Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Введение в проектирование СДПП .
1.1. Общая характеристика судов и кораблей с динамическими принципами поддержания. Классификация типов 19
1.2. Особенности СДПП, определяющие специфику их проектирования 25
1.3. Состав и структура процесса проектирования СДПП 28
Глава 2. Исследование гидродинамических характеристик судов с динамическими принципами поддержания различных типов .
2.1. Форма обводов корпуса СДПП. Систематическая серия моделей АЭ 32
2.2. Сопротивление воды движению СДПП 39
2.2.1. Переходные и глиссирующие СДПП (ГЛ) 41
2.2.1.1. Однокорпусные суда (ГЛО) 41
2.2.1.2. Суда-катамараны (ГЛК) 47
2.2.2. СДПП-катамараны с гидродинамической разгрузкой (КГР).бб
2.2.3. СДПП на подводных крыльях (СПК) 70
2.2.3.1. Однокорпусные суда (СПКО) 71
2.2.3.2. Суда - катамараны (СПКК) 72
2.2.4. СДПП-катамараны с аэростатической разгрузкой (КАСР)...77
2.2.5. Сопротивление движению СДПП на волнении.. 83
2.3. Остойчивость СДПП 85
2.4. Мореходные качества СДПП 88
2.5. Сопоставительные характеристики типов СДПП 95
Глава 3. Методы определения характеристик судов на подводных крыльях .
3.1. Методы определения технических характеристик и параметров.
3.1.1. Определение сопротивления движению на начальном этапе проектирования 97
3.1.2. Проектирование и оценка мореходных качеств крыльевой системы 101
3.1.3. Методы выбора формы обводов корпуса 104
3.1.4. Гидродинамические характеристики глиссирующих за подводным крылом плоско-килеватых пластин 110
3.1.5. Расчет посадки неполноотрывных СПК с носовым крылом 116
3.2. Методы анализа модельных и натурных испытаний .
3.2.1. Экспериментальное исследование угловых возмущений на крыльях СПК в условиях нерегулярного волнения 120
3.2.2. Прогнозирование явлений срыва потока с подводного крыла на реальном морском волнении 122
3.2.3. Определение характеристик работы гребных винтов и сопротивления движению поданным натурных испытаний..126
Глава 4. Формирование основных параметров технического облика СДПП в системах автоматизированного проектирования .
4.1. Основные принципы и особенности построения САПР СДПП 140
4.2. Построение САПР ФОПО и конфигурация технических средств 148
4.3. Структура базы данных САПР ФОПО 151
4.4. Особенности построения модулей САПР СДПП 154
4.4.1. Определение параметров гидродинамического комплекса и характеристик сопротивления движению СДПП 154
4.4.2. Подбор миделевого сечения корпуса 156
4.5. Критерии технического совершенства судов 159
4.5.1. Построение критериев технического совершенства судов.160
4.5.2. Рейтинговые оценки качеств судов 161
4.6. Систематика основных технических характеристик СДПП... 164
Глава 5. Обоснование и реализация в практике судостроения основных концепций и направлений в проектировании и развитии отечественных высокоскоростных судов с динамическими принципами поддержания .
5.1. Крупные корабли-катамараны с аэростатической разгрузкой.. 177
5.1.1. Организация работ по созданию KACP большого водоизмещения 178
5.1.2. Основные принципы программы развития отечественных KACP 179
5.1.3. Проектная концепция KACP большого водоизмещения 181
5.1.4. Техническое обоснование программы развития KACP 183
5.1.5. Практическая реализация программы развития отечественных KACP 186
5.2. Концептуальные основы перспективного экранопланостроения.194
5.2.1. Уроки истории экранопланостроения 196
5.2.2. Концепция технического облика тяжелых экранопланов II поколения 198
5.2.3. Проектные обоснования экранопланов II поколения для некоторых сфер использования 211
5.2.3.1. Международная глобальная система морской безопасности 214
5.2.3.2. Система морского старта-посадки многоразовых космических аппаратов 220
Заключение 228
Литература 231
- Особенности СДПП, определяющие специфику их проектирования
- Сопротивление воды движению СДПП
- Методы анализа модельных и натурных испытаний
- Построение САПР ФОПО и конфигурация технических средств
Введение к работе
Суда и корабли с динамическими принципами поддержания ( в дальнейшем сокращенно объединенные термином «суда» и абревиатурой «СДПП» ) в настоящее время широко распространены. Основными типовыми представителями СДПП являются глиссирующие суда и суда переходного гидродинамического режима движения (ГЛ), суда на подводных крыльях (СПК), на воздушной подушке (СВП), а также экранопланы (ЭП).
Использование СДПП позволяет достичь высоких скоростей движения, вплоть до 200 -250 узлов, и ряд задач на море может быть решен только с помощью судов с динамическими принципами поддержания.
Истекший период развития СДПП в целом характеризуется накоплением опыта их создания и эксплуатации, уточнением оценки вклада в решение транспортных и других задач, переходом от опытно-конструкторских работ к серийному строительству судов хорошо зарекомендовавших себя типов. В настоящее время существует уже большое количество линий, на которых скоростные суда успешно конкурируют с другими видами морского, сухопутного и воздушного транспорта. Круг стран, эксплуатирующих СДПП и имеющих в составе своих гражданских, военно-морских, пограничных, таможенных и др. флотов скоростные суда и корабли, постоянно расширяется. За последнее десятилетие общее число СДПП, находящихся в эксплуатации в мире, возросло почти на 45%, а ориентировочный годовой объем только пассажирских перевозок увеличился почти в 2 раза и составил к концу XX столетия ок. 320 миллионов человек.
Однако период интенсивного развития судов с динамическими принципами поддержания, начавшийся во второй половине XX столетия, еще далек от своего завершения ввиду устойчивой тенденции мирового судостроения к повышению скоростных качеств морских средств. Современный этап развития СДПП ознаменован появлением таких новых типов судов, как глиссирующие суда с нетрадиционными формами обводов или с различными устройствами, позволяющими снизить сопротивление движению и повысить мореходные качества (например - с помощью элементов подводных крыльев, управляемых интерцепторов, искусственной каверны или воздушной смазки), СДПП на подводных крыльях новых конструктивных схем (в том числе с использованием автоматического управления подводными крыльями), крупные амфибийные и скеговые суда на воздушной подушке, скоростные катамараны различных типов, экранопланы и т.д.
