操纵性绪论操纵性定义：船舶按照驾驶者的意图保持或改变其运动状态的性能，即船舶能保持或改变航速、航向和位置的性能。

操纵性内容：1. 航向稳定性：表示船舶在水平面内的运动受扰动而偏离平衡状态，当扰动完全消除后能保持其原有平衡状态的性能。

2．回转性：表示船舶在一定舵角作用下作圆弧运动的性能。

3．转首性和跟从性：表示船舶应舵转首及迅速进入新的稳定运动状态的性能。

4. 停船性能：船舶对惯性停船和盗车停船的相应性能。

附加质量和附加惯性矩：作不定常运动（操纵和耐波运动）的船舶，除了船体本身受到愈加速度成比例的惯性力外，同时船体作用于周围的水，使之得到加速度。

根据作用力和反作用力，水对船体存在反作用力，这个反作用力称为附加惯性力。

附加惯性力是与船的加速度成比例的，其比例系数称为附加质量。

船舶操纵一、操纵运动方程1.1坐标系一、固定坐标系：固定坐标系是固结在地球表面，不随时间而变化的，如图所示。

首向角ψ：X 0与X 的夹角（由X 0转向X ，顺时针为正）。

二、运动坐标系：运动坐标系是固结在船体上的，随船一起运动的，如图所示。

重心坐标：X OG 、Y OG ； 船速：V 重心G 瞬时速度； 航速角ψ0：X0轴与船速V 夹角(顺时针为正)；漂角：β船速与X 轴夹角(顺时针为正)； 回转角速度：γ=dψdt；回转曲率：R 右舷为正； 舵角：δ左舷为正。

三、枢心：回转时漂角为零点、横向速度为零的点。

1.2线性运动方程一、坐标转换00cos sin sin cos ψψψψ=-=+G G x u v y u v二、简化方程当重心在原点处：X G =0 运动坐标系一般方程：三、对于给定船型、给定流体中的运动情况船型参数和流体特性为已知条件； 操纵运动为缓变过程，忽略高阶小量； 忽略推进器转速影响；操舵过程短暂，忽略转舵加速度。

则可将给定船型流体中受力情况表示如下：由泰勒展开式，用水动力导数表示如下：四、简化后的操纵运动线性方程式：2()()()ψψψψψψ=--=++=++G G Z G X m u v x Y m v u x N I mx vu 00cos sin ψψ=+G G X mx my 00cos sin ψψ=-G G Y mymx ()()ψψψ=-=+=z X m u v Y m v u NI (,,,,,,)(,,,,,,)(,,,,,,)X X u v r u v r Y Y u v r u v r N N u v r u v r δδδ===v r v r v r v r Y Y v Y r Y v Y r Y N N v N r N v N r N δδδδ=++++=++++111()()v ur v u u r r v u r+=++∆+∆=+1.3水动力导数一、定义：匀速直线运动时，只改变一个运动参数，其他不变引起的作用于船舶水动力对运动参数的变化率。

二、表示方式：三、水动力导数分析：1. 位置导数 Y v ,N v ：Y v 是一个较大的负值；N v 是一个不很大的负值。

2. 加速度导数v Y ，v N ：v Y 代表惯性力，是一个大负值；v N 代表惯性力矩，由于首尾抵消，是一不大的数值。

3. 旋转导数Y r ,N r ：r Y r 由r 引起的阻尼力,首尾方向相反，Y r 为一小值；r N r 是由r 引起的阻尼力矩，N r 为一个很大的负值。

4. 旋转加速度导数r Y ，r N ：r Y r 由r 引起的惯性横向力，由于首尾抵消0r Y ≈；r N r 是r 引起的惯性力矩，与r 的方向相反，是一个大负值。

