船舶操纵性第0章绪论.ppt

Harbin Engineering UniversityHarbin Engineering University哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 船舶工程学院船舶工程学院本科生专业基础理论课程船舶操纵性船舶操纵性哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 船舶工程学院船舶工程学院绪言绪言一、船舶操纵性的概念一、船舶操纵性的概念 船船舶舶操操纵纵性性:是是指指船船舶舶借借其其控控制制装装置置来来改改变变或或保保持持其其运运动速率、姿态和方向的性能。动速率、姿态和方向的性能。船船舵舵螺旋桨螺旋桨速率速率姿态姿态方位方位启动、加速、减速、停车启动、加速、减速、停车保持航向、航迹、位置保持航向、航迹、位置回转、规避回转、规避良好的操纵性包括两个方面良好的操纵性包括两个方面：方便、稳定地保持（稳定性）方便、稳定地保持（稳定性）迅速、灵活地改变（机动性）迅速、灵活地改变（机动性）哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 船舶工程学院船舶工程学院学习船舶操纵性的目的意义：学习船舶操纵性的目的意义：船舶的重要性能分为：船舶的重要性能分为：快速性快速性稳性稳性耐波性耐波性操纵性操纵性抗沉性抗沉性船舶的重要船舶的重要性能之一性能之一 （1 1）操操纵纵性性好好的的船船在在战战斗斗中中可可以以灵灵活活地地运运动动，占占据据有有利利阵阵位位，发扬火力，打击敌人和规避敌人火力的攻击。发扬火力，打击敌人和规避敌人火力的攻击。（2 2）航航向向稳稳定定性性不不好好的的船船在在航航行行中中容容易易左左右右偏偏航航，增增加加航航行行阻力和航程、从而增加油耗和延长航行时间阻力和航程、从而增加油耗和延长航行时间。研研究究船船舶舶操操纵纵性性的的目目的的：掌掌握握船船舶舶操操纵纵运运动动规规律律，建建立立船船舶舶操操纵纵性性标标准准和和完完善善的的操操纵纵性性计计算算、试试验验方方法法，研研究究船船形形等等对对操操纵性的影响，满足、改进船舶操纵性。纵性的影响，满足、改进船舶操纵性。船舶因操纵性等原因造成的事故触目惊心：船舶因操纵性等原因造成的事故触目惊心：船舶因操纵性等原因造成的事故触目惊心：船舶因操纵性等原因造成的事故触目惊心：船舶因操纵性等原因造成的事故触目惊心：船舶因操纵性等原因造成的事故触目惊心：船舶因操纵性等原因造成的事故触目惊心：船舶因操纵性等原因造成的事故触目惊心：船舶因操纵性等原因造成的事故触目惊心：船舶因操纵性等原因造成的事故触目惊心：船舶因操纵性等原因造成的事故触目惊心：船舶因操纵性等原因造成的事故触目惊心：船舶因操纵性等原因造成的事故触目惊心：船舶因操纵性等原因造成的事故触目惊心：船舶因操纵性等原因造成的事故触目惊心：船舶因操纵性等原因造成的事故触目惊心：船舶因操纵性等原因造成的事故触目惊心：船舶因操纵性等原因造成的事故触目惊心：船舶因操纵性等原因造成的事故触目惊心：船舶因操纵性等原因造成的事故触目惊心：船舶因操纵性等原因造成的事故触目惊心：船舶因操纵性等原因造成的事故触目惊心：哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 船舶工程学院船舶工程学院现代海运的特点：现代海运的特点：a a航行密度大；航行密度大；b b航行速度高；航行速度高；c c船舶大型化、专门化；船舶大型化、专门化；d d操纵性计算书和试验报告已成为船舶必备的重要文件；操纵性计算书和试验报告已成为船舶必备的重要文件；e e“船舶操纵性标准的制定船舶操纵性标准的制定”（国际海事组织（国际海事组织IMOIMO）。）。操纵困难、事故频繁、损操纵困难、事故频繁、损失巨大，因操纵性原因而失巨大，因操纵性原因而导致碰撞和触礁的约占失导致碰撞和触礁的约占失事船总吨位的事船总吨位的48%48%哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 船舶工程学院船舶工程学院 人人类类利利用用各各种种操操纵纵装装置置来来控控制制船船舶舶的的运运动动已已经经有有很很长长的的历历史史（公公元元前前我我国国劳劳动动人人民民就就已已学学会会使使用用舵舵）。但但是是，船船舶操纵正式成长为一门学科还是很年轻的。舶操纵正式成长为一门学科还是很年轻的。剡木为楫：剡木为楫：篙、桨、橹：篙、桨、橹：舵舵：在在帆帆船船时时代代有有了了舵舵甚甚至至可可以以逆逆风风航航行行，1919世世纪纪后后，风帆由蒸汽和柴油机动力所代替，而舵一直延用至今。风帆由蒸汽和柴油机动力所代替，而舵一直延用至今。