Следует подчеркнуть, что честь первооткрывателей в появлении и развитии многих новых типов СДПП принадлежит отечественным конструкторам и ученым, как и в развитии основополагающих разделов теории их проектирования. По ряду новых типов СДПП Россия достигла и продолжает сохранять преимущественное положение в их развитии, а в отношении некоторых отечественных научно-технических разработок СДПП можно отметить, что за рубежом еще только приступают к изучению и освоению аналогичных идей и конструкций.
В работах по созданию отечественных СДПП принимает участие большое число проектных и научно-исследовательских организаций как судостроительной, так и смежных отраслей промышленности, организаций заказчиков, заводов-строителей различного профиля и т.д. Ведущая роль в развитии отечественных СДПП принадлежит таким организациям, как ФГУП «ЦМКБ «Алмаз», ОАО «ЦКБ по СПК им.Р.Е.Алексеева», ФГУП «Зеленодольское ПКБ», ФГУП ГНЦ РФ «ЦНИИ им.акад.А.Н.КРЫЛОВА», ФГУП «1 ЦНИИ МО РФ», ГосНИЦ ЦАГИ им.проф.Н.Е.Жуковского, Гос. Морской технический университет, ЗАО «ЦНИИ МФ», Российский Морской Регистр Судоходства и ряду других организаций.
Вопросы теории проектирования и практики создания СДПП весьма широко освещены в технической литературе. Опубликовано и продолжает публиковаться большое число отдельных статей, тематических сборников, материалов технических конференций. Обобщению достигнутых результатов посвящены ряд монографий [1 - 21 и др.], справочная [22 - 41 и др.] и учебная литература [42 - 46 и др.]. В этой связи следует отметить работы
Егорова И.Т., Масеева М.Б., Пашина В.М., Русецкого А.А., Садовннкова Ю.М., Ро)кдественского К.В., Эпштейна Л.А., Соколова В.Т., Синицына Д.Н., Маскалика A.M., Волкова Л.Д., Ляховицкого А.Г., Паравяна Э.А., Цоя Л.Г., Колызаева Б.А., Дьяченко В.К.. Демешко Г.Ф., Денисова В.И., Перельмутра А.С., Загорулько Л.К., Косорукова А.И., Плисова Н.Б., Лукашевича А.Б., Ваганова A.M., Абрамовского В.А. Бунькова М.М., Мартынова А.И., Володина Н.С., Лукашевского В.А., Бенуа IO.IO., Блюмина В.И.,Иванова Л.А., Дробленкова В.Ф., Титова И.А., Басина М.А., Панченкова А.Н., Иконникова В.В., Ханжонкова В.И., Жукова В.И.,Радовицкого ГЛ., Мавлюдова М.А., Злобина Г.П., Смирнова С.А., Войткунского Я.И., Белавина Н.И. и многих других исследователей и проектантов.
Как появление новых типов СДПП, так и совершенствование уже существующих ставит исследователей и проектантов перед необходимостью решать новые специфические задачи. При этом динамичное развитие СДПП предопределяло и во многом еще предопределяет первенство практики проектирования и создания судов и кораблей перед развитием теории их проектирования, упреждающую создание расчетных методов отработку конструкций на основе опытно-экспериментальных исследований. В связи с этим и несмотря на то, что большой объем выполненных разработок и исследований по судам с динамическими принципами поддержания позволяет уже сейчас рационально проектировать многие их элементы, ни соответствующие разделы специальных наук, ни общая теория проектирования СДПП не могут считаться разработанными в законченном виде.
Сказанное выше особенно справедливо по отношению к исследованиям и созданию СДПП новых типов. В проектировании СДПП не развиты разделы, в которых были бы проанализированы имеющие место на практике особенности разработки СДПП новых типов и в которых устанавливались бы общетеоретические положения по формированию их технического облика, определялись соответствующие особенности процесса проектирования, рассматривались вопросы выработки концепций технического облика новых типов судов.
Основным фактором, обуславливающим необходимость постоянного развития и расширения различных разделов теории проектирования судов с динамическими принципами поддержания и развития связанных с ними специальных наук является то, что накопленная по этим судам научно-техническая информация не является исчерпывающей. В первую очередь это справедливо в отношении ведущей в проектировании СДПП дисциплины - гидроаэродинамики, поскольку интенсивное появление новых типов СДПП требует постоянного совершенствования существующих методов определения их гидроаэродинамических характеристик и разработки соответствующих новых методов. То же следует сказать и в отношении развития методов проектирования СДПП, как объектов в целом, т.е. методов определения всего комплекса проектных параметров их технического облика.
Т.о., развитие теории и практики проектирования СДПП выдвигает ряд общих задач, решение которых необходимо для создания новых типов высокоскоростных судов, а именно задач:
- выявления технических особенностей СДПП новых типов, определяющих специфику
их проектирования;
- накопления научно-технической информации и развития прикладных методов
формирования, в первую очередь, гидродинамического комплекса судов;
- развития методов определения основных технических проектных параметров судов в
целом;
- выработки, с учетом вышесказанного, ведущих концепций технического облика
новых типов судов.
Настоящая диссертационная работа представляет собой комплекс исследований в рамках решения указанных выше научных задач. Исследования и методы, изложенные ниже, выполнены и разработаны автором в процессе его непосредственного участия в создании судов и кораблей с динамическими принципами поддержания, начиная с 1960 г. Критерием
для представления в настоящей диссертации соответствующих исследований и методов служила их строгая практическая направленность и предшествующая апробация в конструкторских бюро и исследовательских организациях. Научные задачи, решению которых посвящена диссертация, выдвигались самой практикой проектирования, создания и развития СДПП и касаются проблем, не освещенных или недостаточно освещенных до того в работах других авторов и в научно-технической литературе. Особой заботой автора было то, чтобы материалы диссертации могли быть непосредственно использованы при практическом проектировании судов.
Указанное выше многообразие СДПП нашло свое отражение и в диссертационной работе, затрагивающей различные типы судов с динамическими принципами поддержания -от безотрывных судов переходного и глиссирующего режимов движения, до полноотрывных судов-экранопланов. Многочисленность проблем, связанных с созданием СДПП, выразилась в широкой тематике представленных вопросов проектирования - от специальных задач отработки гидродинамического комплекса СДПП, до разработки концептуальных проектных положений в целом по техническому облику новых типов судов.
