Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние проектирования ГО АСВП 12
1.1 Особенности конструкции несущего комплекса АСВП с ГО баллонетного типа 12
1.2 Обзор работ по исследованию ГО АСВП 14
1.3 Основные проблемы проектирования ГО
1.3.1 Материалы ГО 20
1.3.2 Внешние силы, действующие на ГО 23
1.3.3 Методики моделирования ГО 24
1.4 О связи физического и вычислительного экспериментов при проектировании ГО СВП 24
1.5 Формулировка задач исследования 26
ГЛАВА 2 Постановки задач аэрогидроупругости и определения предельных нагрузок для АСВП с го баллонетного типа 27
2.1 Математическая модель тонкостенной оболочки : 27
2.1.1 Определяющие соотношения нелинейной теории оболочек 27
2.1.2 Метод конечных элементов в анализе тонкостенных оболочечных конструкций 31
2.1.3 Методы интегрирования уравнений статики и динамики 34
2.1.4 Модель надувной оболочки 37
2.2 Математическая модель турбулентного течения двухфазной
жидкости с границами раздела сред 39
2.2.1 Осредненные уравнения Навье-Стокса и составная модель турбулентности Ментера 39
2.2.2 Основные принципы численной реализации 44
2.3 Моделирование взаимодействия ГО баллонетного типа с потоком
жидкости в составе несущего комплекса АСВП 47
2.3.1 Математическая формулировка задачи взаимодействия упругого тела и потока жидкости 47
2.3.2 Вычислительные аспекты решения связанных задач теории оболочек и аэрогидродинамики вязкой жидкости 48
2.3.3 Тестирование алгоритма решения сопряженных задач в ANSYS Mechanical-ANSYS CFX 53
2.3.4 Постановка задачи аэрогидроупругости бортового ГО в составе несущего комплекса АСВП при движении по водной поверхности 59
2.3.5 Постановка задачи аэроупругости носового ГО при действии на него набегающего потока воздуха 61
2.4 Моделирование предельных нагрузок на ГО и корпус АСВП при
движении по твердой поверхности 2.4.1 Вычислительные подходы к моделированию взаимодействия упругой пневматической оболочки с твердой поверхностью 63
2.4.2 Постановка задачи определения предельных нагрузок на ГО и корпус АСВП при движении по твердой поверхности 63
ГЛАВА 3 Экспериментальные исследования материалов го. тестирование методик расчета ГО 66
3.1 Механические характеристики материалов ГО 66
3.1.1 Определение механических характеристик материалов ГО 66
3.1.2 Свойства материала ГО после эксплуатации 69
3.2 Задача о сжатии пневмобаллона 72
3.2.1 Лабораторный эксперимент по сжатию пневмобаллона 72
3.2.2 Сопоставление экспериментальных данных и результатов численного расчета 74
3.3 Расчетно-экспериментальное исследование формы бортового ГО...77
3.3.1 Описание натурного эксперимента по определению формы бортового ГО 77
3.3.2 Вычислительный эксперимент по определению формы бортового ГО баллонетного типа 78
ГЛАВА 4 Результаты математического моделирования гобаллонетного типа амфибийных СВП 81
4.1 Моделирование несущего комплекса АСВП при учете упругости элементов ГО 81
4.1.1 Модели элементов несущего комплекса АСВП 82
4.1.2 Результаты решения задачи аэрогидроупругости бортового ГО баллонетного типа 85
4.1.3 Результаты решения задачи аэроупругости носового ГО 88
4.2 Анализ предельных нагрузок на корпус и ГО баллонетного типа при движении по модельной пересеченной местности 91
4.2.1 Результаты моделирования препятствия «уступ» 93
4.2.2 Результаты моделирования препятствия «бревно» 100
4.2.3 Обсуждение и оценка полученных результатов 104
Заключение 107
Список использованной литературы
- О связи физического и вычислительного экспериментов при проектировании ГО СВП
- Методы интегрирования уравнений статики и динамики
- Определение механических характеристик материалов ГО
- Результаты решения задачи аэроупругости носового ГО
Введение к работе
Актуальность темы. Амфибийность, высокая скорость, отсутствие необходимости в специально оборудованных причалах, почти круглогодичный период эксплуатации и более высокая, по сравнению с альтернативными транспортными средствами, эффективность пассажиро- и грузоперевозок являются уникальными преимуществами амфибийных судов на воздушной подушке (АСВП) в условиях труднодоступных регионов Крайнего Севера, Сибири, Дальнего Востока, а также мелководных районов, включая шельфы Северного Ледовитого океана и Каспийского моря.
