船舶操纵PPT学习教案课件

,#,单击此处编辑母版标题样式,会计学,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,会计学,1,大连海事大学船舶操纵,会计学1大连海事大学船舶操纵,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,第1页/共46页,船舶操纵绪论概述第1页/共46页,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,第2页/共46页,船舶操纵概述船舶操纵的含义第2页/共46页,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。,第3页/共46页,船舶操纵概述保持航向(Course keeping or s,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,。,第4页/共46页,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,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。,第5页/共46页,船舶操纵原理闭环控制;第5页/共46页,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船。,第6页/共46页,船舶操纵设备操纵设备主要包括舵和推进器：第6页/共46页,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。,第7页/共46页,船舶操纵设备其他设备：第7页/共46页,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,第8页/共46页,船舶操纵特点惯性大，缓变系统第8页/共46页,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。,第9页/共46页,船舶操纵任务常规航行：小舵角保向或中舵角转向；第9页/共46,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,第10页/共46页,任务要求了解船舶（船体）的操纵特性第10页/共46页,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。,第11页/共46页,船舶操纵研究研究任务第11页/共46页,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。,第12页/共46页,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，,运动坐标系,the earth-fixed and body-fixed frames,(SNAME1950),第13页/共46页,运动坐标系the earth-fixed and body-,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）,第14页/共46页,运动坐标系船舶6个自由度的运动第14页/共46页,3 degrees of freedom,Surge;,Sway;,Yaw.,2 actuators,Thruster,Rudder,平面运动,第15页/共46页,3 degrees of freedom平面运动第15页/共,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。,第16页/共46页,船舶操纵运动学参数位移和航速第16页/共46页,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,x,e,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。,第17页/共46页,船舶操纵运动学参数航向与转动角速度第17页/共46页,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。,第18页/共46页,船舶操纵运动学参数船速第18页/共46页,船舶操纵运动学参数,漂角,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。,第19页/共46页,船舶操纵运动学参数漂角第19页/共46页,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”。,第20页/共46页,船舶操纵运动学参数转心(pivot point)第20页/,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。,第21页/共46页,船舶操纵运动学参数转心(pivot point)第21页/,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；,第22页/共46页,船舶操纵运动学参数船舶平面运动的特征第22页/共46页,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,第23页/共46页,船舶操纵动力学参数船舶操纵运动方程第23页/共46页,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程转换成动坐标系中船舶运动方程；,坐标变换,第24页/共46页,船舶操纵动力学参数船舶操纵运动方程第24页/共46页,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：,第25页/共46页,船舶操纵动力学参数船舶操纵运动方程第25页/共46页,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。,第26页/共46页,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,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；,第27页/共46页,船舶操纵动力学参数船体水动力及水动力矩第27页/共46页,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。,第28页/共46页,船舶操纵动力学参数惯性力及惯性力矩第28页/共46页,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,-,m,x,、,-,m,y,、,-,J,zz,惯性水动力项写成：,第29页/共46页,船舶操纵动力学参数惯性力及惯性力矩第29页/共46页,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,mx,0.07,m,；横向附加质量,my,0.75,m,；附加惯性矩,Jz,1.0,m,。,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虚惯性矩。,第30页/共46页,船舶操纵动力学参数船体水动力及水动力矩第30页/共46页,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,：,第31页/共46页,船舶操纵动力学参数船体水动力及其表达式第31页/共46页,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。,第32页/共46页,船舶操纵动力学参数船体水动力及其表达式第32页/共46页,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,F,H,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,第33页/共46页,船舶操纵动力学参数船体水动力及其表达式第33页/共46页,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,。,第34页/共