Структура задач и основные взаимосвязи между ними в диссертационной работе представлены на блочной схеме рис.1.
Головной блок структуры задач посвящен определению общетеоретических положений по разработке технического облика высокоскоростных судов с динамическими принципами поддержания, развитых и конкретизированных в диссертации непосредственно для СДПП новых типов. Сказанное выше потребовало соответствующего анализа развития облика как высокоскороспых судов в целом, так и их основных агрегатов, в частности. Учет сложившейся практики разработки и создания СДПП обусловил необходимость уточнения состава и структуры процесса проектирования высокоскоростных судов, введения ряда новых понятий и расстановки соответствующих акцентов.
Из задач, поставленных в головном блоке, непосредственно вытекают структура и содержание последующих прикладных разделов диссертационной работы.
Первый блок прикладных задач связан с формированием гидродинамического комплекса СДПП новых типов. Формирование гидродинамического комплекса указанных судов требует решения, прежде всего, трех основных задач, а именно:
пионерского поиска и последующего исследования новых типов и форм судов и их специфических несущих устройств;
разработки и развития методов расчетов несущего гидродинамического комплекса;
- разработки и развития методов исследований и анализа гидродинамических
характеристик судов.
В отношении первой из указанных задач следует отметить, что, на момент проведения изложенных в диссертации экспериментальных исследований, отсутствовали систематические данные по одному из основных элементов гидродинамического комплекса СДПП, а именно - по форме корпуса с учетом специфики различных типов судов с динамическими принципами поддержания. Можно сказать, что ранее в рамках определенного диапазона параметров формы корпуса в достаточной степени были изучены только характеристики однокорпусных судов переходного и глиссирующего режимов движения. Даже для одного из наиболее хорошо изученных типов СДПП - однокорпусных судов на подводных крыльях (СПК) - не были в систематическом виде и в достаточно широком диапазоне исследованы параметры формы как носовой, так и, особенно, кормовой оконечности корпуса, что представляет специфический интерес для СПК.
На момент проведения настоящих исследований полностью отсутствовали экспериментальные данные и, соответственно, их анализ и рекомендации к проектированию, по характеристикам форм корпуса высокоскоростных катамаранов любых видов, не разрабатывались и не изучались возможности повышения их гидродинамических характеристик, например, с помощью впервые рассмотренных в диссертации гидродинамической или аэростатической разгрузок.
Сказанное выше потребовало систематического экспериментального исследования особенностей гидродинамики корпуса СДПП различных, в первую очередь - новых типов (особенно - катамаранов); кроме того, было необходимо исследовать различного типа комбинации несущих элементов СДПП, позволяющие значительно повысить характеристики ходкости, мореходности и остойчивости судов. В результате автором, на основе проведенных им в ЦМКБ «Алмаз» исследований серии моделей АЭ, были сделаны соответствующие выводы и рекомендации по новым типам несущего гидродинамического комплекса высокоскоростных судов и его элементам (другой важный элемент полного гидродинамического комплекса СДПП - движительный комплекс - в указанных исследованиях не рассматривался).
Представленные в следующих двух подразделах первого блока задач методы расчета несущего гидродинамического комплекса СДПП, исследований и анализа модельных, полунатурных и натурных испытаний развиты автором применительно к судам на подводных крыльях, однако некоторые из них могут быть использованы и для других типов СДПП.
Для судов на подводных крыльях, несмотря на широкое распространение этого типа СДПП, до сих пор в недостаточной мере разработаны способы оценки основных проектных характеристик на начальных стадиях проектирования и соответствующие методы расчета гидродинамического комплекса, в частности - определения сопротивления движению, методы выбора крыльевой схемы и определения оптимальной формы корпуса с учетом его сопротивления движению в одном из самых сложных режимов - при выходе судна на крылья, отсутствовали методы учета волнового взаимодействия подводных крыльев и корпусов судов, расположенных за подводными крыльями в деформированном ими потоке.
Методы, изложенные в диссертации, позволяют на начальных стадиях проектирования:
- в отличие от применяемых статистических оценок с достаточной для практики
точностью расчетным путем, с учетом геометрических параметров крыльевой схемы,
величин нагрузок, влияния кавитации и ряда других факторов, определить значения
сопротивления движению судов;
- оценить характеристики и отработать элементы крыльевой системы путем испытаний
изолированных крыльевых устройств на тихой воде, до проведения испытаний моделей
судна на волнении, как это обычно имеет место;
- исключив обычно проводимые для этого модельные испытания, подобрать и
оптимизировать форму обводов корпуса судна и определить величину его сопротивления
движению, в том числе в режиме выхода на крылья, на основе использования полученных в
предыдущем разделе диссертации экспериментальных данных по серии АЭ;
- в отличие от существующих методов, рассчитать гидродинамические характеристики
корпуса судов, движущегося в деформированном подводным крылом потоке, и учесть
взаимодействие подводных крыльев и корпуса при определении посадки неполноотрывных
СПК, а в ряде случаев - и при расчете посадки полноотрывных судов на режиме выхода на
крылья.
Модельные, полунатурные и натурные испытания и их анализ являются как мерилом корректности методологической основы расчета характеристик гидродинамического комплекса судов, так и источником пополнения статистической базы их проектирования достоверной информацией. Для СДПП проведение такого анализа имеет особую важность ввиду трудностей учета, при расчете или пересчете с моделей на натуру гидродинамических характеристик, таких явлений, как срыв потока и кавитация на несущих поверхностях, выступающих частях и гребных винтах, а также ввиду невозможности корректного определения по данным модельных испытаний сопротивления движению в переходных режимах. Между тем, методы проведения исследований и анализа испытаний СДПП в целом развиты недостаточно, а по ряду характеристик судов отсутствуют вообще.
