第四章自由自航船舶操纵性试验-船舶运动学教学课件-PPT课件.ppt

1、 第四章第四章 自由自航船舶操纵性试验自由自航船舶操纵性试验自由自航船舶操纵性试验自由自航船舶操纵性试验自由自航船舶操纵性试验回转试验回转试验螺线与逆螺线与逆螺线试验螺线试验Z Z试验试验回舵试验回舵试验自航模试验尺度作用自航模试验尺度作用 操操 纵纵 性性 衡衡 准准试验步骤数据处理试验步骤操纵特征曲线试验操作结果分析试验步骤K、T分析 船舶操纵性试验船舶操纵性试验 目的-求取船舶操纵性衡准及各运动要素，从求取船舶操纵性衡准及各运动要素，从而评价操纵性优劣。而评价操纵性优劣。实船实船 船模船模自航模约束模回转试验回转试验 螺旋与逆螺旋试验螺旋与逆螺旋试验Z Z 型操舵试验型操舵试验所测数据所

2、测数据代表各项代表各项流体动力流体动力综合影响综合影响直线拖曳试验直线拖曳试验 位置导数位置导数悬臂试验悬臂试验 回转导数回转导数平面运动机构试验平面运动机构试验 加速度导数加速度导数 在约束模试验中，通过各专门装置强迫船模进行精确控制下在约束模试验中，通过各专门装置强迫船模进行精确控制下的运动，每次可变换一个参数，令其他参数为零，可分别求得的运动，每次可变换一个参数，令其他参数为零，可分别求得此单一参数下的流体动力（力矩）导数此单一参数下的流体动力（力矩）导数第九章垂直平面运动机构水平面运动机构水平面运动机构PMM TEST(平面运动机构试验）平面运动机构试验）回转臂水池回转臂水池-中国船舶

3、研究中心绪绪 论论 在前几章中，我们基于线性操纵运动方在前几章中，我们基于线性操纵运动方程，分析了船舶程，分析了船舶航向稳定性航向稳定性和和回转性回转性，以及，以及对操舵的对操舵的转首响应特性转首响应特性，若能知道数学模型，若能知道数学模型中的系数，就能确定其响应运动及其有关的中的系数，就能确定其响应运动及其有关的操纵特性。这是操纵性研究的操纵特性。这是操纵性研究的理论方法理论方法。此。此外，也常采用外，也常采用试验方法试验方法进行研究。进行研究。理论方法：理论方法：绪绪 论论 实船和无线电遥控自航船模操纵性试验均实船和无线电遥控自航船模操纵性试验均属无约束的属无约束的自由自航试验自由自航试验

4、。在操纵性试验中，。在操纵性试验中，可以直接测得各种运动参数，能较直观地分析可以直接测得各种运动参数，能较直观地分析比较船舶的操纵性能，长期以来被广泛应用。比较船舶的操纵性能，长期以来被广泛应用。目前为止，操纵性试验方法有很多，主要目前为止，操纵性试验方法有很多，主要有：有：回转试验回转试验、螺线及逆螺线试验螺线及逆螺线试验、回舵试验回舵试验、Z形试验形试验、变首向试验变首向试验、频率响应试验频率响应试验、以及关、以及关于于启动、停车、倒退启动、停车、倒退等专门试验等专门试验。试验方法：试验方法：第四章第四章 自由自航船舶操纵性试验自由自航船舶操纵性试验第一节第一节 回转试验回转试验第一节第一

5、节 船舶回转试验船舶回转试验回回 转转 试试 验验求船舶的回转要素。其中包括：求船舶的回转要素。其中包括：进距进距 Ad（advance）横距横距 Tr （transfer）回转初径回转初径 DT（tactical diameter）回转直径回转直径 D （final diameter）滞距滞距 Re（reach）回转时间回转时间 T （time）回回 转转 试试 验验1.试验目的试验目的回回 转转 试试 验验 步骤步骤回回 转转 试试 验验回回 转转 试试 验验回回 转转 试试 验验回回 转转 试试 验验回回 转转 试试 验验 把记录的船速和首向角以时间为横坐标绘成把记录的船速和首向角以时间

6、为横坐标绘成 下图的所示形式，对测量值进行初步的校下图的所示形式，对测量值进行初步的校核。核。回回 转转 试试 验验（2 2）按式按式 ，以枢心代替重心，计，以枢心代替重心，计 算枢心算枢心P的轨迹。枢心速度计程仪在的轨迹。枢心速度计程仪在X方向的方向的 速度，枢心处航速角就等于首向角。速度，枢心处航速角就等于首向角。P点为：点为：回回 转转 试试 验验（3）对上式积分采取梯形法进行近似计算，然后）对上式积分采取梯形法进行近似计算，然后 根据计算结果来绘制枢心轨迹，如图所示：根据计算结果来绘制枢心轨迹，如图所示：回回 转转 试试 验验（4 4）假定枢心）假定枢心P P位于重心前位于重心前0.4

