1、船舶值班、操纵与避碰,主讲：卜仁祥,20082009学年,课程简介,课程包括： 船舶操纵 船舶值班与避碰 雷达标绘 适任考试 船舶值班与避碰972： 避碰：75% 值班：15% 操纵：7-8% 定线：2-3%,船舶操纵绪论,概述 船舶操纵运动学参数 船舶操纵动力学参数 船舶阻力与推进,船舶操纵概述,船舶操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,船舶操纵概述,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
2、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，船舶操纵人员力又求使船舶及时改变航向。 改变船速(Speed changing)。 当船舶进出港口、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。,船舶操纵概述,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
3、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。,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。,船舶操纵设备,操纵设备主要包括舵和推进器： 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
4、船。,船舶操纵设备,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。,船舶操纵特点,惯性大，缓变系统 控制输入较小 欠驱动特性：控制输入的维数小于被控自由度维数（dof），例如，控制输入：车、舵；被控坐标：横向位移y1，航向角和纵向位移x1,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。,任务要求,了解船舶（船体）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
5、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 特殊环境下的操船-完善操纵装置 提高操纵人员的水平,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。,船舶操纵运动学参数,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
6、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。,运动坐标系,the earth-fixed and body-fixed frames (SNAME1950),运动坐标系,船舶6个自由度的运动 三个平动： x轴：u, surging （前进）y轴：v, swaying （横移） z轴：w, heaving（升沉） 三个转动： x轴：p, rolling （横摇） y轴：q, swaying （纵摇）z轴：r, yawing （首摇）,3 degrees of freedom Surge; Sway; Yaw. 2 actuators Thruster Rud
7、der,平面运动,船舶操纵运动学参数,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)， 一般用V表示。,船舶操纵运动学参数,航向与转动角速度 航向角是指在水平面内船舶的首尾线与固定坐标系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。,船舶操纵运动学参数,船速 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。 船速是指船舶相对于水的运动速度，一般用符号U 表示。,船舶操纵运动学参数,漂
8、角 漂角是指船体上一点的船速矢量与船舶首尾线之间的交角； 漂角一般指船舶重心处的漂角，用符号 表示，左舷为负，右舷为负，是衡量船舶运动状态的重要参数。,船舶操纵运动学参数,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”。,船舶操纵运动学参数,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
9、因素。 船舶定常旋回时，一般转心位于船首之后约1/3 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，首倾时，转心前移。,船舶操纵运动学参数,船舶平面运动的特征 船舶转心点只有平动，没有转动； 船长方向各点的漂角方向和大小各不相同； 船上各点在同一时间内转过的圆弧长度不同； 船舶各点在同一时间内绕轴转动的角速度相等；,船舶操纵动力学参数,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，受到外力作用的船舶的平面运动规律可以表示为,船舶操纵动力学参数,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
10、程转换成动坐标系中船舶运动方程； 坐标变换,船舶操纵动力学参数,船舶操纵运动方程 忽略流向流速随时间的变化，经过求导变换可得动坐标系中船舶运动方程：,船舶操纵动力学参数,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。,船舶操纵动力学参数,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；,船舶操纵动力学参数,惯性力及惯性力矩 将惯性力及惯性力矩放
11、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，称为附加质量。 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，称为附加惯性矩。,船舶操纵动力学参数,惯性力及惯性力矩 模型实验时 ，科氏力很难分离； 附加质量及附加惯性矩，分别记作-mx、-my、-Jzz 惯性水动力项写成：,船舶操纵动力学参数,船体水动力及水动力矩 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
12、虚惯性矩。,船舶操纵动力学参数,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：,船舶操纵动力学参数,船体水动力及其表达式 船体水动力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； 纵向分量X H是纵向水动力；而横向分量Y H 为船舶横向水动力。 习惯上，将X H称为船舶阻力，而Y H称为水动力。,船舶操纵动力学参数,船体水动力及其表达式 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,船舶操纵动力学参数,船体水动力及其表达式 水动力角的大小取决于横向
13、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。,船舶操纵动力学参数,船体水动力及其表达式,船舶操纵动力学参数,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0 180时，水动力角一般接近正横方向(90左右)； 当漂角 0，即船舶向前直航时，水动力角 0，这种情况下船舶水动力为船舶直航阻力；当漂角 90，即船舶横向移动时，水动力角 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；当漂角 180时，水动力角 180，即船舶受力为后退
14、阻力。,船舶操纵动力学参数,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W x 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W x 为漂角的函数，随漂角 的增大而逐渐向后移动。,船舶操纵动力学参数,水动力中心与漂角 船舶平吃水时，当漂角为0，即船舶向前直航时， W x 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； 当漂角为90，即船舶对水横向移动时， W x0，即水动力中心在船中附近； 当漂角为180，即船舶后退时， W x -0.25 L ，即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。
15、 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。,船舶操纵动力学参数,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，它还会对船舶产生力矩，该力矩称为水动力矩； 给定船型，水动力矩的大小与船速和漂角有关。,船舶操纵动力学参数,水动力与水动力矩系数 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
16、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，它们为漂角的函数。,船舶操纵动力学参数,水动力系数,船舶操纵动力学参数,水动力矩系数,船舶操纵动力学参数,影响船体水动力的因素 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、CB 船舶的运动特征 速度、加速度 角速度、角加速度 航行水域的几何特征 宽度、水深与吃水比、航道的边坡,船舶阻力与推进,船舶阻力船舶推进 螺旋桨推力,本节要点,船舶运动学参数 漂角、转心、航向角、速度、角速度。 船舶平面运动的特征 船舶操纵动力学参数 运动方程 船体水动力及水动力矩 水动力角与漂角、水动力作用中心 影响船体水动力的因素 船舶的几何特征、船舶的运动特征、航行水域的几何特征,