Однокорпусные
Катамараны (новый тип)
Однокорпусные
Катамараны (новый тип)
о а о
о о
S S сг (Г
? 5
S X
я а
Переходные и
глиссирующие суда с
расширенным
диапазоном
параметров формы
корпуса
Катамараны с гидродинамической разгрузкой (новый тип)
Суда на подводных крыльях с расширенным диапазоном параметров формы корпуса и специальными типами крыльевой системы
Катамараны
с аэростатической разгрузкой
(новый тип)
о о
о g
9 о
» н
л s
х и
в а
о л>
3 I
СГ о
В g
О? їз 5 Я Я
s
о о
ю *а
u s
я -а
а и
я "а a
СО 2 Я
К 2 о
И (В н
5 я; 3
я о
Уточненное определение сопротивления движению,
параметров крыльевой схемы и формы обводов
корпуса полноотрывных СПК на основе диаграмм и
экспериментальных данных
Расчет гидродинамических характеристик
неполноотрывных СПК с учетом деформации водной
поверхности за подводным крылом
5 "в
5 о
sag и и о
S'* р о 5 *т*
3 ш
Я Й
о
р
хз н р
Я о я я о »
о р
О!
о н
ел (л
г
S s
E і p
ІЗ 2
Л ^ E
Исследование условий и характеристик работы
крыльевых систем СПК на реальном морском
волнении
Определение характеристик работы натурных гребных
винтов, сопротивления движению и пересчет с
Основные принципы и особенности
построения САПР СДПП, САПР
ФОПО
моделей на натуру
Структура и особенности базы данных САПР ФОПО
Особенности построения расчетных модулей САПР ФОПО
Критерии технического
совершенства и рейтинговые
оценки качеств судов
Т~^
Л-
и 8 3 -о
1 S-3 і
w Ц р с
ю = s 5
Є * =- я
5 = Е Е
я з а із "Я
И|[
в =
3 о
>
я о> Я о о "О и о о о
if I
= г = 5
Ео^Е>-Зоой
2 "<
= X
ssgaSgg
С I Я -J ~» 3
я о ш
в к я о к
Я р
о Й
О oi о о
Я х и г» в о -я о
_ о
S Р с
3 я 2
ж 3
я g Я
Методы исследований и анализа модельных и натурных испытаний, представленные в диссертации, впервые позволяют определить реальные угловые возмущения на крыльях СПК в условиях движения на нерегулярном волнении, учесть влияние срыва потока с подводных крыльев на действующие на них нагрузки, определить характеристики работы гребных винтов в натурных условиях неравномерного обтекания и кавитации и, на этой основе, рассчитать уточненное значение сопротивления движению судна в отличие от применяемого в настоящее время приближенного метода с использованием паспортных диаграмм движителей.
Для определения основных проектных параметров судов, как объектов в целом, в настоящее время широко используются системы автоматизированного проектирования (САПР), достаточно глубоко развитые для целого ряда типов традиционных судов. Однако для судов с динамическими принципами поддержания система автоматизированного проектирования, не считая отдельных ее элементов, в отечественном судостроении в целом не создана.
В связи с вышесказанным, во втором блоке прикладных задач диссертации, касающемся определения основных проектных параметров СДПП в целом, потребовалось сформулировать развитые автором диссертации основные принципы построения САПР СДПП, разработка которой велась в течение ряда лет в судостроительной отрасли (в первую очередь - при непосредственном участии Зеленодольского ПКБ). Построение иерархии и структуры САПР, ее базы данных, ведущих расчетных модулей системы основано на учете особенностей проектирования судов с динамическими принципами поддержания новых типов, в частности -необходимости формирования гидродинамического комплекса на базе данных по испытаниям реальных моделей судов ввиду наличия специфических элементов несущего комплекса и трудно рассчитываемых переходных режимов, наличия в облике СДПП нехарактерных для плавающих судов агрегатов, особой важности проблем весового проектирования и необходимости поиска конструкций минимальной массы и др.
Поскольку принятая в разрабатывавшейся САПР ориентация на повариантную оптимизацию решений на глобальном уровне приводит к рассмотрению большого числа вариантов облика судов, в диссертации предложен новый подход к предварительному ограничению числа вариантов на уровне технического проектирования с использованием рейтинговых оценок качеств судов и выведен комплексный показатель технической эффективности судна по решению транспортной задачи.
Последний блок задач диссертации посвящен авторским обоснованиям концепций технического облика двух новых типов судов с динамическими принципами поддержания -катамаранов с аэростатической разгрузкой и двухрежимных тяжелых экранопланов П поколения. Обоснование концепций технического облика судов является, с одной стороны, заключительным этапом в определении проектных технических параметров новых типов СДПП, связанные с которым вопросы рассмотрены в предыдущих разделах диссертации, и, с другой стороны, начальным этапом в конкретном проектировании и реализации судов. Представленные ниже концепции, несмотря на сугубо различные типы рассмотренных судов, объединены общей методологией определения основных технических параметров СДПП новых типов.
Концепция первого из указанных типов судов основана непосредственно на изучении особенностей гидродинамики СДПП новых типов, изложенном выше в разделе систематических модельных исследований, и последующих проектных обоснованиях отечественных катамаранов с аэростатической разгрузкой программного ряда. В соответствии с концепцией автором выдвигались предложения по техническому облику указанных кораблей, в том числе - в процессе сопровождения проектирования разработанных ЦМКБ «Алмаз» и находящихся в составе отечественного ВМФ кораблей проекта «Сивуч» (как кораблей I этапа программы), являющихся самыми крупными в мире кораблями-катамаранами с аэростатической разгрузкой (с водоизмещением ок.1100 тонн).
Концепция другого нового типа СДПП - двухрежимных тяжелых экранопланов П поколения (с водоизмещением ок.750 тонн) - основана на результатах обширных исследований и разработок, включенных в диссертацию в ограниченном объеме только в виде заключительных выводов по проделанным работам (выполнявшимся в рамках объединенных с исследованиями ЦКБ по СПК им.Р.Е.Алексеева разработок перспективных экранопланов). Концепция экранопланов П поколения, как двухрежимных тяжелых высокоскоростных судов с
динамическими принципами поддержания разработана в качестве обоснования перспективы развития этого нового направления в судостроении. Практические приложения концепции в диссертации рассмотрены в виде двух возможных реализаций - при создании Международной глобальной системы морской безопасности (SSS) и создании Системы Морского старта-посадки многоразовых космических аппаратов (WSL).
