第四章自由自航船舶操縱性試驗(yàn)?zāi)康模?、求出操縱性衡準(zhǔn)2、得到有用的駕駛資料3、用于科研、設(shè)計分類：船模試驗(yàn)（自由自航試驗(yàn)、約束模試驗(yàn)（直線拖曳試驗(yàn)<控制導(dǎo)數(shù)、位置導(dǎo)數(shù)>、旋臂試驗(yàn)<回轉(zhuǎn)導(dǎo)數(shù)>、平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)試驗(yàn)<加速度導(dǎo)數(shù)>））、實(shí)船試驗(yàn)第四章自由自航船舶操縱性試驗(yàn)?zāi)康模?、求出操縱性衡準(zhǔn)分類1標(biāo)準(zhǔn)操縱性試驗(yàn)的特點(diǎn)：1)應(yīng)盡可能接近大多數(shù)船舶實(shí)際航行中經(jīng)常遇到的操縱情況，或具有重要意義的情況，使得到的特征直接具有實(shí)際意義。2)應(yīng)便于對所得的結(jié)果進(jìn)行理論上的分析，從而取得有普遍意義的特征參數(shù)。3)應(yīng)便于進(jìn)行試驗(yàn)操作和對所需數(shù)據(jù)的觀測。試驗(yàn)內(nèi)容：回轉(zhuǎn)試驗(yàn)、Z形試驗(yàn)、螺線試驗(yàn)及逆螺線試驗(yàn)、回舵試驗(yàn)、變首向試驗(yàn)、頻率響應(yīng)試驗(yàn)、慣性試驗(yàn)、倒航試驗(yàn)等。標(biāo)準(zhǔn)操縱性試驗(yàn)的特點(diǎn)：1)應(yīng)盡可能接近大多數(shù)船舶實(shí)際航行中24－1回轉(zhuǎn)試驗(yàn)對實(shí)船或船模進(jìn)行這類試驗(yàn)最為普遍，一般新建造的船舶在交船試航時，都需進(jìn)行此類試驗(yàn)。大舵角(如35度）的回轉(zhuǎn)模擬了實(shí)船航行中緊急規(guī)避時的操縱，具有一定的實(shí)際意義。通過回轉(zhuǎn)試驗(yàn)可以評價回轉(zhuǎn)運(yùn)動的迅速程度和所需的水域大小。目的：1、求出回轉(zhuǎn)圈；2、評價大舵角下的回轉(zhuǎn)性。

回轉(zhuǎn)試驗(yàn)的步驟：1)首先在預(yù)定的航線上保持船舶直航和穩(wěn)定航速。2)在開始回轉(zhuǎn)以前的約一個船長的航程范圍內(nèi)，測量船舶的初始參數(shù)，如：航速u1、初始航向角(一般＝0)、初始舵角(當(dāng)船型或單螺旋槳等不對稱影響存在時，也稱為初始壓舵角)以及螺旋槳的初始轉(zhuǎn)速n0等。3)以盡可能大的的舵速度將舵操至規(guī)定舵角并把定舵輪。隨后開始測量船舶運(yùn)動參數(shù)隨時間的變化，包括船舶的軌跡、航速、橫傾角及螺旋槳的轉(zhuǎn)速等。4)待首向角改變至540度時，即可結(jié)束試驗(yàn)。4－1回轉(zhuǎn)試驗(yàn)對實(shí)船或船模進(jìn)行這類試驗(yàn)最為普遍，一般新建3一組完整的回轉(zhuǎn)試驗(yàn)，應(yīng)在左、右最大舵角的范圍內(nèi)，選擇幾個舵角進(jìn)行試驗(yàn)必要時也可選擇幾個航速進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)果一組完整的回轉(zhuǎn)試驗(yàn)，應(yīng)在左、右最大舵角的范圍內(nèi)，選擇幾個舵4KT分析根據(jù)上切線與時間軸t的交點(diǎn)，可量出：對35度的大舵角回轉(zhuǎn)，誤差甚大，不宜使用。