Специфика эксплуатации АСВП ставит перед проектантами, помимо обеспечения ходовых и амфибийных качеств, жесткие требования по надежности и ремонтопригодности разрабатываемых АСВП. Из опыта проектирования и эксплуатации подобных судов известно, что наиболее важной и ответственной системой АСВП является гибкое ограждение (ГО) воздушной подушки (ВП), решающее задачу формирования области повышенного давления под корпусом судна. Методы физического модельного и натурного экспериментов в части изучения детального поведения элементов ГО при действии реальных нагрузок при всех их преимуществах имеют известные недостатки: дороговизну, длительность и неполную информативность. Для обоснованного выбора оптимальной компоновки судна, повышения ресурса, а также уменьшения стоимости производства, эксплуатации и ремонта ГО необходимо разрабатывать проблемно-ориентированные математические модели ГО АСВП.
Целью работы является выбор и тестирование схем расчета статики и динамики ГО баллонетного типа АСВП, позволяющих формировать рациональную аэрогидродинамическую компоновку судна и осуществлять оценку прочности конструкции ГО.
В соответствии с изложенной целью в работе поставлены и решены следующие задачи:
-
Выбор и обоснование схем расчета ГО АСВП с ориентацией на методы вычислительной механики деформируемого тела и вычислительной аэрогидродинамики;
-
Проведение физических натурных, лабораторных и стендовых испытаний с последующей проверкой результатов вычислительного моделирования по результатам соответствующих физических экспериментов;
-
Исследование статики и динамики ГО баллонетного типа в аэрогидроупругой постановке в составе несущего комплекса АСВП с ориентацией на методы вычислительной механики деформируемого тела и вычислительной аэрогидродинамики;
-
Исследование нагрузок на ГО и перегрузок в центре тяжести судна при движении АСВП по модельной твердой пересеченной местности на основе методов вычислительной механики.
Научная новизна исследований состоит в постановке задач и выборе расчетных схем для организации вычислительного эксперимента по моделированию ГО баллонетного типа, базирующегося на современных пакетах вычислительной механики деформируемого тела и аэрогидродинамики, а также их связи для решения задач проектирования АСВП.
Практическая значимость заключается в использовании предложенных схем расчета в проектировании АСВП с ГО баллонетного типа для обоснованного выбора аэрогидродинамической компоновки, а также оценки прочности ГО исходя из эксплуатационных требований технического задания на конкретное проектируемое АСВП.
Достоверность результатов, полученных на основе вычислительных экспериментов, подтверждена серией стендовых, лабораторных, а так же натурных испытаний АСВП «Хивус-10» и «Хивус-48».
Основные положения, выносимые на защиту:
-
-
Постановки задач взаимодействия упругих элементов ГО с водной и воздушными средами в составе несущего комплекса АСВП, включая выбор и обоснование расчетных схем, а также алгоритмы и результаты решения этих задач;
-
Результаты по выбору, обоснованию расчетных схем и постановки задач динамики АСВП с ГО баллонетного типа на твердой поверхности, а также результаты их решения;
-
Методики и результаты стендовых, лабораторных исследований материалов и элементов ГО АСВП;
-
Сравнительные результаты математического моделирования стендовых и натурных испытаний элементов и материалов ГО баллонетного типа.