Т.о., научные задачи, решению которых посвящена настоящая диссертационная работа, могут быть сформулированы следующим образом:
- анализ специфических особенностей технического облика высокоскоростных судов с
динамическими принципами поддержания и практики их разработки и создания для уточнения
состава и структуры процесса проектирования СДПП новых типов;
- поиск и экспериментальное исследование новых форм корпуса и несущего
гидродинамического комплекса СДПП для разработки практических рекомендаций по
созданию судов с динамическими принципами поддержания новых типов с высокими
характеристиками ходкости, мореходности и остойчивости;
- разработка новых методов расчета параметров несущего гидродинамического комплекса
судов на подводных крыльях в части определения сопротивления движению, выбора
параметров крыльевой схемы и формы обводов корпуса, учета волнового взаимодействия
элементов указанного комплекса, а также разработка новых методов исследований и анализа
характеристик работы крыльевых систем СПК, их гребных винтов и сопротивления движению
в натурных условиях;
формирование основных принципов построения системы автоматизированного проектирования высокоскоростных судов с динамическими принципами поддержания для определения основных проектных параметров судов в целом;
обоснование проектных концепций технического облика новых типов судов с динамическими принципами поддержания.
Исследования по формированию гидродинамического комплекса СДПП и разработка связанных с этим методов расчета и анализа характеристик СДПП основывались на экспериментах с моделями и на результатах натурных испытаний судов. В ряде случаев разработка способов определения характеристик гидродинамического комплекса судов основывалась на теоретических и полуэмпирических методах с последующей проверкой результатов по экспериментальным данным. Некоторые разделы работы основаны на систематических расчетах характеристик СДПП и проектных проработках их технического облика.
Приведенные в диссертации исследования, методы и разработки непосредственно использовались при текущем проектировании СДПП ряда конкретных проектов (пр.пр. «Стрела», «Мир», 125А, «Ураган», «Шторм», «Сивуч» и др.), при испытаниях судов и их аналогов, анализе получаемых технических данных, определении технического облика перспективных судов и кораблей, разработке программ отечественного судостроения. В указанных работах автор принимал непосредственное участие.
В целом материалы диссертации дополняют ряд разделов теории проектирования судов с динамическими принципами поддержания. Основные из представленных исследований и разработок, или их результаты, опубликованы в периодической технической литературе, трудах научно-технических конференций, в том числе международных, или в отдельных книжных изданиях и справочниках. Общее число печатных публикаций по материалам настоящей диссертации составляет 53 работы.
Основные результаты работы докладывались на: отраслевых научно-технических конференциях по теории корабля в 1966, 1968, 1969, 1972 и 1973гг (г.Ленинград) и методам прогнозирования мореходных качеств судов в 1987г (г.Севастополь); конференции Института Морских инженеров по морским прибрежным средствам обороны в Плимуте (Англия) в 1994г; международных конференциях по судостроению ЦНИИ им. акад.А.Н.Крылова в 1996-1998, 2001 и 2003гг; международных конференциях по судостроению и судоходству при выставках на ЛЕНЭКСПО в 1995 и 1999гг; конференциях по гидроавиации ТАНТК им.Г.М.Бериева и ГосНИЦ ЦАГИ (г.Геленджик) в 1996 и 1998гг; научных чтениях в ГосНИЦ ЦАГИ (г.Москва) в1997г; конференции исследовательской организации НАТО по проблемам динамики движения объектов вблизи поверхностей воды и воздуха в Амстердаме (Голландия) в 1998г; конференции
по аппаратам, использующим эффект подстилающей поверхности, в Морском Техническом Университете (г.С-Петербург) в 2000г; симпозиумах по морским технологиям и проблемам астродинамики в Токио (Япония) в 2000 и 2001гг.
В главе 1 диссертационной работы содержатся общая характеристика судов с динамическими принципами поддержания и этапов их развития, анализ специфики технического облика СДПП и особенностей их проектирования, иерархия соответствующего процесса проектирования. Предлагается классификация СДПП с учетом реализованных на практике их новых типов, условий работы корпуса судов и основных конструктивных особенностей несущих поверхностей. Приводится авторская обработка данных по зависимости водоизмещения СДПП основных типов от полной полезной нагрузки, как исходной величины для инициирования процесса проектирования судов.
Особенности СДПП, определяющие специфику их проектирования
Класс судов и кораблей с динамическими принципами поддержания включает суда и корабли принципиально различных типов. Кроме того, внутри каждого типа имеет место чрезвычайно большое многообразие конструкций судов. Естественно, что особенности проектирования каждого типа СДПП связаны со спецификой технического облика судов этого типа. Тем не менее могут быть выделены общие для всех типов СДПП характерные особенности их проектирования.
Наиболее яркой отличительной особенностью проектирования СДПП на современном этапе их развития является то, что в большинстве случаев оно не идет "от прототипа" ввиду отсутствия достаточно близких аналогов. Уже созданные СДПП зачастую не могут служить в качестве прототипов ввиду их быстрого морального устаревания. Этому способствует наличие большого объема новых технических решений в облике каждого конкретного судна или корабля. СДПП создаются на острие новых достижений гидроаэродинамики, на пределе технических возможностей энергетики, конструкционных материалов, систем управления, различного рода специальных устройств и комплектующих изделий. Многие из технических решений, например, в части формы корпуса, вида и конструкции специальных устройств, обеспечивающих скоростные, мореходные и другие качества судна, состава и конструкции движительно-нагнетательного комплекса, типа и комплектации энергетической установки и т.п. внедряются на том или ином проекте впервые. Одновременное внедрение большого объема новых решений затрудняет использование прототипов. Способствует этому и длительный цикл исследовательских и опытно-конструкторских работ, которые необходимо проводить в обоснование каждого конкретного проекта. Общее возрастание уровня техники за период создания какого-либо нового судна уже позволяет, как правило, закладывать в проекты последующих судов и кораблей новые технические решения.
Высокие скорости движения СДПП обуславливают напряженность их весовой нагрузки и энергетической установки. Как правило, на судах с ДПП отсутствуют сверхрасчетные запасы прочности конструкций, имеют место минимальные запасы водоизмещения на ремонт и модернизацию, не применяется балластировка и т.д. Сравнительно небольшие перегрузка судна или смещение центра тяжести от расчетного положения, снижение по тем или иным причинам мощности двигателей (например - из-за повышения температуры окружающего воздуха) могут привести не только к определенному падению скорости хода, но и к невозможности развития высоких скоростей движения вообще. Кривая сопротивления движению основных типов СДПП имеет ярко выраженный "горб" на скоростях разгона, к тому же значительно возрастающий в условиях волнения моря, преодоление которого является залогом развития высокой скорости хода. В процессе разгона судна даже в расчетных условиях, как правило, используется вся мощность энергетической установки, причем нередко на режимах перегрузки двигателей с весьма ограниченным ресурсом эксплуатации.
