动, ,以及由于回转过程以及由于回转过程中阻力添加引起的速降。中阻力添加引起的速降。
22、 以上所述可了解为以上所述可了解为回转运动的耦合回转运动的耦合, ,其中以回转横倾与速降最为其中以回转横倾与速降最为明显明显. . 第三节 回转运动的耦合特性船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性一、回转横倾构成缘由构成缘由:在回转过程中，船体接受侧向在回转过程中，船体接受侧向力其作用点高度各不一样，于是产生了对力其作用点高度各不一样，于是产生了对Ox轴的倾侧力矩轴的倾侧力矩将回转横倾分为三个阶段，如下图：将回转横倾分为三个阶段，如下图：转舵阶段转舵阶段过渡阶段过渡阶段定常回转阶段定常回转阶段转舵阶段转舵阶段过渡阶段过渡阶段定常回转阶段定常回转阶段船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性一、回转横倾
23、一、回转横倾转舵阶段转舵阶段过渡阶段过渡阶段定常回转阶段定常回转阶段1.转舵阶段转舵阶段r=v=0产生向回转内侧的倾斜产生向回转内侧的倾斜船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性一、回转横倾一、回转横倾转舵阶段转舵阶段过渡阶段过渡阶段定常回转阶段定常回转阶段2.过渡阶段过渡阶段船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性一、回转横倾一、回转横倾转舵阶段转舵阶段过渡阶段过渡阶段定常回转阶段定常回转阶段3.定常回转阶段定常回转阶段忽略舵力忽略舵力,船产生外倾船产生外倾船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性回转过程中横倾角随时间的变化回转过程中横倾角随时间的变化船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性特别指出特别指出
24、过渡阶段横倾角随时间变化而振动过渡阶段横倾角随时间变化而振动图中最大横倾角出如今过渡阶段图中最大横倾角出如今过渡阶段.回转过程中横倾角随时间的变化回转过程中横倾角随时间的变化船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性稳定横倾角的估算稳定横倾角的估算惯性力取矩惯性力取矩缘由：回转过程会降低横稳性缘由：回转过程会降低横稳性,稳性规范对此有稳性规范对此有所限制所限制,所以必需估算定常回转阶段稳定横倾角所以必需估算定常回转阶段稳定横倾角. 估算式：估算式：质量惯性力取矩：质量惯性力取矩：消元推出消元推出Nxo稳定回转阶段的横倾外力矩；稳定回转阶段的横倾外力矩；ZG为重心垂向高度为重心垂向高度船舶支配性与耐波
25、性船舶支配性与耐波性稳定横倾角的估算稳定横倾角的估算惯性力取矩惯性力取矩稳定回转过程存在速降，稳定回转过程存在速降，V0替代替代u1,稳定横倾角：稳定横倾角：通常取通常取R0=2.6L时，横倾角最大，并且取稳定时，横倾角最大，并且取稳定回转时回转时V0=0.7u1，于是上式：，于是上式：我国海船我国海船稳性规范稳性规范船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性稳定横倾角影响稳定横倾角影响 外倾角与回转初速平方成正比，与初稳性高成反比。这阐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，有能够使船舶处于危险形状如下图。二、回转过程速降二、回转过程速降 侧
26、向速度和角速度引起阻力添加侧向速度和角速度引起阻力添加 侧向速度、角速度以及舵角使桨效率下降侧向速度、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表征回转速降：定常回转阶段航速与直线航速线航速u1之比，称为回转速降系数之比，称为回转速降系数1。构成缘由：。构成缘由：2。表征系数：。表征系数：船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性二、回转过程速降二、回转过程速降线性实际处理不了速降问题，而非线性线性实际处理不了速降问题，而非线性解析方法过于复杂，通常采用估算法解析方法过于复杂，通常采用估算法3。估算法：。估算法：引见估算方法引见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支
27、配性与耐波性船舶支配性与耐波性回转速降系数与相对回转直径之间的关系二、回转过程速降二、回转过程速降戴维逊方法船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性还有杉原、费尔索夫和还有杉原、费尔索夫和泽姆辽诺夫斯基等人给泽姆辽诺夫斯基等人给出了不同的计算公式出了不同的计算公式二、回转过程速降二、回转过程速降费加耶夫斯基方法船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性思索题思索题1.何何谓自自动稳定性定性,何何谓控制控制稳定性定性?2.具有直具有直线运运动稳定性的船能否具有方向定性的船能否具有方向稳定性和位定性和位置置稳定性定性?对通常水面船舶假通常水面船舶假设不操舵不操舵(=0)，那么，那么当干当干扰去除后的运去除后的运动情况如何？情况如何？3.线性支配运性支配运动数学模型中八个数学模型中八个线性水性水动力力导数，数，阐明其含明其含义并分析数量并分析数量级大小。大小。4.某船某船经试航航阐明不具有直明不具有直线运运动稳定性，定性，试问采取采取什么措施能使什么措施能使稳定性改善？定性改善？5.如何粗略估算回如何粗略估算回转初期初期转首首时间？6.是从受力角度来分析船舶回是从受力角度来分析船舶回转过程的横程的横倾情况？情况？船舶支配性与耐波性船舶支配性与耐波性作业作业 6，8题题