Личный вклад автора. На базе вычислительного эксперимента предложен подход по определению формы и напряженно-деформированного состояния ГО баллонетного типа АСВП с учетом его взаимодействия с ВП, набегающими воздушным и водным потоками. Представлена схема решения задач динамики АСВП с ГО баллонетного типа на недеформируемой опорной поверхности в допущении об отсутствии ВП. Разработаны методики и проведены серии стендовых, лабораторных и натурных испытаний по исследованию формы и материалов ГО АСВП баллонетного типа. Сопоставление результатов вычислительных и физических экспериментов подтверждает достоверность расчетов и позволяет использовать их в проектировании АСВП. По результатам моделирования ГО баллонетного типа дан ряд рекомендаций на изменение элементов компоновки с целью повышения как ресурсных характеристик ГО, так и ходовых качеств АСВП в целом.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы доложены и обсуждены:
-
-
-
VIII молодежная школа-конференция «Лобачевские чтения-2009», г.Казань, 2009г.
-
XV Нижегородская сессия молодых ученых (тех. науки), Красный Плес, 2010г.
-
XV Нижегородская сессия молодых ученых (мат. науки), Красный Плес, 2010г.
-
XVI Нижегородская сессия молодых ученых (тех. науки), Красный Плес, 2011г.
-
Четвертая Всероссийская молодежная научно-инновационная школа «Математика и математическое моделирование», г.Саров, 2010г.
-
Пятая Всероссийская молодежная научно-инновационная школа «Математика и математическое моделирование», г.Саров, 2011г.
-
13-ый Международный научно-промышленный форум «Великие реки/ICEF», г.Нижний Новгород, 2011г.
-
X Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики, г.Нижний Новгород, 2011г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ, из которых 4 статьи, в том числе 3 - из перечня ВАК.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Общий объем составляет 120 стр., включая 53 рисунка, 6 таблиц, а также библиографию, содержащую 120 наименований.
О связи физического и вычислительного экспериментов при проектировании ГО СВП
Таким образом, хотя и имеются решения, в каждом из которых рассматривается отказ от одного или нескольких сформулированных выше допущений, результаты этих работ не позволяют оценить зоны применимости и качества этих решений, так как из-за математических трудностей указанные решения либо не доведены до конца, либо же полученные результаты не подтверждены экспериментально. На практике, при оценке прочности материалов ГО применяются эмпирические методы, основанные на результатах лабораторных испытаний и данных опытной эксплуатации.
В литературе имеется крайне мало публикаций по динамике АСВП и практически полностью отсутствуют работы, посвященные нелинейной динамике ГО. Динамика АСВП в наиболее полной постановке должна рассматриваться как связанное взаимодействие трех составляющих: динамики конструкции ГО, процесса от нагнетания воздуха в ВП до истечения его из ВП и динамики движения судна. Нелинейности в системе ВП имеют несколько источников: нагнетательный комплекс зачастую имеет нелинейную расходно-напорную характеристику, процесс расширения-сжатия воздуха в ВП и ресивере (скегах в случае ГО баллонетного типа) описывается адиабатическим уравнением состояния, что может вносить свой вклад в нелинейные эффекты, если амплитуда колебаний давления соизмерима с атмосферным давлением. В случае достаточно больших амплитуд колебаний ГО может произойти контакт ГО с опорной поверхностью, что резко меняет площадь истечения воздуха из ВП и расположение рабочей точки на диаграмме расходно-напорной характеристики.