Необходимость всемерного снижения массы корпуса и устройств СДПП при обеспечении высокой прочности привела к использованию для них нетрадиционных ранее для судостроения легких алюминиевых сплавов, а для крыльевых устройств СПК-КПК, например, нержавеющих сталей и титана. Получили широкое распространение специфические для быстроходного судостроения конструкционные полуфабрикаты - прессованные панели, сотовые конструкции и т.п. Из других специфических конструкционных материалов СДПП следует упомянуть многослойные стеклопластики, а для гибких ограждений СВП-КВП - материалы на резинотканевой основе. СДПП являются судами высокой энерговооруженности - удельные мощности их энергетических установок составляют до 100л.с./т и более. Потребность в снижении массы энергетической установки и в обеспечении при этом высокой энерговооруженности СДПП предопределила заимствование из авиации и доработку для использования в морских условиях легких и мощных двигателей - быстроходных дизелей, газовых турбин, турбореактивных ускорителей. Дальнейшее развитие СДПП, рост их водоизмещения и повышение эксплуатационных качеств стимулируют разработку и внедрение легких двигателей все большей мощности, применение комбинированных дизель-газотурбинных, газо-газотурбинных и других подобных типов энергоустановок повышенной сложности. Усложнение энергоустановок СДПП и ужесточение условий их эксплуатации, характерное для этого класса судов, связано также с многообразием используемых ими режимов движения - от плавания на малых скоростях хода до движения над поверхностью воды на высоких скоростях.
Сказанное выше в отношении сложности и конструктивного многообразия относится и к передачам мощности от двигателей к движителям и к самим движителям СДПП. Трансмиссии энергоустановок отличаются широким применением угловых передач, пересекающих под значительным углом свободную поверхность воды наклонных валов, использованием схем передач с перекидкой мощности к различным потребителям в зависимости от режима движения и т.п. В отношении движителей для СДПП характерно применение как специальных типов водяных движителей, например, кавитирующих и частично-погруженных винтов, в том числе соосных схем, быстроходных осевых, центробежных, вентилируемых и других типов водометов, так и столь необычных для судостроения движителей, как воздушные винты и турбореактивные тяговые агрегаты.
Сугубо специфическим для СДПП является использование специальных устройств, обеспечивающих им высокие скоростные качества. Эти устройства являются доминантами в их техническом облике, определяя ходкость, мореходность, остойчивость и устойчивость движения. Схемы и конструкции этих устройств - интерцепторов, транцевых плит и воздушных каверн у глиссеров, подводных крыльев у СПК-КПК, воздушных подушек и их гибких ограждений у СВП-КВП, воздушных крыльев и других несущих поверхностей у экранопланов практически индивидуальны для каждого проекта судна с ДПП. Обеспечение эксплуатации этих устройств, в свою очередь, осуществляется с помощью дополнительных двигателей, трансмиссий, гидравлических и электрических приводов, различных обслуживающих агрегатов и механизмов. Для СПК-КПК это системы и приводы управления подвижными элементами подводных крыльев (закрылками, подвижными несущими поверхностями) или подъема крыльев из воды при движении малым ходом и на стоянке, для СВП-КВП - воздухонагнетатели, заслонки и системы воздушного тракта, системы управления и уборки гибких ограждений, для экранопланов - системы взлетно-посадочных устройств, управления подвижными элементами крыльев и оперений, отклонения исходящих из двигателей струй воздуха и т.д. Соответственно возрастают затраты топлива и других ресурсов на работу этих агрегатов и механизмов.
Сопротивление воды движению СДПП
Следует подчеркнуть, что сопротивление движению СДПП представляет собой сложную зависимость как от всего комплекса параметров формы корпуса, так и параметров его нагрузки. Поэтому особенно важна разработка таких методов сопоставления характеристик моделей, которые позволяют разделить влияние отдельных параметров на сопротивление движению. В настоящей работе предложено несколько таких методов.
Прежде всего, для осуществления более тонкого анализа сопротивления движению ВСК необходимо выделять несколько диапазонов значений основных параметров нагрузки, комбинации которых влияют специфическим образом на течение кривых обратного гидродинамического качества в функции от параметров формы корпуса: малые нагрузки Сд 0,35, средние - сд 0,4-0,5, большие - сд 0,55; носовые центровки xg 0,45, средние - xg 0,4-0,45, кормовые - xg 0,35. В части скоростных режимов недостаточно обычного выделения трех режимов (плавание, переходный режим, глиссирование), в переходном режиме движения следует выделять малые числа Фруда Fr„s l,0-1,5, средние Fr„» 1,5-2,2 и большие FrB 2,2-2,4. Следует подчеркнуть, что диапазон переходных чисел Фруда весьма интересен для практики, т.к. большинство ВСК эксплуатируется именно в этом диапазоне скоростей.
Как правило, результаты систематических испытаний моделей ВСК по исследованию различных форм обводов рассматриваются при свободной дифферентовке моделей при постоянных значениях коэффициентов нагрузки Сд и относительных центровок xg. Такой метод сопоставления нельзя признать достаточно корректным для выявления оптимальных сочетаний параметров формы ВСК, так как сравниваемые модели могут находиться в различной степени благоприятных или неблагоприятных условиях по посадке, например - по углу дифферента.
Чтобы дать проектанту возможность выбора формы обводов, обеспечивающей наименьшее сопротивление движению, варьируя компоновку ВСК и параметры их весовой нагрузки, влияние формы обводов следует оценивать при оптимальных по сопротивлению положениях центра тяжести и углах дифферента моделей. С этой целью результаты испытаний можно представить в виде зависимостей обратного гидродинамического качества Б= /(Xg) и ходового дифферента ер =/(xg) при сд и Fr„ в качестве параметров и затем определить минимальные значения Еопт и соответствующие Xgorn- и фопт для каждой формы обводов корпуса. Анализ результатов испытаний моделей серии АЭ показал, что метод оценки влияния формы обводов на сопротивление движению при оптимальных положениях центра тяжести сравниваемых моделей позволяет получить более упорядоченную характеристику этого влияния. Очевидно, что для получения полной картины влияния формы обводов целесообразно проводить анализ обоими методами - как при xg0m-, так и при постоянных значениях xg. Сказанное выше относится в полной мере к неполноотрывным ВСК глиссирующего и переходного режимов движения.
