船舶旋回运动ppt课件.ppt

一船舶回转运动的方程一船舶回转运动的方程达朗贝尔定理： 作用于任意物体上的力与力矩与该物体的惯性力和惯性矩平衡。 假定条件：若船舶仅作平面（三维）回转运动，它所受的力分为非惯性力和惯性力；所受力矩分为非惯性力矩和惯性力矩。 力和力矩的方向：与推力方向相同的纵向力为正（+），相反方向的为负（）；与转舵方向相同的横向力和力矩为正（+），相反方向为负（）。 3.2 船舶回转运动船舶回转运动1船舶所受的非惯性力船舶所受的非惯性力 和力矩和力矩 FM（1）螺旋桨所受的推力 。（2）舵压力 和转船力矩 。 TNPPMsinNxPPcosNyPP（3）船体在某一漂角）船体在某一漂角 下的水动力下的水动力 和转船力矩和转船力矩 RRMsincos21RRRxcossin21RRRyRMlRRlRMyR)cossin(21（4）船体回转运动后出现的阻尼力、阻尼力矩）船体回转运动后出现的阻尼力、阻尼力矩 阻尼力： ， 阻尼力矩： fRaRfRMffaRMaa 综合（1）（4），船舶平面回转运动受到的总的非惯性力及总的非惯性力矩为： sincossin21RRPTRPTFNxxxafNafyyyRRRRPRRRPFcossincos21)()(afRPzMMMMM2船舶产生的惯性力船舶产生的惯性力 和惯性矩和惯性矩 jFjM 船舶回转运动曲线的切线方向上，因速度变化产生： 惯性离心力 惯性力dtdVkw)1 (1RVkw22)1 ( 将惯性力和惯性离心力分解在 、 轴上得： XYsin)1 (sin)1 (cos)1 (sin)1 ()cos()1 (2211221RVkdtdVkdtdVkRVkdtVdkFwwwwwjxcos)1 (cos)1 (sin)1 (cos)1 ()sin()1 (2211221RVkdtdVkdtdVkRVkdtVdkFwwwwwjy绕 轴的惯性矩为： GZdtdkJMmjz)1 (33船舶非定常回转运动时的运动方程船舶非定常回转运动时的运动方程 根据达朗贝尔定理达朗贝尔定理，即： 0jxxFF0jyyFF将以上各式代入并整理得： sin)1 (sin)1 (cos)1 (sincossin221121RVkdtdVkdtdVkRRPTwwwNcos)1 (cos)1 (sin)1 (cossincos221121RVkdtdVkdtdVkRRRRPwwwafNdtdkJMMMMmafRP)1 ()()(3二船舶旋回的运动过程二船舶旋回的运动过程 1机动阶段机动阶段（反向横移内倾阶段）：开始转舵 船首开始转动 运动参数： ， 00,0,0,0,0cfbRRRRR运动方程简化为：dtdkJMRVkPdtdVkRPTmPwNwN)1 ()1 (cos)1 (sin32210运动特征：运动特征： （1）船速下降， ，为负加速度。（2）反向横移，即船舶重心有向操舵相反一侧横移的趋势。 )1 (sin10kRPTdtdVwN ，为负的曲率半径，瞬时回转中心在操舵相反的一侧。 cos)1 (22NwPVkR（3）船首有朝操舵一侧偏转的趋势， ，即回转角加速度为正。（4）船舶朝操舵一侧横倾（内倾）， 舵力位置较船舶重心位置低。 )1 (3kJMdtdmP 2变化阶段变化阶段（过渡阶段、渐变阶段）： 回转运动时起定常旋回时止 运动参数运动参数：船舶初始漂角很小,所以 ， , 。运动方程简化为： 01cos0sindtdkJMMRVkdtdVkRPdtdVkRPTmRPwwNwN)1 ()1 ()1 (cos)1 (sin3221210运动特征： （1）船速继续下降， ，仍为负加速度。 )1 (sin10kRPTdtdVwN（2）船舶加快向操舵一侧偏转。 ，即回转角加速度仍为一正值且比机动阶段要大。水动力转船力矩仍大于回转阻矩。 )1 (3kJMMdtdmRP（3）船舶重心由反向横移变为正向横移。 因为： RkVkVkRPVkRVkRPdtdwNwwN)1 ()1 ()1 (cos)1 ()1 (cos12121222（4）船体由内倾变为外倾。）船体由内倾变为外倾。 由于船舶作回转运动，船体这个机翼体斜航时受到水动力 的作用；另外船舶回转时产生了惯性离心力和船体自身的惯性力，其合力为 ；这两个力都是有助于船舶外倾的，而且作用力矩较大。舵压力的分量 是阻碍船舶外倾的，但作用力矩较前二者为小。各力的作用点不在同一平面上，综合作用使得船舶由内倾变为外倾。 yRjyFyP船舶回转后，出现了水阻尼力 、 ，当 时， ， ，船舶就做匀速定常回转运动，即进入了下一阶段稳定阶段（定常旋回steady turning阶段）。 