二、船舶操纵性研究的发展过程二、船舶操纵性研究的发展过程哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 船舶工程学院船舶工程学院哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 船舶工程学院船舶工程学院 摇橹摇橹哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 船舶工程学院船舶工程学院 在在中中国国人人发发明明了了船船尾尾舵舵后后的的很很长长时时间间内内，船船舶舶操操纵纵技技术术和和舵舵设设计计主主要要根根据据经经验验，很很少少进进行行理理论论分分析析。直直至至18601860年年，船船舶舶操操纵纵性性设设计计还还局局限限于于选选择择舵舵的的尺尺寸寸和和形形状状，并并把把舵舵布布置置于于船船首首及及船船尾尾长长度度当当作作船船宽宽的的函函数数，这这一一原原则则在在2020世世纪纪的拖船舵设计中仍在应用。的拖船舵设计中仍在应用。1860 1860年开始实船及模型回转试验研究船舶的操纵性。年开始实船及模型回转试验研究船舶的操纵性。19121912年年，W.HovgaardW.Hovgaard绘绘制制了了根根据据船船、舵舵主主尺尺度度即即可可确确定定定常回转直径所必需的系数图谱。定常回转直径所必需的系数图谱。试验研究方面：试验研究方面：哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 船舶工程学院船舶工程学院 1944年年，Kemf（肯肯普普夫夫）提提出出用用Z形形操操舵舵试试验验结结果果来评价船舶操纵性。来评价船舶操纵性。1952年，年，Diedene(迪唐纳迪唐纳)提出了螺旋桨试验，后由提出了螺旋桨试验，后由Bech(比奇比奇)发展为逆螺旋试验。发展为逆螺旋试验。一般可以利用操舵自航试验可以求取船舶的操舵下一般可以利用操舵自航试验可以求取船舶的操舵下响应，另外也可利用拘束模型试验求取操纵运动方程响应，另外也可利用拘束模型试验求取操纵运动方程中的全部水动力系数，从而分析船舶的运动。中的全部水动力系数，从而分析船舶的运动。旋臂试验：旋臂试验：20世纪世纪40年代末年代末50年代初，巴黎水池、年代初，巴黎水池、戴维逊实验室、泰勒水池、英国海军水池等等。戴维逊实验室、泰勒水池、英国海军水池等等。试验研究方面：试验研究方面：哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 船舶工程学院船舶工程学院 5050年年代代末末，GortlerGortler和和GoodmanGoodman设设计计出出了了约约束束船船摸摸的试验设备的试验设备平面运动机构。平面运动机构。类型：类型：水平型、垂直型水平型、垂直型特点：特点：小振幅小振幅线性水动力线性水动力 大振幅大振幅线性与非线性水动力线性与非线性水动力试验研究方面：试验研究方面：哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 船舶工程学院船舶工程学院理论研究方面：理论研究方面：J.Pollard和和A.Dudebout在他们在他们1885年著作年著作船舶原理船舶原理中提出船舶回转运动。中提出船舶回转运动。1922年年N.Minorsky发表了题为发表了题为“自动操纵物体的航向稳定性自动操纵物体的航向稳定性”一文。一文。德国人德国人W.Kucharshi 在在1932年发表的年发表的“关于船舶操纵关于船舶操纵性理论性理论”一文是把船舶当作机翼来处理的首批文章。随后，一文是把船舶当作机翼来处理的首批文章。随后，1938年，年，Weinblum（文伯伦）将飞艇操纵性理论引入船（文伯伦）将飞艇操纵性理论引入船舶操纵中，首先建立了有效的数学研究方法。舶操纵中，首先建立了有效的数学研究方法。1939年，巴辛利用里雅普诺夫的稳定性理论解决了船年，巴辛利用里雅普诺夫的稳定性理论解决了船舶航行稳定性问题。舶航行稳定性问题。二、船舶操纵性研究的发展过程二、船舶操纵性研究的发展过程哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 船舶工程学院船舶工程学院理论研究方面：理论研究方面：1946年，年，Davidson（戴维逊）导出船舶运动方程，用（戴维逊）导出船舶运动方程，用一般稳定性理论阐明了船舶操纵的运动稳定性与回转性的一般稳定性理论阐明了船舶操纵的运动稳定性与回转性的相互矛盾又相互制约的关系，提出了回转性指数与航向稳相互矛盾又相互制约的关系，提出了回转性指数与航向稳定性指数，奠定了理论基础。定性指数，奠定了理论基础。1967年，年，Abkowitz(阿伯科维兹阿伯科维兹)严格推导了整体型方严格推导了整体型方程，并以程，并以Taylor级数表示，将船、桨、舵作为一体来考虑。