7、L0.4L处：处：。然后在枢心的每个轨迹点处画上船体的首尾线，然后在枢心的每个轨迹点处画上船体的首尾线，如图所示，在每条首位线上求出重心如图所示，在每条首位线上求出重心G G的位置，的位置，绘出重心轨迹绘出重心轨迹回转圈。回转圈。回回 转转 试试 验验（5 5）根据上述所得的回转圈量取各回转要）根据上述所得的回转圈量取各回转要 素，并算出素，并算出K K、T T指数。请参照下图：指数。请参照下图：回转圈及其要素回转圈及其要素AdmaxTrAdDTTrmaxreachDStern kickGGGGGGG武汉理工大学船模操纵性水池长武汉理工大学船模操纵性水池长80m，水面宽，水面宽60m，最大水深

8、，最大水深1.5m，池底平整可做深浅水自由自航船模操纵性试验，拥有计算机，池底平整可做深浅水自由自航船模操纵性试验，拥有计算机数据实时采集显示处理系统。数据实时采集显示处理系统。.武汉理工大学武汉理工大学深浅两用露天船模操纵性水池深浅两用露天船模操纵性水池双双RTK的的GPS船船模运动轨迹实时模运动轨迹实时摇测系统，可实摇测系统，可实时测量船舶运动时测量船舶运动的轨迹、航速、的轨迹、航速、漂角。综合分析漂角。综合分析可得出船舶的操可得出船舶的操纵性指数、倒航纵性指数、倒航操纵性。操纵性。船舶回转性船舶回转性-影响回转圈大小的因素影响回转圈大小的因素 1 1、水线下的船型因素、水线下的船型因素方

9、型系数方型系数：C Cb b越大，回转性越好，回转圈越大，回转性越好，回转圈也越小也越小 ；水线下侧面积水线下侧面积：首部多有利于减小旋回圈，：首部多有利于减小旋回圈，尾部多有利于提高航向稳定性尾部多有利于提高航向稳定性 ；舵面积比舵面积比：船舶回转性船舶回转性-影响旋回圈大小的因素影响旋回圈大小的因素 2 2、船舶的吃水状态、船舶的吃水状态 吃水吃水：吃水较大的满载船进矩将有较大增长。旋：吃水较大的满载船进矩将有较大增长。旋回初径和横矩有某种程度的降低；回初径和横矩有某种程度的降低；纵倾纵倾：首倾每增加：首倾每增加1%L1%L，旋回初径，旋回初径 D DT T可减小可减小10%10%左右；尾

10、倾每增加左右；尾倾每增加 1%L1%L，旋回初径，旋回初径 D DT T则增加则增加10%10%左右；左右；空船与满载时的旋回圈大小相差不多空船与满载时的旋回圈大小相差不多 横倾横倾：总的来说，横倾对旋回圈影响不大。：总的来说，横倾对旋回圈影响不大。3 3、操船方面的影响、操船方面的影响舵角舵角：一般操：一般操15 15 舵角与满舵相比，舵角与满舵相比，D DT T将增加到将增加到130%170%130%170%，而掉头时间则可能增加到，而掉头时间则可能增加到140%140%左右；左右；操舵时间操舵时间：自一舷：自一舷3535转至另一舷转至另一舷3030应不超过应不超过15s;15s;船速船速

11、：船速越快，回转时间大大缩短，而：船速越快，回转时间大大缩短，而D DT T影响影响小。小。船舶回转性船舶回转性-影响旋回圈大小的因素影响旋回圈大小的因素4 4、外界环境的影响、外界环境的影响浅水浅水：回转圈随着水深的变浅而逐渐增大：回转圈随着水深的变浅而逐渐增大。当水深与吃水之比小于。当水深与吃水之比小于2 2时，旋回圈将明显时，旋回圈将明显增大。增大。污底和风流污底和风流：污底越多摩擦阻力增加，旋：污底越多摩擦阻力增加，旋回圈变大，但影响很小。顶风顶流将使纵矩回圈变大，但影响很小。顶风顶流将使纵矩减小。减小。船舶回转性船舶回转性-影响回转圈大小的因素影响回转圈大小的因素第四章 自由自航船舶