Оценка влияния сжимаемости воздуха в ВП рассматривается в работе Ribich и Richardson [107]. Вследствие того, что нагнетание массы воздуха в ВП и его потеря из ВП далеко не полностью скоррелированы между собой, необходимо учитывать сжимаемость воздуха в ВП. Было также обнаружено, что сжимаемость влияет на соотношение фаз между колебаниями давления в ВП и колебательными движениями судна. Doctors [79-80] рассматривает движение СВП с купольной схемой ВП по волнам синусоидальной формы при действии вертикальной и килевой качки с учетом и без учета сжимаемости воздуха в ВП и получает значительно разнящиеся результаты. В предположении, что форма ГО не зависит от давления в ВП Doctors [59] обнаружил, что объем ВП оказывает выраженное влияние на отклик при движении по поверхности воды с волнами высоких частот. Полученные результаты говорят о том, что вертикальный и килевой отклики существенно не зависят от высоты волны при низких частотах (длинных волнах), тогда как при высоких частотах реакции есть функции от высоты волны и зависят от текущей скорости судна и конфигурации ГО. Sullivan и соавторы выполнили несколько работ по динамике и устойчивости СВП с камерной схемой ВП [111-113], включающие влияние вязкоэластичных свойств материала на динамику движения, нелинейный эффект перекрытия зазора между ВП и экраном на простейшей упругой модели ГО.
Из отечественных исследований, ставящих своей целью анализ динамики пневмооболочек как гибкого ограждения воздушной подушки, следует отметить работы по динамике самолета с шасси на воздушной подушке, имеющем ГО баллонетного типа [37, 45, 46]. В этих работах выполнено численное моделирование процесса движения самолета с шасси на воздушной подушке. Математическая модель движения аппарата представляет собой систему дифференциальных уравнений движения судна как твердого тела с шестью степенями свободы. Модель воздушной подушки строится из закона изменения массы воздуха в ВП, учитывающего собственную динамику аппарата, мгновенный интегральный зазор между ГО и опорной поверхностью и мгновенное давление в ВП. Для моделирования различных эксплуатационных условий использованы математические модели ветровых порывов, волнения и неровностей твердой поверхности. Материал ГО в этих работах также считается нерастяжимым и невесомым, продольными напряжениями в баллонете пренебрегается. 1.3 Основные проблемы проектирования ГО
Сравнительные характеристики гибких ограждений некоторых АСВП приведены в таблице 1.1. Согласной этим данным средняя эксплуатационная наработка ГО современных серийно выпускаемых СВП составляет 300-1000 часов эксплуатации.
Вопросы формирования оптимальной аэрогидродинамической компоновки несущего комплекса АСВП с учетом формы ГО, повышения ресурса ГО, а также уменьшение стоимости производства, эксплуатации и ремонта ГО неизбежно приводят проектантов АСВП к решению следующих задач:
Именно такой специфический и жесткий набор требований приводит к тому, что специально для ограждений АСВП были разработаны новые материалы и методы соединений отдельных конструкций ГО между собой и всего ограждения к жесткому корпусу. Как показывает опыт эксплуатации АСВП, локальное упрочнение материалов за счет увеличения толщины материала ведет к разрушению конструкции за счет разности жесткостных характеристик. С другой стороны эластичность при недостаточной прочности оборачивается малым ресурсом ГО в целом, что повышает эксплуатационные расходы и требует частого ремонта ГО.
В настоящее время в конструкции ГО СВП применяются резинотканевые материалы и ткани с ПВХ покрытием. Далее рассматриваются только ткани с ПВХ покрытием ввиду указанных в отчете [44] соображений, основным из которых является более приемлемое соотношение между весом и прочностными характеристиками в сравнении с резинотканевыми материалами.
Для проектирования элементов ГО необходимо иметь данные о физико-механических свойствах материалов ГО. Однако производители тканей предоставляют лишь данные о толщине листа, поверхностной плотности, сопротивлении разрыву в направлениях нитей утка и основы, адгезии при комнатной температуре. Остальные данные, такие как влияние низких или высоких температур на прочность материала, параметры газонепроницаемости, влагостойкости, износостойкости, вибростойкости и т.п. определяются в ходе как стандартных лабораторных, так и при помощи оригинальных стендовых экспериментов [44].