fRaR)()(afRPMMMM0dtdconst3稳定阶段稳定阶段（圆航阶段）： 船舶作圆周运动时起运动参数： ， ， ； ， ， ， 0dtd0dtdV0dtdntcosconstV constconstR 运动方程简化为： afRPwafNwNMMMMRVkRRRRPRVkRRPTcos)1 (cossincossin)1 (sincossin22212221运动特征：（1）船舶以一定的漂角 作匀速圆周运动，即 ， ；（2）船舶处于相对稳定的外倾状态。 constV const三旋回圈（三旋回圈（turning circle）及其要素）及其要素 船舶旋回圈船舶旋回圈船舶全速、满舵作回转运动时，船舶重心重心的运动轨迹。旋回圈几何特征旋回圈几何特征：最初重心除继续前移外，同时反向横移；随后变成瞬时曲率半径 逐渐减小的螺旋线；当航向改变量 之后，进入定常回转运动，曲率半径 为定值。 1R0012090R1纵距纵距（进距）Advance ： dATdDA)2 . 16 . 0( 指船舶自操舵起，至航向改变某一角度时止重心所移动的纵向距离。通常，旋回资料中的纵距，特指当航向改变通常，旋回资料中的纵距，特指当航向改变900时重心时重心沿原航向的纵向移动距离。沿原航向的纵向移动距离。 纵距的大小可以用来表征船舶回转性和跟从性， ，即回转性好；船舶在操舵后进入新的稳定运动状态快，即跟从性好。 操纵应用：两船的纵距之和可以用来推算对遇时的最晚施舵点。 最大纵距： 小小DAdmaxdA2横距横距Transfer ： 指船舶自操舵起，至航向改变某一角度时止重心所移动的横向距离。通常，旋回资料中的横距，特指当航向改变通常，旋回资料中的横距，特指当航向改变900时重心时重心横向移动距离。横向移动距离。 最大横距： rTTrDT5 . 0maxrT3反移量反移量（偏距）kick （亦记作 ）：船舶重心在操舵后向操舵相反方向横移的最大距离。 KkL当满舵操纵后船首偏转一个罗经点左右的时刻：重心处， ；船尾处stern kick， 。LK %1LLK10151KVs,（1）航行中有人落水，立即在落水处操同侧舵，船尾由于kick作用，向外侧摆出，使螺旋桨不致伤害落水人员。（2）在航行中发现前方近距离内有障碍物（如小船），先采用小角度避航（或采用大舵角避航），当估计船首已能让过时，立即用大舵角取反舵，从而使船尾受kick影响，向外侧摆出，即可安全避开障碍物。 反移量在操纵中的应用：（3）在两船相遇中，由于两船距离很近，若两船同时操舵避让，两船可能突然靠拢而发生碰撞，这正是两船同时产生反横距的结果。（另外还有船吸作用）（4）在横移驶靠码头（或他船）时，在靠离泊作业及避碰时，应充分利用kick。（5）内河船在狭窄航道中回转时，反横距也是一个重要参数。 亦称战术直径，是军舰回转性的重要指标。是指从操舵开始到船舶航向转过1800时重心所移动的横向距离。 TDLLDT634旋回初径旋回初径（tactical diameter）5（定常）旋回直径（定常）旋回直径（final diameter） ： ，是指船舶作定常旋回时重心轨迹圆的直径。 DRD2TDD)2 . 19 . 0(判断回转性的好坏，可以依据： 民用船较好， ；驱逐舰较差， 。 LD相对回转直径73LD10LD6滞距滞距（reach）：eRO 滞距 表示操舵后到船舶进入旋回的滞后距离，是衡量船舶舵效的标准之一。 操纵应用：两船对遇时的距离小于两船的滞距之和，则用舵无法避让。 eR亦称进程，是船舶重心至定常旋回中心 的纵向距离。四描述船舶旋回运动状态的运动要素四描述船舶旋回运动状态的运动要素 1漂角漂角 （drift angle） 漂角与船舶旋回性能的关系：经验值：一般海船， ；内河船舶 超大型船舶， ；商船最大舵角深水中 旋回直径旋回性漂角001530max180max200max202转心转心 （Pivoting point） P 随着船舶旋回进程 。因为 ，所以： ，即转心 向前移动；船舶回转性越好，则 越大， 点越靠近船首。 船舶进入定常旋回时， ，转心 点逐渐稳定于某一点，大约在船首柱后 （或重心前 ）。 因为转心 在重心之前，靠近船首，所以船首处横向分速小，船尾处横向分速大，从而出现“首动一尺，尾动一丈”的现象。 sinRGP GPPPCPL)5131(L)3161(P 船舶后退中回转时，转心 在重心 之后； 内河中船舶上水（下水）时：船首顺流转向，转心位置后移甚至于在重心之后；船首逆流转向，转心 位置前移甚至于在首柱之前。 