12、操纵性实验第二节第二节 螺线试验与逆螺线试验螺线试验与逆螺线试验螺线试验与逆螺线试验螺线试验与逆螺线试验螺线试验与逆螺线试验螺线试验与逆螺线试验u (1)u (2)(3)螺线试验与逆螺线试验螺线试验与逆螺线试验图图1 1 具有航向稳定性的船舶具有航向稳定性的船舶图图2 2 航向不稳定的船舶航向不稳定的船舶abcd 操纵性特征曲线操纵性特征曲线螺线试验与逆螺线试验螺线试验与逆螺线试验螺线试验与逆螺线试验螺线试验与逆螺线试验螺线试验与逆螺线试验螺线试验与逆螺线试验螺线试验与逆螺线试验螺线试验与逆螺线试验螺线试验与逆螺线试验螺线试验与逆螺线试验 摘自例螺线试验：开始舵角35度，直到反向舵角。初始：u

13、=Vs，v=0，r=0分别左右两舷回转，每舷试验时间4小时 利用操纵性曲线求回转性指数利用操纵性曲线求回转性指数K回转性指数回转性指数K是定常回转角速度与舵角之比其无因次形式：是定常回转角速度与舵角之比其无因次形式：即即K表征了曲线表征了曲线 上每一点的斜率上每一点的斜率它与它与有关。有关。曲线并非直线，曲线并非直线，其斜率不是常数。其斜率不是常数。曲线在原点的斜率即线性理论曲线在原点的斜率即线性理论K值。值。平均平均K采用相应舵角范围内的射线近似采用相应舵角范围内的射线近似 曲线曲线 ，以该射线的斜率来表示，以该射线的斜率来表示K值。值。螺线试验缺点：螺线试验缺点：l 需平静海面需平静海面l

14、 很大的面积很大的面积l 很长的时间很长的时间逆螺线试验逆螺线试验 逆螺绝试验测得的参数与螺逆螺绝试验测得的参数与螺线试验是一样的，故试验结果线试验是一样的，故试验结果的表达方式皆相同。的表达方式皆相同。对不具有直线运动稳定性的对不具有直线运动稳定性的船舶，逆螺线试验曲线与螺线船舶，逆螺线试验曲线与螺线试验曲线略有不同。试验曲线略有不同。利用利用r 对对的单位对应关系。的单位对应关系。即可求出迟滞回线内的即可求出迟滞回线内的 S形曲线。形曲线。可见可见 r曲线原点处的曲线原点处的斜率斜率 是是 正值，如图所示。正值，如图所示。逆螺线试验逆螺线试验第四章第四章 自由自航船舶操纵性实验自由自航船舶

15、操纵性实验第三节第三节 回回 舵舵 试试 验验回回 舵舵 试试 验验回回 舵舵 试试 验验回回 舵舵 试试 验验回回 舵舵 试试 验验回回 舵舵 试试 验验回回 舵舵 试试 验验第四章第四章 自由自航船舶操纵性实验自由自航船舶操纵性实验第四节第四节 Z 形形 操操 舵舵 试试 验验Z 形形 操操 舵舵 试试 验验Z 形形 操操 舵舵 试试 验验Z 形形 操操 舵舵 试试 验验First Overshoot AngleZ Z形操纵试验结果形操纵试验结果Second Overshoot AngleZ 形形 操操 舵舵 试试 验验Z 形形 操操 舵舵 试试 验验Z 形形 操操 舵舵 试试 验验超越角

16、超越角Z 形形 操操 舵舵 试试 验验Z 形形 操操 舵舵 试试 验验6个特征点(t2)=1(t4)=2(t6)=3)0()()()(642tttZ 形形 操操 舵舵 试试 验验KZ 形形 操操 舵舵 试试 验验Z 形形 操操 舵舵 试试 验验Z 形形 操操 舵舵 试试 验验Z 形形 操操 舵舵 试试 验验第四章第四章 自由自航船舶操纵性实验自由自航船舶操纵性实验第五节第五节 自航模试验的尺度作用自航模试验的尺度作用自航模试验的尺度作用自航模试验的尺度作用1）.自航船模与实船保持几何形状相似。2）.保持无因次速度、加速度参数相等。3）.满足傅汝德数Fn相等，但是无法满足雷诺数Rn相等。自航模试

17、验的尺度作用自航模试验的尺度作用 船舶操纵运动是船船舶操纵运动是船体、桨、舵三者的组合体、桨、舵三者的组合作用，包括了三者单独作用，包括了三者单独的尺度效应以及相互干的尺度效应以及相互干扰作用。因此成为了一扰作用。因此成为了一个复杂的难题。个复杂的难题。自航模试验的尺度作用自航模试验的尺度作用 ITTC ITTC认为：瘦长船型，船模试验结果与实认为：瘦长船型，船模试验结果与实船性能大致吻合，反之，肥大船型的尺度作用船性能大致吻合，反之，肥大船型的尺度作用显著。螺线与逆螺线试验中大舵角一致性良好，显著。螺线与逆螺线试验中大舵角一致性良好，5 5以下小舵角则有明显差异。以下小舵角则有明显差异。Z形

