船舶操纵性课件.ppt

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1、哈尔滨工程大学船舶工程学院第一章船舶操纵运动方程式惯性坐标系：固定在大地上的定系o1x1y1z1随体坐标系：固定在船上的动系Gxyz本章的主要内容是：通过船在水中的受力分析→建立船舶操纵运动程。§1-1坐标系与船舶运动情况1.1.1坐标系哈尔滨工程大学船舶工程学院若只取惯性参考系来研究船的空间运动，则由牛顿运动定律，并假设船舶作为一个质点，则由动量定理和动量矩定理有：对于有：其中，X1G,Y1G,Z1G为船重心G在o1x1y1z1中的位置坐标，m为船的质量，Fx，Fy和Fz为作用力（作用在重心G处）在o1x1y1z1上的投影，包括了重力、浮

2、力、舵力、桨力和船体水动力等。采用两种坐标系的原因：上述方程的形式虽然简单，但力的表达式却非常复杂，例如，螺旋桨的推力，舵力，船体水动力等，站在地面上的观察者和站在船上的观察者看到的不一致。（变化的量）（固定的量）所以，若用船体坐标系来表达受力，则简单的多。另一方面，船体的转动惯量，惯性积也只有对船体坐标系来说才是常量。采用两种坐标系的原因：哈尔滨工程大学船舶工程学院哈尔滨工程大学船舶工程学院1.1.2.船在水平面内运动情况的分析一般地，当船受到力的作用后，如操舵，在其艏向、航迹变化的同时还可能伴有升沉，纵摇和横摇运动，但对于大多数的船对某

3、些力的作用所产生的后三种运动较小，可以忽略，研究水平面的运动（三个自由度运动）是非常重要的。对于横摇较大的船，可以考虑横摇运动，从而构成四个自由度的运动。静水假设：海面无风，无浪，无流哈尔滨工程大学船舶工程学院(1)操舵后船的运动：船操舵运动特点哈尔滨工程大学船舶工程学院操舵后船的运动分析总结：船的中心作变速曲线运动，同时又绕重心G作变角速度转动，船的纵中面与船的航速之间有夹角→称为“漂角”GGGG哈尔滨工程大学船舶工程学院(2)运动参数的表示及说明哈尔滨工程大学船舶工程学院x1G,y1G—重心G的坐标。ψ—艏向角，为o1x1与Gx轴之间的

4、夹角，规定自o1x1顺时针转到Gx为正。β—漂角，重心处的航速V与Gx之间的夹角，规定自航速V转向Gx轴顺时针为正。显然船的航速V在Gxyz上的投影为：—航速角，航速V与o1x1轴的夹角，自o1x1轴转至V顺时针为正。r—摇艏角速度，顺时针为正。—舵角，左舵为正，右舵为负。船的重心在大地坐标系下的速度分量为：研究船舶操纵性的基本任务是研究在给定操舵规律δ(t)与推力（矩）的情况后，上述参数如ψ(t),β(t),r(t)等随时间的变化，这一问题只有通过受力分析，建立方程求解后才能得到。1.1.3漂角β的特性（随时间和沿船长的变化）考查：（

5、1）船体上同一空间点上β（t）的变化：（2）在同一时刻沿船长各点上β（x）的变化：∵∴由理论力学知：∴积分（1）船体上同一空间点上β（t）的变化：根据船的运动特点：平动加转动，所以在同一瞬时，各点上的速度的大小和方向均是不同的，那么各点上的漂角就不同。由质点运动定理,对重心G有:（2）在同一时刻沿船长各点上β（x）的变化：对任一点A有:∴一般地，船的回转半径大约为船长的3～4倍，所以∠AOG较小。故可以近似地取：所以，A点处的漂角A与重心处的漂角G的关系为：结论：在重心之前，x＞０，所以A＜G。对于图上的Ｐ点，其Vp与ｘ轴同向，故漂

6、角A＝０，称Ｐ为“枢心”。从枢心再向前，漂角变为负值。在重心之后，ｘ＜０，所以A＞G。越靠船尾，漂角越大，船尾处最大。摇首角速度与重心处的航速之比越大，各点处的漂角的差别就越大。本部分的重要概念和必须理解的主要问题一、船舶操纵性中坐标系的选取及理由二、船在水平面内运动情况的分析三、漂角β的特性（随时间和沿船长的变化）习题：①．分析操舵后船的运动特点。②．分析漂角的变化特点。哈尔滨工程大学船舶工程学院船舶运动方程的建立需要应用牛顿运动定律。所以要采用惯性坐标系，即大地坐标系。但是为了使船的受力能以方便的形式表达，又要依靠船体坐标系。所以

7、要将在大地坐标系上建立的运动方程转换到船体坐标系上去。由理论力学知，对于动量和动量矩，有：§１－２船舶运动方程式哈尔滨工程大学船舶工程学院上式中：定系中的时间导数动系中的时间导数动系的转动角速度§１－２船舶运动方程式哈尔滨工程大学船舶工程学院当为船的动量、为船的动量矩，且G-xyz为船的中心惯性主轴时有：§１－２船舶运动方程式哈尔滨工程大学船舶工程学院由于：所以：§１－２船舶运动方程式哈尔滨工程大学船舶工程学院写成分量式：动力学上的质心运动定理§１－２船舶运动方程式哈尔滨工程大学船舶工程学院同理有动量矩定理:§１－２船舶运动方程式哈尔滨工程

8、大学船舶工程学院写成分量式：刚体绕定点转动的欧拉动力学方程§１－２船舶运动方程式哈尔滨工程大学船舶工程学院(1)和(2)构成了船舶六个自由度的运动方程。§１－２船舶运动方程式哈尔