级数表示，将船、桨、舵作为一体来考虑。1977年，日本人提出年，日本人提出MMG方程，以船、桨、舵单独的方程，以船、桨、舵单独的水动力为基础，再加上它们的相互干扰。水动力为基础，再加上它们的相互干扰。二、船舶操纵性研究的发展过程二、船舶操纵性研究的发展过程哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 船舶工程学院船舶工程学院 随随着着计计算算机机的的进进步步，船船舶舶操操纵纵性性的的数数值值预预报报有有了了很很大大发发展展，一一方方面面用用于于船船体体水水动动力力的的计计算算，一一方方面面用用于运动仿真，主要有：于运动仿真，主要有：1 1、船船舶舶操操纵纵性性预预报报：用用于于预预报报操操纵纵性性能能，从从而而为为缩短设计周期、节约资金走出了一条新路。缩短设计周期、节约资金走出了一条新路。2 2、船船舶舶运运动动模模拟拟器器：成成为为开开发发运运动动控控制制系系统统的的有有利工具。利工具。3 3、船员训练模拟器：可以缩短时间、减少危险，、船员训练模拟器：可以缩短时间、减少危险，同时便于设计海上环境。同时便于设计海上环境。数值计算研究方面：数值计算研究方面：哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 船舶工程学院船舶工程学院三、影响船舶操纵性的因素：三、影响船舶操纵性的因素：1、船型船型 船体水动力船体水动力 船舶操纵性船舶操纵性阻力（矩）阻力（矩）惯性力（矩）惯性力（矩）附加惯性力（矩附加惯性力（矩）如船体受到的水动力如船体受到的水动力大，则改变位置或速大，则改变位置或速度就较困难度就较困难常常规规船船型型，瘦瘦长长，肥肥大大型型等等等等，为为了了适适应应不不同同需需要要发发展展起起了了各各种种船船型型：如如水水翼翼船船，气气垫垫船船，掠掠海海地地效效翼翼船船型型，小小水水线线面面船船型型，穿穿浪浪双双体体船船型型，多多体体船船型型，三三体体船船，四体船四体船，五体船型，五体船型 等等哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 船舶工程学院船舶工程学院 沙船在唐代出现于江苏崇明，它在宋代称沙船在唐代出现于江苏崇明，它在宋代称“防沙平防沙平底船底船”，在元代称，在元代称“平底船平底船”，到了明代则通称，到了明代则通称“沙船沙船”。它的载重量很大，一般为它的载重量很大，一般为4000石到石到6000石（约合石（约合500吨到吨到800吨）。沙船活跃在沿江沿海以及远洋航线上，是我国吨）。沙船活跃在沿江沿海以及远洋航线上，是我国古代非常重要的一种航海木帆船。古代非常重要的一种航海木帆船。沙船的船型设计，是我国和世界上古代船舶中最先进沙船的船型设计，是我国和世界上古代船舶中最先进的。沙船虽然在唐代定型，但其前身可以追溯到春秋战国的。沙船虽然在唐代定型，但其前身可以追溯到春秋战国时期，因此，沙船的船型已有时期，因此，沙船的船型已有2000多年历史了。而西方，多年历史了。而西方，直到公元直到公元19世纪出现钢、铁船舶以后，才采用这一先进的世纪出现钢、铁船舶以后，才采用这一先进的船型设计。船型设计。古代最先进的船型设计：古代最先进的船型设计：哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 船舶工程学院船舶工程学院哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 船舶工程学院船舶工程学院哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 船舶工程学院船舶工程学院哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 船舶工程学院船舶工程学院哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 船舶工程学院船舶工程学院三、影响船舶操纵性的因素：三、影响船舶操纵性的因素：2、操纵装置：舵：常规舵、襟翼舵、主动舵等、操纵装置：舵：常规舵、襟翼舵、主动舵等 推进器：敞式推进器、导管推进器推进器：敞式推进器、导管推进器 隧道（槽道）推进器等隧道（槽道）推进器等 3、控制系统：航向自动驾驶系统、自动定位系统等。、控制系统：航向自动驾驶系统、自动定位系统等。哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 船舶工程学院船舶工程学院制作好的舵制作好的舵 装上船舵后的效果装上船舵后的效果舵：舵：哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 船舶工程学院船舶工程学院 舵是船舶操纵装置的一个重要部件。