18、试验结果，形试验结果，有的情况一致好，有的比较差。有的情况一致好，有的比较差。为了平衡船模过大的摩擦阻力，必须提高为了平衡船模过大的摩擦阻力，必须提高螺旋桨的负荷，以致船模尾部形成强尾流，而螺旋桨的负荷，以致船模尾部形成强尾流，而提高了舵的转船力矩和舵的阻尼。提高了舵的转船力矩和舵的阻尼。实船和船模Z型操舵试验比较 例例:肥大油船的尺度作用肥大油船的尺度作用对于方形系数对于方形系数CB0.8，LB6.0的尾部肥胖的尾部肥胖的船型，如超级油船等，的船型，如超级油船等，试验发现，这类船舶存试验发现，这类船舶存在者在者“异常现象异常现象”，即在小舵角操舵运动，即在小舵角操舵运动，船模比实船过于稳定。

19、船模比实船过于稳定。船模试验表明是有直线船模试验表明是有直线运动稳定性的，而实船运动稳定性的，而实船试验不具有稳定性。试验不具有稳定性。肥大油船的尺度作用肥大油船的尺度作用 原因原因:异常尺度现象的发生表明船模尾部的流场异常尺度现象的发生表明船模尾部的流场与实船的不同，由于船模雷诺数较低，因与实船的不同，由于船模雷诺数较低，因此由粘性引起的尾部涡流情况不同，这是此由粘性引起的尾部涡流情况不同，这是引起异常现象的主要原因。引起异常现象的主要原因。若采用若采用15m左右的大船模进行自由自肮左右的大船模进行自由自肮 试验，就很少发生此类异常现象。试验，就很少发生此类异常现象。第七节 船舶操纵性衡准

20、引引 言言 一、船舶必备操纵性资料一、船舶必备操纵性资料 一、船舶必备操纵性资料一、船舶必备操纵性资料 二、二、操纵性衡准数操纵性衡准数 4.紧急制动能力：紧急制动能力：全速倒车制动试验测得的船的迹程应小于全速倒车制动试验测得的船的迹程应小于15Lpp。二、操纵性衡准数 二、操纵性衡准数（国内工作）思考题n某船回转试验已测得枢心点处的航速某船回转试验已测得枢心点处的航速（）（）曲线及首向角曲线及首向角（t）记录曲线；）记录曲线；试说明如何试说明如何n 根据根据（）、（）、（t）记录曲线求得该船）记录曲线求得该船重心轨迹？重心轨迹？2 螺线试验与逆螺线试验所得结果是否一致？螺线试验与逆螺线试验所

21、得结果是否一致？3 应用回舵试验能否求得不稳定环高和环宽？应用回舵试验能否求得不稳定环高和环宽？10Z试验和试验和15Z试验操作有何不同？试验操作有何不同？右右10Z与左与左10Z试验操作有何不同？试验操作有何不同？5 对同一条船对同一条船10Z试验和试验和15Z 试验结果所得的试验结果所得的K、T值是否相等？为什么？值是否相等？为什么？作业题作业题n12设某船在水平面内作舵角为右设某船在水平面内作舵角为右15的回转运动，的回转运动，试绘图表示出：试绘图表示出：n（1）动座标和定座标系；）动座标和定座标系；n（2）船舶运动轨迹及表征它的主要参数；）船舶运动轨迹及表征它的主要参数；n（3）定常回

22、转运动参数）定常回转运动参数u、v、r及枢心及枢心P。n14试述螺线试验（包括正、逆），试述螺线试验（包括正、逆），Z试验、航向改变试验、正弦试验、航向改变试验、正弦操舵试验、平移操舵试验之具体操作，及试验结果分析法。操舵试验、平移操舵试验之具体操作，及试验结果分析法。n15试分析自由自航模试验尺度作用产生的主要原因。其主要表试分析自由自航模试验尺度作用产生的主要原因。其主要表现。何谓异常尺度效应。现。何谓异常尺度效应。n16.长江长江2000马力顶推船队模型在马力顶推船队模型在24度舵角回转试验中，测得角度舵角回转试验中，测得角速度速度r随时间随时间t的变化规律为：的变化规律为：作业题作业题t（秒）012345678 910r（度/秒）00.40.650.91.21.41.51.61.651.651.65