Методы интегрирования уравнений статики и динамики
Наиболее перспективным путем развития методик расчета ГО АСВП является направление вычислительного моделирования взаимодействия упругого тела и потока жидкости. Успехи в этой области связаны с развитием вычислительной техники и методов вычислительной механики сплошной среды, в частности методов решения задач междисциплинарного характера [76]. На сегодняшний день существуют несколько подходов к решению задач взаимодействия жидкости и деформируемого тела. Практическая реализация сводится к двум путям: 1. Обмен данными между специализированными программными комплексами в процессе решения (разделенный подход); 2. Проведение много дисциплинарных расчетов в рамках одного программного комплекса (единый подход). Оба направления, являясь взаимодополняющими, активно поддерживаются в настоящее время всеми известными производителями инженерного программного обеспечения.
В рамках первого подхода расчета сопряженных задач рассматривается связь специализированных программ вычислительной аэрогидродинамики (CFD) и вычислительной механики твердого тела. При разделенном подходе система (2.24) может быть приведена к уравнениям (2.25)-(2.26), связь между которыми осуществляется посредством правых частей:
В рамках разделенного подхода выделяется два класса задач - слабосвязанные и сильносвязанные. В слабосвязанной схеме решения уравнения (2.25)-(2.26) решаются лишь однажды в течение глобального шага по времени, что приводит к последовательности слабосвязанных (явных, прямых) решений [81]. Ввод дополнительного цикла итераций, в котором решение уравнений движения жидкости и твердого тела (2.25)-(2.26) на глобальном временном шаге последовательно повторяется до сходимости по силам и перемещениям на границе взаимодействия, приводит к сильносвязанным (неявным) решениям [97]. Слабосвязанные, разделенные методы решения наиболее эффективны, если взаимодействие незначительно или в случае, когда временные масштабы рассматриваемых процессов в жидкости и упругой конструкции значительно отличаются. В противоположность этому, для больших перемещений упругой конструкции или при наличии значительной массы «присоединенной» жидкости, которая движется совместно с упругой конструкцией, должны быть применены сильносвязанные разделенные методы решения.
Необходимо отметить, что при едином подходе [66,90] связанная система (2.24) рассматривается и решается целиком в единой программной среде в одном итерационном цикле. Вполне очевидна предпочтительность совместных методов решения с точки зрения обеспечения эффективности, стабильности и сходимости связанного решения. Однако, коммерческое исследовательское программное обеспечение, основанное на едином подходе к взаимодействию жидкости с твердым телом и предоставляющее возможности решения нелинейных систем движения конструкции нетривиальной геометрии в сложных трехмерных турбулентных потоках, недоступно в настоящее время и в обозримом будущем [88].
Кунтц и Ментер (Kuntz, Menter) [96] реализовали алгоритм связи между двумя различными коммерческими программами: конечноэлементным пакетом расчета НДС конструкций ANSYS Mechanical и пакетом ANSYS CFX, реализующим метод контрольных объемов для задач аэрогидродинамики жидкостей. Обмен данными между расчетными программами осуществляется при помощи специальных алгоритмов интерполяции данных на границе взаимодействия жидкости и твердого тела. Переход на следующий шаг по времени происходит, когда обе программы достигли сходимости по силам и смещениям на границе взаимодействия. Используя методику связи программ ANSYS Mechanical и ANSYS CFX, был решен ряд как верификационных, так и практических задач [59, 88, 108, 109].