5. 舵角的控制导数Y δ，N δ：舵以右舵角为正，正的舵角产生负的舵力，则 大于0Y δ；而舵力矩使船向右转，是正的，故 N δ> 0。

二、航向稳定性2.1基本概念,,,,,,r v r v r v r Y Y Y Y Yv Y Y Y v r v r N N N N N N N N v r v r∂∂∂∂====∂∂∂∂∂∂∂∂====∂∂∂∂一、稳定性概念:对处于定常运动状态的物体(或系统),若受到极小的外界干扰作用,而偏离原定常运动状态,当干扰去除之后,经过一定的过渡,若物体(或系统)能回复到原定常运动状态,则称原运动状态是稳定的。

物体的运动状态是否稳定既取决于物体本身的性质,而且也取决于所考察的运动状态和运动参数。

二、水面船舶的运动稳定性:（1）直线运动稳定性：船舶受瞬时扰动后，其重心轨迹终将恢复为一直线，但航向发生了变化。

（2）方向稳定性：船舶受扰并在扰动消除后，其重心轨迹最终将恢复为与原来航线相平行的另一直线。

（3）位置稳定性：船舶受扰后，其重心运动轨迹将恢复为原航线的延长线。

三、关系与分类具有位置稳定性的船舶一定具有直线稳定性和方向稳定性,具有方向稳定性的船舶一定具有直线稳定性。

按是否操舵,稳定性可分为固定稳定性和控制稳定性.固前者取决于船体几何形状,后者取决于整个闭合回路的特性。

固定稳定性越好的船,控制稳定性也越好。

对于通常的水面船舶,只有通过操舵控制才可能使之具备方向稳定性和位置稳定性. 如果不操舵,最多具备直线稳定性。

2.2小挠动方程水平面内的航向稳定性的小扰度方程：由以上解式可知,特征根若具有负实部,则扰动后的扰运动量v, r 都回复到原来的状态称之为具有稳定性. 但,即使v, r 都回复到初始状态参数,却与初始首向仍存在着一个角度偏差。

可见,对水面船舶不操舵,就不可能实现“方向稳定性”,最多只能是“直线运动稳定性”,习惯上称之为“航向稳定性”。

2.3航向稳定性分析分析知,对水面船舶,A ，B 必为正,航向稳定性条件减少到只需满足一个条件: C>0 。

()()110v G r v r C Y mx u N N mu Y =--+->系数C 为稳定性衡准数；上式即为稳定性衡准式。

将上式进行变换得：vvN Y ＜11r G r N mx u Y mu --v 偏航力臂l =vvN Y ；1r 1抗干扰力臂l =r G r N mx u Y mu --2.4航向稳定性改善措施水动力导数是与船体几何形状密切相关的： 1.增加船长可使N r 负值增加；2.增加船舶中纵剖面的侧面积可使Nr,Yv 的负值增加；3.增加Nv的有效方法是:1）增加纵中剖面的尾部侧面积，2）可采用增大呆木,安装尾鳍，3）使船产生尾倾，4）削去前踵等。

三、船舶回转性3.1基本概念回转性：转舵使船舶作圆弧运动的能力。

用回转直径来表示。

定常回转圈：与船舶避让、避碰、靠离码头、灵活掉头有关操纵性的指标。

衡量转首性和回转性的直观方法。

回转圈：船舶在不同舵角条件下作圆周回转时重心的航行轨迹。

3.2回转圈的主要特征参数1.定常回转直径Dc：定常回转阶段船舶重心点圆形轨迹。

2.战术直径DT：从船舶原来航线至船首转向180°时，船总中剖所在位置之间的距离。

Dt=(0.9~1.2)D。

3.纵距L1(Ad)：从转舵开始时刻船舶重心G所在的位置,至船首转向90°时船舶纵中剖面沿原航行方向前进的距离。

4.正横距L2(T)：从船舶初始直航线至转向90°时，船舶重心所在位置之间的距离。

5.反横距L3(K)：从船舶初始的直线航线至回转轨迹反方向最大偏离处的距离。

K = (0~0.1)D 。

6.进程：纵距L1 –定常回转半径 R 。

7.相对回转直径D/L ：通常用D/L 代表回转性优劣。

3.3回转的三个阶段一、转舵阶段P z rN r C I N δδδ≈=•-C p 初始回转的有因次加速度参数：表示转过单位舵角后，在回转初始阶段所产生的回转角加速度。