Для неполноотрывных ВСК, в образовании подъемных сил которых участвуют различного рода гидродинамические разгружающие элементы и устройства, или полноотрывных ВСК в режимах, соответствующих максимуму кривой сопротивления, анализ влияния формы обводов корпуса по результатам испытаний моделей без указанных устройств правомерно производить при постоянных углах дифферента, близких к априорно известному диапазону оптимальных ф в этих режимах. Для таких ВСК анализ при xgonT может быть не показательным, так как их посадка на воде может определяться не столько положением центра тяжести, сколько силами, развивающимися на разгружающих устройствах. В частности, для СПК на режимах горба сопротивления посадка судна определяется подъемными силами, развиваемыми крыльями, в большей мере, чем корпусом. В этом случае по зависимостям ф =/(Xd), при с,) и FrB в качестве параметров, определяются Xd, соответствующие принятому фзад и затем соответствующие є,,, по зависимостям є = /(xd). К сказанному следует добавить, что анализ характеристик сопротивления ВСК в режимах плавания, которые иногда также имеют большое значение (например, для многорежимных ВСК), целесообразно проводить методом свободной дифферентовки при XgonT, выбранных по расчетному режиму (полной скорости хода, горба сопротивления и т.п.).
Анализ результатов испытаний серии моделей АЭ проводился всеми тремя указанными выше методами. U( В процессе испытаний моделей серии АЭ на тихой воде измерялись сопротивление движению моделей, углы стояночного и ходового диффе рентов, смоченные длины по килю, скуле и борту, высота замываемого борта на транце и ряд других пара метров, в зависи мости от испыты ваемого типа вы сокоскоростных су дов. При проведении мореходных испы таний измерялись сопротивление дви жению, углы бортовой и килевой качки и ударные перегрузки по длине корпуса моделей. На рис. 2.2.1. - 2.2.3. приведены примеры представления по лученных на испы таниях результатов по сопротивлению движению Рис.2.2.2. U to ays (обратного гидродинамического качества e = R/A, где R - соп ротивление дви жению), углу диф ферента (р и относительной смо ченной длине корпуса по килю 1к (1К /L) в зависимости от числа Fr„. В аналогичной форме о,ю Cd«060 0,« O.JO o. s 0.5 IS «S rie представлялись первичные результаты измерений и других параметров движения испытанных моделей.
Методы анализа модельных и натурных испытаний
При движении на волнении на крыльевых устройствах (КУ) СПК имеют место угловые возмущения, обусловленные качкой и волнением. Эти угловые возмущения, знание которых необходимо для установления системы внешних сил, действующих на КУ, в настоящее время определяются теоретическими методами, дающими весьма приближенные результаты. Задача еще более усложняется в связи с тем, что для расчетов прочности конструкции КУ требуется установление системы внешних сил не только при устойчивом движении СПК, но также и в моменты потери устойчивости, которые имеют место на реальном волнении.
Определение фактических углов атаки на крыльевых устройствах для различных скоростей хода, направлений движения к бегу волн, в моменты потери устойчивости движения и т.д. может быть произведено по результатам испытаний самоходных моделей проектируемого СПК и последующего экспериментально-расчетного аназиза. Такой анализ позволяет определить как полную величину действительного угла атаки на том или ином элементе КУ, так и разделить в каждое мгновение времени угловые возмущения, обусловленные непосредственно волнением и тем или иным видом качки [3.30.].
Для решения задачи в процессе испытаний самоходной модели должны синхронно фиксироваться угол дифферента (р, угловые скорости изменения дифферента ф и крена 9,скорость вертикальной качки Н, скорость движения v, нагрузка Р, действующая на соответствующий элемент КУ, и его погружение под свободной поверхностью h, а также угол перекладки рассматриваемой плоскости крыла б (если она поворотная и управляется системой автоматического управления - САУ). Кроме того, необходимо располагать экспериментальной или расчетной зависимостью су= /(a,h) для данного элемента КУ.
По результатам измерений Р, h и v в каждое мгновение времени может быть определен коэффициент подъемной силы Су элемента КУ и, по зависимости су= /(a,h) - его суммарный геометрический угол атаки а. Составляющие этого угла, обусловленные килевой, бортовой и вертикальной качками (с точностью до совпадения центра качания с центром тяжести самоходной модели), соответственно, могут быть определены по результатам измерений угловых скоростей и скорости вертикальной качки, как:где 1, b - расстояния элемента КУ, на котором производится измерение Р, по длине и ширине модели от ее центра тяжести (знаки углов определяются расположением элемента и системой координат).
Тогда угол скоса, обусловленный волнением, в районе элемента КУ где аУст - установочный угол атаки элемента КУ.
Указанным методом был проведен анализ испытаний самоходной модели крупнейшего в мире корабля на подводных крыльях пр. 1240 «Ураган». Элемент крыла, на котором тензометрированием определялась нагрузка Р, представлял собой поворотное, управляемое крыло, датчик погружения поворотного крыла был совмещен с его стойкой. КУ самоходноймодели являлось комбинированным, включая управляемые с помощью системы автоматического управления и неуправляемые плоскости крыльев.
Расшифровка синхронных записей Р, ф, ф, 6, v, h, угла перекладки крыла 5 и расчет значений суммарного угла атаки и его составляющих производились с шагом 0,25 сек. В связи с отсутствием измерителя скорости вертикальной качки выделить составляющую угла аі{ не представилось возможным, конечными результатами анализа были углы
В процессе анализа использовалась зависимость су= /(a,h), полученная для модели крыла в опытовом бассейне ЦНИИ им. акад.А.Н.Крылова.