KT分析根據(jù)上切線與時間軸t的交點(diǎn)，可量出：對35度的大舵角5回轉(zhuǎn)試驗(yàn)測量軌跡的方法1．光學(xué)跟蹤的繞標(biāo)方法結(jié)果比較精確、需在試驗(yàn)場地設(shè)置浮標(biāo)，受水域限制2．測量航速及首向角的積分方法設(shè)備簡單、但誤差較大3．岸上設(shè)置固定觀察站無線電定向儀、雷達(dá)等回轉(zhuǎn)試驗(yàn)測量軌跡的方法1．光學(xué)跟蹤的繞標(biāo)方法64－2螺線試驗(yàn)與逆螺線試驗(yàn)?zāi)康模涸u價直線穩(wěn)定性和回轉(zhuǎn)性，求取操縱性特征曲線。螺線試驗(yàn)的步驟如下1．首先在預(yù)定航線上保持勻速直航，并在操舵前測出初始航速、舵角及螺旋槳轉(zhuǎn)速。2．執(zhí)行操舵，以盡可能快的速度將舵轉(zhuǎn)至一舷規(guī)定的舵角(如右舷15。)，并保持舵角不變，使船進(jìn)入回轉(zhuǎn)運(yùn)動，持回轉(zhuǎn)角速度r達(dá)到定值時，記錄下r值和相應(yīng)的舵角值。3．改變舵角值重復(fù)以上過程，測出定常r值及相應(yīng)舵角值。在本試驗(yàn)中舵角從右舷15。開始，并按下列次序改變：右15?！?0?！??！??！?。——0——左1——左3?！??！?0?！?5。進(jìn)行此試驗(yàn)，回轉(zhuǎn)圈逐漸由小到大(或由大到小)，就其整個回轉(zhuǎn)過程而言，其運(yùn)動軌跡極似一條螺旋線，故稱螺線試驗(yàn)。（1949迪厄頓尼）4－2螺線試驗(yàn)與逆螺線試驗(yàn)?zāi)康模涸u價直線穩(wěn)定性和回轉(zhuǎn)性7單值曲線左舵左轉(zhuǎn)，右舵右轉(zhuǎn)。穩(wěn)定性衡準(zhǔn)數(shù)C>0，具有直線運(yùn)動穩(wěn)定性。其值愈小，表示愈不易產(chǎn)生r擾動，這就間接地表征船舶具有較大程度的穩(wěn)定性。單值曲線其值愈小，表示愈不易產(chǎn)生r擾動，這就間接8不具有航向穩(wěn)定性的船不具有航向穩(wěn)定性的船，其螺線試驗(yàn)結(jié)果如圖示。即當(dāng)舵角由右超往左膚變化時，其回轉(zhuǎn)角速度沿曲線g—e—d—A—a—f--h變化；而當(dāng)舵角由左膚向右膚變化時，回轉(zhuǎn)角速度沿曲線h—f—c—B—b—e--g變化。即定?；剞D(zhuǎn)角速度r0與舵角不是單值曲線。在舵角a、b之間，角速度c、d之間的范圍內(nèi)，關(guān)系曲線出現(xiàn)了一個回環(huán)，稱之為遲滯回線。ab稱不穩(wěn)定環(huán)寬，cd為不穩(wěn)定環(huán)高。顯然環(huán)高與環(huán)寬愈大，船舶的航向穩(wěn)定性愈差，即可用以表征不穩(wěn)定程度的一種參數(shù)。左舵右轉(zhuǎn)右舵左轉(zhuǎn)不具有航向穩(wěn)定性的船不具有航向穩(wěn)定性的船，其螺線試驗(yàn)結(jié)果如9在實(shí)際的航向保持操舵中，一且發(fā)現(xiàn)船舶偏離航向即行糾偏，而不會等船進(jìn)入定?；剞D(zhuǎn)才糾偏，故使船舶實(shí)際的航向不穩(wěn)定性得以改善。