Ниже в диссертационной работе рассматривается методика решения задач взаимодействия «жидкость - твердое тело» (FSI), реализованных на основе инструмента MFX [61] связи программ вычислительной механики твердого тела ANSYS Mechanical и вычислительной аэрогидродинамики CFX CFD. Практически важной особенностью MFX является то, что параметры сеток на границах взаимодействия в сеточных моделях ANSYS и CFX при расчетах могут не совпадать, т.е. MFX самостоятельно определяет, одинакова ли сетка на каждой стороне границы или нет. В последнем случае используется интерполяция данных. В алгоритме связывания для управления процессом сходимости со стороны пользователя применяется релаксация. Пусть ф -некоторая физическая величина, фу - ее значение на предыдущем шаге, Аф -вычисленное изменение величины ф, а - параметр релаксации. Тогда значение ф на следующем шаге вычисляется согласно следующей зависимости: ф = ф + аАф (2.27)
С целью ускорения вычислений имеется доступ к распараллеливанию, а также предусмотрена работа решателей на разных машинах. При решении связанной задачи ANSYS Mechanical поддерживает статический анализ и анализ динамических процессов. CFX поддерживает только анализ динамических процессов.
Сходимость итерационного цикла взаимодействия жидкости и упругой конструкции определяется условием: где ф - физическая величина, по которой осуществляется связывание (перемещение или сила), фі ее значение на текущей итерации цикла взаимодействия, а ф(_х - значение на предыдущей итерации, є - предел сходимости. Суммирование производится по всем узлам на границе взаимодействия. где 8 - перемещение узлов сетки относительно их предыдущего положения, Г - сеточная жесткость, определяющая степень подвижности узлов относительно друг друга. CFX позволяет задавать закон изменения сеточной жесткости в нескольких видах, например, изменение сетки вблизи границ имеет вид r = (l/d) , где d - расстояние от подвижной границы, С- константа, определяющая как быстро происходит изменение сетки [60]. Процесс решения связанной задачи аэрогидроупругости с использованием инструмента MFX представлен на рис. 2.3 для случая начала процедуры с аэрогидродинамического расчета.
Определение механических характеристик материалов ГО
Описанная зависимость выражается в том, что среднее значение каждого из параметров (нагрузки) остается на том же уровне (в том числе и без учета упругости ГО), с ростом давления внутри баллонета увеличивается частота изменения аэрогидродинамических нагрузок.
Другая серия вычислительных экспериментов имела своей целью исследование влияния ширины заделки скега к корпусу АСВП (см. рис. 4.7). Установлено, что с увеличением ширины заделки ожидаемо снижаются амплитуды колебаний скега, причем сохраняется зависимость частоты колебаний скега от начальной закачки воздуха в баллонет - чем больше начальная закачка, тем больше частота колебаний бортового ГО. В исследованных пределах изменения ширины заделки скега к корпусу не удалось получить явно просматривающейся зависимости параметров аэрогидродинамического сопротивления от упругости ГО - среднее значение этих параметров по прежнему не отличается от результатов, не учитывающих упругость ГО.
Моделирование на больших глубинах погружения АСВП «Хивус-10» позволяет сделать заключение о том, что с ростом глубины погружения относительно невозмущенного уровня воды уменьшается амплитуда колебаний ГО при относительно неизменяющейся частоте. Уменьшение амплитуды в этом случае объясняется большей площадью замывания скег и действием в кормовой части скега нижнего яруса существенно большей топящей силы. В целом, по результатам вычислительных экспериментов моделирования взаимодействия упругого бортового ГО АСВП с водовоздушным потоком в составе компоновки несущего комплекса можно сформулировать следующие выводы:
1. При отсутствии ветро-волновых возмущений ГО баллонетного типа на АСВП «Хивус-10», «Хивус-48» находятся в автоколебательном режиме. Амплитуда и частота колебаний зависят, в том числе, от величины массы воздуха, закачанного в баллонет - начального статического избыточного давления в баллонете.
2. При увеличении ширины зоны крепления скега к корпусу судна и отсутствии ветроволновых возмущений наблюдается тенденция к затуханию колебаний скега, в пределе реализуется решение, получаемое при мгновенно отвердевшем ГО.