拖轮协助调头或转向时：若拖轮在船中前顶推或拖拉助转，则转心位置后移； 若拖轮在船中后顶推或拖拉助转，则转心位置前移。 GP3旋回中的降速旋回中的降速 船速下降推进效率降低螺旋桨工况变化桨推力的分力大大消耗了螺旋特别是离心力前进方向舵阻力增加时阻力增大角存在船体斜航,)(n影响减速的因素： 减速越显著回转性能stTVVLD定常旋回时的船速； 操舵前的船速。 tVsV4回转中的横倾回转中的横倾（list） （1）内倾：内倾角较小，持续时间较短。）内倾：内倾角较小，持续时间较短。 横倾力矩： ，稳性力矩： 2cos1GPPMNt1GMgMws所以内倾角： GMgGPPwN2cos1（2）外倾）外倾 最大的外倾角 （ ， ），达到 后，船舶摇摆12次，最后稳定在某一定常外倾角 上。 max2为定常外倾角,)5 . 12 . 1 (max2越大操舵时间越短max2max2影响定常外倾角 大小的因素： GMDVTs,经验数据：一般货船静水中满舵旋回时， ； 高速船，当 时， 。 0053knVs30001412（3）最大横倾与倾覆的危险）最大横倾与倾覆的危险 由内倾外倾时，最大外倾角 （又称动倾角）较大，有时可达定常外倾角 （又称静倾角）的2倍以上。 max2为防止转舵时产生过大的横倾角，可采取以下措施为防止转舵时产生过大的横倾角，可采取以下措施：a. 降低船速，缓缓操舵，小舵角回转，尽量增大回降低船速，缓缓操舵，小舵角回转，尽量增大回转直径；转直径；b. 防止重货装在高处，力求合理的防止重货装在高处，力求合理的 值，注意自由值，注意自由液面和货物移动的影响；液面和货物移动的影响；c. 正确选择操舵时机，避免风浪等外力产生的横倾正确选择操舵时机，避免风浪等外力产生的横倾力矩与舵产生的最大横倾力矩相互叠加。力矩与舵产生的最大横倾力矩相互叠加。 GM5旋回时间旋回时间：船舶旋回3600所需的时间。 影响因素：影响因素： 。经验数据：万吨级船舶，快速满舵旋回一周，约需要经验数据：万吨级船舶，快速满舵旋回一周，约需要6 min，大型船舶约需，大型船舶约需12 min。 旋回时间船舶排水量五影响旋回圈大小的因素五影响旋回圈大小的因素 1方型系数方型系数 （block coefficient） bC旋回圈旋回性 ,bC2船体水线下侧面积形状及分布船体水线下侧面积形状及分布 水线下船首侧面积较大（有球鼻首或船尾比较瘦削） 旋回中的阻尼力矩较小旋回性好， 旋回圈小，但航向稳定性差； 水线下船尾部面积较大（船尾有钝材或船首比较削进cut up） 旋回中的阻尼力矩较大旋回性差， 旋回圈大，但航向稳定性好 3舵角舵角 当 时， ； sD4操舵时间操舵时间 dAt操舵时间规定参数规定参数：船舶在最大吃水和最大营运船速前进时，将舵自一舷350另一舷350，并且自任何一舷350转至另一舷300的时间应不超过28s。 5舵面积系数舵面积系数 ：即舵面积比（rudder area ratio） dLAPPR根据巴士裘宁公式：旋回圈直径： 10102LAdLDRD所以： 舵面积比的大小在降低旋回初径方面存在一最佳值。舵面积比的大小在降低旋回初径方面存在一最佳值。 6船速船速 在一般商船速度范围内，傅汝德数 ，船速对旋回初径的影响很小； 3 . 018. 0rF当船速降低，使 时， ；当船速增加，使 时， 。 18. 0rFTsDV3 . 0rFTsDV7吃水吃水 dTrdDTAGdd,初始旋回减慢点竖轴的转动惯量通过相应于舵力的旋回阻矩舵力转船力矩8吃水差吃水差 D尾倾D首倾9横倾横倾：总体来讲对 的影响不大。 DA低速时： 船首向低舷侧偏转起主要作用推力转矩阻力在同一条线上与螺旋桨推力作用线不侧横移水动力作用中心向低舷两侧所受水动力不等左右浸水面积不等船体横倾)(,所以，低速时，操舵向低舷侧旋回，则所以，低速时，操舵向低舷侧旋回，则 较小；较小； DB高速时：船首向高舷侧偏转起主要作用首波峰压力转矩即舷侧的横向力转矩两舷压力差产生指向高侧低舷船首兴波大于高舷舷侧丰满低舷侧的浸水面积较高),(D所以，高速时，操舵向高舷侧旋回，则所以，高速时，操舵向高舷侧旋回，则 较小；较小；10浅水影响浅水影响 D,旋回性浅水中阻尼力矩舵力转船力矩浅水中舵力漂角浅水中横向阻力DdhDdh2 . 1;5 . 111螺旋桨转动方向螺旋桨转动方向 右旋单车船，在船舶前进中， 、 均致首右偏 WTRST向左旋回向右旋回DD12其它因素其它因素 D污底越多dA顶风顶流dA顺风顺流