對于某些不穩(wěn)定壞寬和環(huán)高相當(dāng)大的肥大船型，由于其時間常數(shù)大，進(jìn)入定?；剞D(zhuǎn)的時間特別長，因此在航向保持操舵中，實(shí)效的航向不穩(wěn)定環(huán)寬和環(huán)高并不大，仍有可能保持航向。但螺線試驗(yàn)曲線的環(huán)寬和環(huán)高增大，會使操舵頻率增加。在實(shí)際的航向保持操舵中，一且發(fā)現(xiàn)船舶偏離航向即行糾偏，而不10逆螺線試驗(yàn)1966Bech這種試驗(yàn)與螺線試驗(yàn)相反，它是事先規(guī)定一系列回轉(zhuǎn)角速度r0值，而通過自動駕駛儀或人工操舵的方法，使船舶保持各角速度值定?；剞D(zhuǎn)。與螺線試驗(yàn)相逆，大大縮短了試驗(yàn)時間，僅需30分鐘。逆螺線試驗(yàn)1966Bech這種試驗(yàn)與螺線試驗(yàn)相反，它114－3回舵試驗(yàn)1969Burther該試驗(yàn)方法實(shí)質(zhì)為回轉(zhuǎn)試驗(yàn)(或螺線試驗(yàn))的延續(xù)。當(dāng)船舶進(jìn)入定?；剞D(zhuǎn)后，即今舵角回零，同時測定轉(zhuǎn)首角速度(或首向角、航速)隨時間的變化，直到船舶進(jìn)入新的定常狀態(tài)(直航或定常回轉(zhuǎn)狀態(tài))時為止?；囟嬖囼?yàn)可以對左、右舷分別進(jìn)行，一般操舵角可取15。(亦可以與回轉(zhuǎn)試驗(yàn)或螺線試驗(yàn)時的最大操舵角相同，作為此類試驗(yàn)的延續(xù))。該試驗(yàn)不論對實(shí)船和自航船模皆可方便地進(jìn)行．a(chǎn)b之間距離也就相當(dāng)于螺線試驗(yàn)中遲滯環(huán)線的環(huán)高，可表征不穩(wěn)定程度。4－3回舵試驗(yàn)1969Burther該試驗(yàn)方法實(shí)質(zhì)12直線運(yùn)動穩(wěn)定船舶，其中縱坐標(biāo)是角速度的自然對數(shù)，橫坐標(biāo)是時間。斜率來表示船舶直線運(yùn)動穩(wěn)定程度。直線運(yùn)動穩(wěn)定船舶，其中縱坐標(biāo)是角速度的自然對數(shù)，橫坐標(biāo)是時13華中科技大學(xué)船舶操縱與搖擺144－5航向改變試驗(yàn)航向改變試驗(yàn)又稱新航向試驗(yàn)、變首向試驗(yàn)，是研究船舶在中等舵角時的轉(zhuǎn)向性能的一種較簡易而實(shí)用的試驗(yàn)方法。當(dāng)船舶達(dá)到直航狀態(tài)后，即操右舵角15度，一旦船舶向右的轉(zhuǎn)首角達(dá)到某值(如10度時)，隨即反向操舵到左舵15度，直至船舶開始有向左的回轉(zhuǎn)趨勢時即回舵到零，并使之保持在新航向上。改變反向操舵時船舶向右的轉(zhuǎn)首角值，如分別為20。、30。、40。、50。等等，重復(fù)如上的操作過程，即可得一組右舵角(15度)的航向改變試驗(yàn)。同理也可做操左舵角的航向改變試驗(yàn)。試驗(yàn)時可連續(xù)記錄出船之轉(zhuǎn)首角、轉(zhuǎn)首角速度、舵角和航速。