舵是一块平舵是船舶操纵装置的一个重要部件。舵是一块平板或具有流线型截面的板，称为舵叶。装在船尾中板或具有流线型截面的板，称为舵叶。装在船尾中纵剖面或对称于中纵剖面的位置上。它垂直地浸没纵剖面或对称于中纵剖面的位置上。它垂直地浸没在水中，并能绕舵轴转动。在水中，并能绕舵轴转动。舵对船舶操纵性的作用舵对船舶操纵性的作用哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 船舶工程学院船舶工程学院 舵是船舶的一种十分重要和不可缺少的专用舾舵是船舶的一种十分重要和不可缺少的专用舾装设备。可以想象，如果船没有舵，或舵失灵，装设备。可以想象，如果船没有舵，或舵失灵，就象汽车没有方向盘一样，将无法行驶。在大海就象汽车没有方向盘一样，将无法行驶。在大海里任凭风浪摆布。里任凭风浪摆布。舵对船舶操纵性的作用舵对船舶操纵性的作用哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 船舶工程学院船舶工程学院 舵是舵手（驾驶人员）用来保持或改变船舶在水舵是舵手（驾驶人员）用来保持或改变船舶在水中运动方向的专用设备。中运动方向的专用设备。舵有两大功能：舵有两大功能：一、是保持船舶预定航向的能力，称为航向稳定性；一、是保持船舶预定航向的能力，称为航向稳定性；二、是改变船舶运动方向的能力，称回转性。二、是改变船舶运动方向的能力，称回转性。舵对船舶操纵性的作用舵对船舶操纵性的作用哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 船舶工程学院船舶工程学院敞式螺旋桨推进器敞式螺旋桨推进器哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 船舶工程学院船舶工程学院导管螺旋桨推进器导管螺旋桨推进器哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 船舶工程学院船舶工程学院槽道螺旋桨推进器槽道螺旋桨推进器哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 船舶工程学院船舶工程学院显示仪显示仪驾驶仪驾驶仪设定设定航向航向指令指令船船舵机舵机舵舵航向航向误差误差舵角舵角指令指令舵角舵角舵的舵的水动力水动力实际实际航向航向反馈的航向信号反馈的航向信号反馈的舵角信号反馈的舵角信号航向自动驾驶系统的组成航向自动驾驶系统的组成哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 船舶工程学院船舶工程学院四四、船舶操纵性目前的研究方向、船舶操纵性目前的研究方向水面船：水面船：a a浅水效应浅水效应 b b窄航道窄航道 c c风浪流复杂环境风浪流复杂环境 d.d.特种操纵装置特种操纵装置 水下潜艇与潜器：水下潜艇与潜器：a a海底复杂环境海底复杂环境 b b强流条件下稳定性与机动性强流条件下稳定性与机动性 c c在多目标或障碍物附近的运动在多目标或障碍物附近的运动 d.d.近水面运动近水面运动 哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 船舶工程学院船舶工程学院学习方法学习方法 1.课堂讲授，做笔记，相关操纵性试验课；课堂讲授，做笔记，相关操纵性试验课；2.完成要求的作业，做完全部的复习思考题；完成要求的作业，做完全部的复习思考题；3.课前要预习，课后要复习。课前要预习，课后要复习。哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 船舶工程学院船舶工程学院参考书参考书1.船舶操纵性船舶操纵性范尚雍，国防工业出版社，范尚雍，国防工业出版社，1988年年2.船舶操纵性船舶操纵性 苏兴翘，国防工业出版社，苏兴翘，国防工业出版社，1989年年3.船舶操纵性船舶操纵性 吴秀恒等编，国防工业出版社，吴秀恒等编，国防工业出版社，2005年年哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学 船舶工程学院船舶工程学院 一、船舶操纵性的概念一、船舶操纵性的概念 二、学习船舶操纵性的意义二、学习船舶操纵性的意义 三、影响船舶操纵性的因素三、影响船舶操纵性的因素 四、良好的操纵性应具备哪些特性四、良好的操纵性应具备哪些特性 答答:应应既能按驾驶者要求，方便、稳定地保持航向、既能按驾驶者要求，方便、稳定地保持航向、航速，又能迅速改变航向、航速，准确地改变地执行航速，又能迅速改变航向、航速，准确地改变地执行各种机动。各种机动。本部分的重要概念和需要理解的主要问题本部分的重要概念和需要理解的主要问题