Обобщая результаты синхронного анализа для движения различными курсовыми углами к бегу волн, можно констатировать, что наибольшие суммарные действительные углы атаки в комбинированных схемах крыльевых устройств, подобных испытанной, для управляемых и неуправляемых элементов практически одинаковы: они составили:при величинах составляющих:
Как показала практика проектирования и испытаний натурных судов на подводных крыльях, изложенный метод, несмотря на его известную приближенность, может быть использован для формирования структуры системы автоматического управления поворотными элементами крыльевого устройства, определения величины коэффициентов усиления по каналам САУ, позволяет с достаточной точностью прогнозировать величины нагрузок, действующих на элементы подводных крыльев СПК.
Построение САПР ФОПО и конфигурация технических средств
САПР ФОПО СДПП является объектно-ориентированной одноуровневой многоэтапной системой высокоавтоматизированного проектирования сложных объектов.САПР состоит из четырех базовых элементов: конструктора (проектанта судна), комплекса прикладных программных модулей (ППМ), базы данных (БД) и управляющей программы (монитора). Для работы системы необходима следующая минимальная конфигурация технических средств:-базовая ЭВМ;-оперативная память;-внешняя память для хранения программ и данных;-алфавитно-цифровой дисплей для организации диалоговой работы конструктора с системой;алфавитно-цифровое печатающее устройство (АЦПУ) для выполнения отладочных работ и получения протокола диалоговой работы конструктора.
Управление работой САПР создано на базе разработанного ЦНИИ им.акад.А.Н.Крылова общесистемного программного обеспечения САПР "Проект-1", усовершенствованного средствами диалога. Управление работой САПР, связь между базовыми элементами, передача и распределение информации осуществляются конструктором через монитор, обеспечивающий возможность изменения любых исходных данных, реализацию по выбору конструктора любого ППМ и их последовательности, сохранения или исключения той или иной информации в базе данных.
Диалоговая программа выводит на экран перечень задач, которые могут быть решены в диалоговом режиме, и конструктор выбирает нужную задачу. Затем на экран может быть выведено для просмотра описание задачи. После просмотра описания система предлагает выбрать режим решения задачи: авриантный или оптимизационный. В первом случае выполняется расчет по заданным вариантам, во втором - с использованием программы оптимизации по заранее выбранному критерию.
После выбора режима на экране дисплея заполняется таблица исходных данных и указываются либо варьируемые параметры, либо неизвестные параметры для задачи оптимизации (в том числе пределы величин, шаг).
После завершения ввода управление передается программе, решающей задачу; по завершении расчетов на экране представляются результаты решения и конструктор может повторить расчет с другими исходными данными, либо перейти к решению следующей задачи. Все результаты расчетов созраняются в базе данных системы.
В пакетном режиме, используя набор ППМ, можно формировать различные проектные задачи, описывая величины, значения которых требуется определить, и задавая имеющуюся исходную информацию. Запрос формируется конструктором на проблемно-ориентированном языке в терминах, максимально приближенных к понятиям, принятым при проектировании судов. При этом можно формулировать как прямые задачи, так и обратные, записывая непосредственно в тексте задания условия, которые необходимо выполнить, и указывая варьируемые параметры - неизвестные задачи.На основании этого задания транслятор и затем редактор связей планируют вычислительный процесс и подготовляют рабочую программу, удовлетворяющую запрос. После выполнения программы результат выводится на АЦПУ.комплекса (ДДНК), представляющих собой своего рода инфраструктуру технического облика высокоскоростных судов, и определение основных параметров конструктивной схемы судна, оценку нагрузки масс, запасов топлива и достижимой дальности хода ,что является условно-поверочным этапом в формировании указанного облика (рис.4.2.2.) Основным режимом работы САПР ФОПО является диалоговый. Функционирование системы начинается с задания в блок инициализации данных для определения в первом приближении водоизмещения судна, которые формируются на основе требований ТЗ заказчика. После корректировки полученной исходной информации конструктором выполняетсяпоследовательная реализация прикладных программных модулей. Переход к реализации каждого последующего модуля или программного блока осуществляется после принятия конструктором решения об удовлетворительности полученных в предыдущем модуле характеристик подсистемы судна (рис.4.2.3.).
Собственно формирование облика судна начинается с работы проектировочного ППМ "Определение параметров ГДК и характеристик сопротивления движению", в процессе работы которого обследуются и выбираются форма корпуса, главные размерения, параметры ВП, рассчитывается сопротивление движению в условиях тихой воды и волнения.
На основе полученных характеристик сопротивления движению и требуемых параметров ВП в первом приближении определяются потребные мощности главной ЭУ и конструктором принимается решение о всей композиции ДДНК. Затем на основе работы программного блока, состоящего из ППМ "Определение элементов движителей" (проектировочный ППМ) и "Построение паспортных диаграмм движителей, и последующей реализации проектировочного ППМ "Определение элементов нагнетателей" производится согласование элементов ДДНК по составу, мощностям, геометрическим размерениям, передаточным числам оборотов и др. Организацией и выполнением такого цикла согласования заканчивается первый этап работы САПР.
Второй этап начинается с формирования схемы общего расположения судна и размещения основных его систем и оборудования, которое на существующем уровне разработки САПР выполняется непосредственно конструктором. После выполнения этих работ имеющаяся информация по судну позволяет приступить к конструированию корпуса, которое производится на основе работы программного блока, включающего ППМ "Схематизированное распределение масс по длине корпуса", "Расчет продольного изгибающего момента", "Подбор миделевого сечения корпуса" (проектировочный ППМ). В процессе работы этого блока а ыполняется выбор материала корпуса.
Последующие расчеты массы металлического корпуса по характеристикам его миделевого сечения, а также остальных составляющих нагрузки масс (ППМ "Расчет массы корпуса, гибких ограждений, нагнетателей", "Расчет массы главной ЭУ и движителей", "Расчет массы систем и устройств", "Расчет массы ЭЭУ", "Расчет стандартного водоизмещения и запасов топлива") позволяют определить фактический запас топлива как разность между водоизмещением судна, принятым в первом приближении, и суммой составляющих нагрузки масс.
Звеном, замыкающим цикл проектирования, являются расчет фактической дальности плавания (ППМ "Определение дальности хода") и проверка удовлетворения требованиям ТЗ по этому показателю. В случае несоответствия фактической дальности плавания требованиям ТЗ уточняется во втором приближении водоизмещение судна и повторяется весь цикл работы САПР.