試驗(yàn)步驟：4－5航向改變試驗(yàn)航向改變試驗(yàn)又稱新航向試驗(yàn)、變首向試15華中科技大學(xué)船舶操縱與搖擺16從t=0到t4對一階KT積分從t=0到t2對一階KT積分從t=0到t4對一階KT積分從t=0到t2對一階KT積分17華中科技大學(xué)船舶操縱與搖擺184-4Z形操舵試驗(yàn)?zāi)康模恨D(zhuǎn)首對中等舵角的響應(yīng)；求出K、T指數(shù)試驗(yàn)步驟：進(jìn)行Z形試驗(yàn)時，先使船以規(guī)定航速保持勻速直航，然后將舵轉(zhuǎn)至右舷規(guī)定的舵角(如右舷10度)，并保持之，則船即向右轉(zhuǎn)向，當(dāng)首向角達(dá)到某一規(guī)定的舵角值時(如右舷10度)立即將舵向左轉(zhuǎn)至與右舵角相等的左舵角(左舷10度)，并保持之。當(dāng)反向操舵后，船仍朝原方向繼續(xù)轉(zhuǎn)向，但向右轉(zhuǎn)首角速度不斷減小，直至消失。然后船舶應(yīng)舵地再向左轉(zhuǎn)向，當(dāng)左轉(zhuǎn)首向角與舵角值相同時，再向右操舵至前述之右舵角。該過程如此繼續(xù)，到完成五次操舵為止。Z形操舵試驗(yàn)可在最大航速和中等航速下進(jìn)行。4-4Z形操舵試驗(yàn)?zāi)康模恨D(zhuǎn)首對中等舵角的響應(yīng)；求出K、T19提示：對航向穩(wěn)定差的船,為避免Z試驗(yàn)時運(yùn)動的發(fā)散，可進(jìn)行舵角與首向角不等的變形Z試驗(yàn)按海上避撞規(guī)則，二船相遇時的應(yīng)急回轉(zhuǎn)應(yīng)向右轉(zhuǎn)，故確定右舵時的船舶回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)首能力是重要的，因此標(biāo)準(zhǔn)的Z形操舵試驗(yàn)首先是從操右舵角開始的。但為了考慮船舶左、右不對稱影響，也加做左Z試驗(yàn)。內(nèi)河船標(biāo)準(zhǔn)Z形試驗(yàn)舵角首向角完整的Z試驗(yàn)要記錄從t＝0開始隨時間而變化的舵角、首向角、航速、運(yùn)動軌跡、主機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)等。并在整個試驗(yàn)過程中保持主機(jī)工況不變。提示：對航向穩(wěn)定差的船,為避免Z試驗(yàn)時運(yùn)動的發(fā)散，可進(jìn)行舵角20特征值初轉(zhuǎn)期ta：從首次操舵起至第一次操反舵時所經(jīng)過的時間。表示船改變首向的快慢。超越時間ts：從操反舵開始到船停止朝原方向回轉(zhuǎn)的時間；轉(zhuǎn)向滯后TL：反向操舵通過零舵角位置的瞬時直到船舶達(dá)到最大轉(zhuǎn)首角時所經(jīng)歷的時間；超越角:操反舵后船舶繼續(xù)朝原方向所轉(zhuǎn)過的最大角度。特征值初轉(zhuǎn)期ta：從首次操舵起至第一次操反舵時所經(jīng)過的時間。21K---T的標(biāo)準(zhǔn)算法(4-7)測量舵角剩余舵角K---T的標(biāo)準(zhǔn)算法(4-7)測量舵角剩余舵角221)首先從試驗(yàn)曲線求得特征點(diǎn)。1)首先從試驗(yàn)曲線求得特征點(diǎn)。23華中科技大學(xué)船舶操縱與搖擺24華中科技大學(xué)船舶操縱與搖擺25華中科技大學(xué)船舶操縱與搖擺264—6自航模試驗(yàn)的尺度作用操縱性船模試驗(yàn)中必須滿足的相似條件：