3. Увеличение глубины погружения баллонета ведет к уменьшению амплитуды колебаний ГО.
4. Для исследованных компоновок АСВП «Хивус-10» при превышении относительной по радиусу баллонета ширины крепления баллонета к корпусу судна величины 1кр =lKpjR средние значения подъемной силы и силы сопротивления движению не зависят от упругости ГО и амплитуд колебаний скегов. В проектных проработках при выполнении указанного условия и используемых на АСВП нагнетателях, размерах ВП и скоростных характеристиках АСВП типа «Хивус» аэрогидродинамические характеристики вполне могут определяться исходя из формы, принимаемой баллонетами только под действием действия внутренних давлений закачанного в них воздуха.
Время расчета 1 секунды модельного времени приблизительно равно 8 часам при использовании персонального компьютера с 4-х ядерным процес сором с частотой 2.83 ГГц и оперативной памятью 8 ГБ под управлением 64-х разрядной операционной системы Windows ХР Professional.
Результаты решения задачи об обтекании корпуса АСВП «Хивус-48» потоком воздуха со скоростью 60 км/ч без учета упругости, представленные на рис. 4.8 в виде полей давления, выступают в качестве начальных условий для связанной задачи.
По результатам решения аэроупругой задачи получены данные о форме (рис. 4.9) и напряжениях в носовом ГО. Напряжения при данном расчетном случае малы и далее не рассматриваются.
Анализ по рис. 4.9 в зависимости от давлений в области ВП показывает образование «вдавленной» области по центру нижней части носового ГО в месте действия максимальных давлений по рис. 4.8. Причем интегральная величина этого давления возрастает вследствие образования менее обтекаемой формы носового ГО. С падением давления в ВП также увеличивается максимальная величина прогиба. Как и в случае бортового ГО, носовая часть функционирует в колебательном режиме. Частота и амплитуда колебаний за висят от давления в ВП и скорости набегающего потока. Перемещение характерной нижней точки носового ГО, расположенной в ДП судна, представлено нарис. 4.10.
Физическая постановка задачи дана в п. 2.4.2. Массово-инерционные характеристики, а также некоторые геометрические параметры и начальные значения давлений закачки для двух рассматриваемых АСВП с ГО баллонет-ного типа представлены в табл.4.1. Перемещения точек абсолютно жесткого корпуса связаны с перемещением центра тяжести модели, положение которого считается известным. Движение модели в поле действия гравитационных сил осуществляется заданием горизонтальной скорости V=\0M/C корпуса судна.
Давление в баллоне НЯ начальное Рня, Па 2660 2660 Моделирование производилось в программе ANSYS AUTODYN, реализующей конечноэлементный подход и явный метод интегрирования уравнений динамики. Расчеты проводятся для двух типов препятствий - «уступа» и «бревна», первое из которых характеризуется высотой уступа, а второе описывается радиусом полуцилиндра. Коэффициент трения между ГО и опорной поверхностью принят равным 0.5, что обеспечивает запас в большую сторону при определении напряжений.
Перед каждой серией вычислений производились предварительные расчеты, имеющие своей целью выбор оптимальных параметров расчетной области (количество элементов, параметры сгущения сетки), параметры демпфирования, параметры препятствий и т.д. Основными критериями при этом являлись сходимость расчета, скорость вычислений.
Время расчета одного варианта в случае модели «Хивус-10» составляет 15 часов (19 часов для модели АСВП «Хивус-48») при вычислениях на персональном компьютере на базе 4-х ядерного процессора Intel Core 2 с частотой 2.83 ГГц и оперативной памятью 8 ГБ под управлением 64-х разрядной операционной системы Windows ХР Professional.
При моделировании препятствия вида «уступ» рассматривалось четыре значения перепада высот для модели АСВП «Хивус-10» hy = 0.025л ., 0.12л ., 0.3л ., 0.5л .