是船舶开始回转得快慢的指标。

1． C P 值越大,C P ↑船舶转舵后越能迅速进入回转运动。

2．对要求操纵灵活得内河船舶、拖船、顶推船等，常对转舵后得转首时间有一定要求。

3．可近似得认为，阶跃操舵后（指操舵速度很大得操舵），初始阶段船舶的回转是等角加速运动，首向角变化为：2211**22p rt C t ψδ==4．近似估算转首时间21*Pt C ψδ=二、过度阶段转舵结束到进入定常回转运动为止。

三、定常回转阶段特点：各运动参数不随时间变化，重心轨迹是圆。

0r v==，且r和v为常数。

定常回转阶段船舶运动方程：11()()v rv G rY v mu Y r YN v mx u N r Nδδδδ-+-=-++-=各运动参数随时间变化，如右图所示：3.4定长回转半径1．解定常回转阶段运动方程得：2．重心点线速度与角速度的关系：3.5影响定常回转运动的因素1．“右舵右旋，左舵左旋”——正常操舵“右舵左旋，左舵右旋”——反操现象2．增加船首部纵剖面面积使N v和N r负值，导致C↓稳定性变差;D0 ↓回转性好；减小船首部纵剖面面积使N v负值↑,N r 负值↑，导致C ↑ ，D0 ↑ 。

说明回转性和直线稳定性存在矛盾!3．增加Yv的负值对回转直径的影响取决于∣m x G u1—N r ∣和∣N ∣之比；4。

Yδ负值↑，Nδ正值↑，通常会使回转直径D↓，并且不导致稳定性下降。

因此，从控制水动力导数出发可同时改善稳定性和回转性(如增加舵面积)。

四、回转运动的耦合特性4.1基本概念船舶在水平面内作回转运动时会同时产生横摇、纵摇、升沉等运动,以及由于回转过程中阻力增加引起的速降。

以上所述可理解为回转运动的耦合,其中以回转横倾与速降最为明显。

4.2回转横倾一、形成原因:在回转过程中，船体承受侧向力其作用点高度各不相同，于是产生了对Ox轴的倾侧力矩。

产生向回转内侧的斜忽略舵力,船产生外倾二、回转过程中横倾角随时间的变化如下式：0v r==三、回转横倾的特点：1．最大横倾角出现在过度阶段；2．过渡阶段横倾角随时间变化而振动；3．回转半径越小回转横倾越大。

四、稳定横倾角影响外倾角与回转初速平方成正比，与初稳性高成反比。

这表明高速船回转时外倾角比低速船大得多。

特别是在顺风顺浪航行的船舶满舵调头时，在外倾角加上风和浪的作用，有可能使船舶处于危险状态。

4.3回转过程速降一、形成原因：侧向速度和角速度引起阻力增加。

侧向速度、角速度以及舵角使桨效率下降。

二、表征系数：表征回转速降：定常回转阶段航速Ｖ０与直线航速u1之比，称为回转速降系数。

三、估算法：线性理论解决不了速降问题，而非线性解析方法过于复杂，通常采用估算法。

1．戴维逊法右图为回转速降系数与相对回转直径之间的关系2．费加耶夫斯基方法3．经验公式估算（模型试验整理）2220 1.9c V R V R L =+回转直径越小，回转漂角越大，回转速降越大。

大者可达回转初速的40%。

五、操舵响应5.1操舵响应模型一、二阶响应模型：13123()TTr T T r r KT K δδ+++=+ 上式为二阶线性K 、T 方程，描述了运动对操舵的响应，也称操舵响应模型，响应模型在自动操舵的研究上有广泛的应用。