船舶操纵性第0章绪论.ppt

Harbin Engineering University,哈尔滨工程大学 船舶工程学院,本科生专业基础理论课程,船舶操纵性,哈尔滨工程大学 船舶工程学院,绪言,一、船舶操纵性的概念,船舶操纵性:是指船舶借其控制装置来改变或保持其运动速率、姿态和方向的性能。,船,舵 螺旋桨,速率姿态方位,启动、加速、减速、停车 保持航向、航迹、位置 回转、规避,良好的操纵性包括两个方面：,方便、稳定地保持（稳定性） 迅速、灵活地改变（机动性）,哈尔滨工程大学 船舶工程学院,学习船舶操纵性的目的意义：,船舶的重要性能分为：,快速性 稳性 耐波性 操纵性 抗沉性,船舶的重要 性能之一,（1）操纵性好的船在战斗中可以灵活地运动，占据有利阵位，发扬火力，打击敌人和规避敌人火力的攻击。 （2）航向稳定性不好的船在航行中容易左右偏航，增加航行阻力和航程、从而增加油耗和延长航行时间。 研究船舶操纵性的目的：掌握船舶操纵运动规律，建立船舶操纵性标准和完善的操纵性计算、试验方法，研究船形等对操纵性的影响，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：,哈尔滨工程大学 船舶工程学院,现代海运的特点： a航行密度大； b航行速度高； c船舶大型化、专门化； d操纵性计算书和试验报告已成为船舶必备的重要文件； e“船舶操纵性标准的制定”（国际海事组织IMO）。,操纵困难、事故频繁、损失巨大，因操纵性原因而导致碰撞和触礁的约占失事船总吨位的48%,哈尔滨工程大学 船舶工程学院,人类利用各种操纵装置来控制船舶的运动已经有很长的历史（公元前我国劳动人民就已学会使用舵）。但是，船舶操纵正式成长为一门学科还是很年轻的。 剡木为楫： 篙、桨、橹： 舵：在帆船时代有了舵甚至可以逆风航行，19世纪后，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,哈尔滨工程大学 船舶工程学院,哈尔滨工程大学 船舶工程学院,摇橹,哈尔滨工程大学 船舶工程学院,在中国人发明了船尾舵后的很长时间内，船舶操纵技术和舵设计主要根据经验，很少进行理论分析。直至1860年，船舶操纵性设计还局限于选择舵的尺寸和形状，并把舵布置于船首及船尾长度当作船宽的函数，这一原则在20世纪的拖船舵设计中仍在应用。 1860年开始实船及模型回转试验研究船舶的操纵性。 1912年，W.Hovgaard绘制了根据船、舵主尺度即可确定定常回转直径所必需的系数图谱。,试验研究方面：,哈尔滨工程大学 船舶工程学院,1944年，Kemf（肯普夫）提出用Z形操舵试验结果来评价船舶操纵性。 1952年，Diedene(迪唐纳)提出了螺旋桨试验，后由Bech(比奇)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。 旋臂试验：20世纪40年代末50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。,试验研究方面：,哈尔滨工程大学 船舶工程学院,50年代末，Gortler和Goodman设计出了约束船摸的试验设备平面运动机构。 类型： 水平型、垂直型 特点： 小振幅线性水动力 大振幅线性与非线性水动力,试验研究方面：,哈尔滨工程大学 船舶工程学院,理论研究方面： J. Pollard和A. Dudebout在他们1885年著作船舶原理中提出船舶回转运动。1922年N.Minorsky发表了题为“自动操纵物体的航向稳定性”一文。 德国人W. Kucharshi 在1932年发表的“关于船舶操纵性理论”一文是把船舶当作机翼来处理的首批文章。随后，1938年，Weinblum（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。 1939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。,二、船舶操纵性研究的发展过程,哈尔滨工程大学 船舶工程学院,理论研究方面： 1946年，Davidson（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。 1967年，Abkowitz(阿伯科维兹)严格推导了整体型方程，并以Taylor级数表示，将船、桨、舵作为一体来考虑。 1977年，日本人提出MMG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。,二、船舶操纵性研究的发展过程,哈尔滨工程大学 船舶工程学院,随着计算机的进步，船舶操纵性的数值预报有了很大发展，一方面用于船体水动力的计算，一方面用于运动仿真，主要有： 1、船舶操纵性预报：用于预报操纵性能，从而为缩短设计周期、节约资金走出了一条新路。 2、船舶运动模拟器：成为开发运动控制系统的有利工具。 3、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。,数值计算研究方面：,哈尔滨工程大学 船舶工程学院,三、影响船舶操纵性的因素：,1、船型 船体水动力 船舶操纵性,阻力（矩） 惯性力（矩） 附加惯性力（矩）,如船体受到的水动力大，则改变位置或速度就较困难,常规船型，瘦长，肥大型等等，为了适应不同需要发展起了各种船型：如水翼船，气垫船，掠海地效翼船型 ，小水线面船型 ，穿浪双体船型 ，多体船型 ， 三体船 ，四体船 ，五体船型 等,哈尔滨工程大学 船舶工程学院,沙船在唐代出现于江苏崇明，它在宋代称“防沙平底船”，在元代称“平底船”，到了明代则通称“沙船”。它的载重量很大，一般为4000石到6000石（约合500吨到800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。 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时期，因此，沙船的船型已有2000多年历史了。而西方，直到公元19世纪出现钢、铁船舶以后，才采用这一先进的船型设计。,古代最先进的船型设计：,哈尔滨工程大学 船舶工程学院,哈尔滨工程大学 船舶工程学院,哈尔滨工程大学 船舶工程学院,哈尔滨工程大学 船舶工程学院,哈尔滨工程大学 船舶工程学院,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 推进器：敞式推进器、导管推进器 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。,哈尔滨工程大学 船舶工程学院,制作好的舵,装上船舵后的效果,舵：,哈尔滨工程大学 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。它垂直地浸没在水中，并能绕舵轴转动。,舵对船舶操纵性的作用,哈尔滨工程大学 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。在大海里任凭风浪摆布。,舵对船舶操纵性的作用,哈尔滨工程大学 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中运动方向的专用设备。 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； 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,哈尔滨工程大学 船舶工程学院,敞式螺旋桨推进器,哈尔滨工程大学 船舶工程学院,导管螺旋桨推进器,哈尔滨工程大学 船舶工程学院,槽道螺旋桨推进器,哈尔滨工程大学 船舶工程学院,显示仪,驾驶仪,设定 航向 指令,船,舵机,舵,航向 误差,舵角 指令,舵角,舵的 水动力,实际 航向,反馈的航向信号,反馈的舵角信号,航向自动驾驶系统的组成,哈尔滨工程大学 船舶工程学院,四 、船舶操纵性目前的研究方向,水面船： a浅水效应 b窄航道 c风浪流复杂环境 d. 特种操纵装置,水下潜艇与潜器： a海底复杂环境 b强流条件下稳定性与机动性 c在多目标或障碍物附近的运动 d. 近水面运动,哈尔滨工程大学 船舶工程学院,学习方法,1. 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； 3. 课前要预习，课后要复习。,哈尔滨工程大学 船舶工程学院,参考书,1. 船舶操纵性范尚雍，国防工业出版社，1988年 2.船舶