На рис. 4.12 представлена иллюстрация схода АСВП «Хивус-10» с препятствия вида «уступ» в зависимости от времени. Наибольшие нагрузки при этом приходятся на носовую часть судна. Пневматическая часть ГО выполняет при этом демпфирующую роль.
Результаты решения задачи аэроупругости носового ГО
Целью представленных ниже натурных испытаний и расчетных работ является отработка и тестирование математической модели несущего комплекса ГО АСВП [53]. Описание натурного эксперимента по определению формы бортового ГО В ходе натурных испытаний определение формы деформированной поверхности надувного скега проводилось путем замера координат характерных точек на поверхности нижнего яруса скега. Эксперименты проводились с работающими нагнетателями на режиме висения судна над твердым экраном. С этой целью АСВП устанавливалось на кильблоки (см. рис. 3.12) таким образом, чтобы расстояние между экраном (специально подготовленной забетонированной площадкой) и нижним ярусом скега составляло при отключенных нагнетателях заранее известную фиксированную величину. С целью недопущения схода судна с кильблоков при выходе на воздушную подушку судно дополнительно нагружалось. Испытательная установка и схема замера координат характерных точек поверхности надувного скега с помощью лазерного измерителя
Схема, представленная на рис. 3.12, иллюстрирует процесс измерения координат характерных точек скега. На поверхность скега наносятся маркером метки, как по высоте, так и по длине скега. Для каждой метки при фиксированном положении штатива измеряется горизонтальное расстояние до штатива и вертикальное до экрана. Для достижения большей точности измерения проводились лазерным дальномером Bosch DLE 150, закрепленным на штативе.
На первом этапе производился замер координат маркированных точек на поверхности скега при неработающих нагнетателях. Второй этап проведение измерений координат этих точек с работающими нагнетателями. По разнице в смещениях между положениями точек на первом и втором этапах, определялась геометрия поверхности надувного скега в режиме висения АСВП над твердым экраном с работающими нагнетателями. В процессе эксперимента проводился замер давления в ряде точек ВП с помощью системы U-образных трубочных манометров (рис. 3.12).
Обобщенная схема решения задачи представлена на рис. 3.13. Внешние нагрузки на конструкцию скега рассчитываются в комплексе вычислительной аэрогидродинамики ANSYS CFX CFD [60]. Результаты расчета пред ставляют собой поле давлений, действующее на ГО АСВП. Задача интерполяции внешних нагрузок на конечноэлементную модель в текущей конфигурации решается специальным макросом (подпрограммой) на встроенном в ANSYS языке APDL [63]. В целях улучшения сходимости численного решения нагрузки на скег прикладываются по шагам в долях от полной нагрузки. Вычисление объема воздуха, заключенного внутри пневматической части ГО, по зависимости (2.19) на текущем шаге решения задачи в ANSYS Mechanical реализовано также в виде макроса. Конечноэлементная модель скега описана в п. 4.1.1.
Результаты сопоставления данных эксперимента и расчета по смещению характерных точек представлены на рис. 3.14. Рассогласование расчетных и экспериментальных данных по форме скега в корме судна может быть объяснено, по крайней мере, двумя причинами. Во-первых, в ходе натурных экспериментов не удалось обеспечить нулевой дифферент АСВП - наблюдался некоторый дифферент на корму, и, вследствие неравномерного поля давлений внутри ВП, в корме судна наблюдались большие смещения. Во-вторых, сам расчет гидродинамических нагрузок можно считать верным только для первого шага нагружения, т.к. затем, вследствие изменения формы, меняется картина истечения из ВП, что ведет к необходимости проводить новый расчет внешних нагрузок. В целом же, совпадение результатов расчетов и экспериментов на данном этапе можно считать вполне удовлетворительным.
Похожие диссертации на Моделирование статики и динамики гибкого ограждения баллонетного типа амфибийного судна на воздушной подушке
-
-
-