1．使自航船模與實(shí)船保持幾何形狀相似，包括船體、各種附體和推進(jìn)器的形狀均應(yīng)相似，其線性尺度比為一常數(shù)。實(shí)際上，推進(jìn)器的形狀也并非都與實(shí)船的相似。自航模型的質(zhì)量、重心位置和轉(zhuǎn)動慣量應(yīng)與實(shí)船的相似。2.通常保持無因次速度、加速度參數(shù)相等。但兩者螺旋槳的進(jìn)速系數(shù)不等，由于船模的阻力系數(shù)比實(shí)船的大，因此需提高船模螺旋槳的進(jìn)速系數(shù)，才能克服相應(yīng)的阻力。另外，船模與實(shí)船之間主機(jī)和舵機(jī)的類型不同，外特性也不同，使之在操縱過程中轉(zhuǎn)速變化情況也不一致。3.在水動力相似方面，只滿足傅汝德數(shù)Fn相等，保證二者重力相似。而無法滿足雷諾數(shù)Rn相等，通常選取為臨界雷諾數(shù)，并認(rèn)為模型的雷諾數(shù)超過該臨界值時，處于紊流流動狀態(tài)中，則由于雷諾數(shù)不等引起的誤差不致于過大。韋伯?dāng)?shù)W的大小與船尾和露出水面的舵模型的吸氣現(xiàn)象有關(guān)。空泡數(shù)與螺旋槳和舵產(chǎn)生空泡現(xiàn)象有關(guān)。在操縱性模型試驗(yàn)中，這兩現(xiàn)象不能保證相似。大多數(shù)運(yùn)輸船舶實(shí)船上一般不產(chǎn)生上述空泡和吸氣現(xiàn)象，故進(jìn)行模型試驗(yàn)時應(yīng)盡量使其在亞空泡和無吸氣狀態(tài)下工作。這對易吸氣和產(chǎn)生空泡的高速船，由此引起的尺度效應(yīng)就比較大。4—6自航模試驗(yàn)的尺度作用操縱性船模試驗(yàn)中必須滿足的相似27在實(shí)際進(jìn)行自航模試驗(yàn)時，常保持船體幾何形狀相似，質(zhì)量、重心位置及慣性矩相似，在決定模型尺度時要考慮臨界雷諾數(shù)的要求、選擇航速時滿足傅汝德數(shù)相等。機(jī)動中保持艙角相等。其它方面則不能滿足相似。由于船舶的操縱運(yùn)動是船體、螺旋槳、舵三者組合作用，它包括了三者單獨(dú)的尺度效應(yīng)及相互干擾，因此更增加了問題的復(fù)雜性，故自航船模試驗(yàn)尺度效應(yīng)的分析成為一大難題。在實(shí)際進(jìn)行自航模試驗(yàn)時，常保持船體幾何形狀相似，質(zhì)量、重心位28第十四屆ITTC操縱性委員會認(rèn)為：L/B大的瘦長船型，船模試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)船性能大致吻合；L/B小的肥大船型，船模與實(shí)船間性能差異的尺度作用顯著。差異的主要原因?yàn)槠胶獯＿^大的摩擦阻力，必須提高螺旋槳的負(fù)荷(滑脫比)，以使船模尾部形成強(qiáng)尾流，而提高了舵的轉(zhuǎn)船力矩及舵的阻尼。T’指數(shù)與舵的阻尼成反比，故船模T’值比實(shí)船小。而K’指數(shù)與舵的回轉(zhuǎn)力矩系數(shù)成正比，但與裸船體和舵的總阻尼成反比，一般船體阻尼總為負(fù)值，對于航向穩(wěn)定的船，舵阻尼為正，且值只較船體阻尼稍大。故舵的回轉(zhuǎn)力矩系數(shù)較大時，總的效果是使K’值減小。在大舵角時，由于速降大，使總的阻力中摩擦阻力的比重大為減小，而