Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные тенденции развития скоростных однокорпусных судов и исследование мирового рынка скоростных судов 15
1.1 Определение скоростных судов 15
1.2 Развитие скоростных судов 16
1.3 Обзор характеристик построенных быстроходных судов 24
1.4 Архитектурно-конструктивные типы пассажирского однокорпусного судна 29
1.5 Использование современных тенденций развития скоростных однокорпусных судов для проектирования туристских скоростных судов в Союзе Мьянма 31
Глава 2. Внешняя задача теории проектирования для скоростных туристских судов Союза Мьянма 32
2.1. Основные понятия внешней задачи теории проектирования судов...32
2.2. Современное состояние водных перевозок пассажиров в Союзе Мьянма 36
2.3. Развитие водного туризма в Союзе Мьянма 37
2.4. Применение методов теории проектирования к разработке общих требований к скоростным туристским судам 48
Глава 3. Повышение эффективности скоростных судов за счет снижения сопротивления движению 50
3.1 Вспомогательные элементы и устройства скоростных судов 50
3.2 Обзор литературы по использованию вспомогательных элементов на скоростных судах 56
3.3. Использование в математической модели проектирования скоростного судна эффекта снижения сопротивления за счет влияния на ходовой дифферент 63
Глава 4. Разработка математической модели проектирования скоростных туристских судов 80
4.1 Методика построения математической модели скоростных туристских судов 81
4.2 Алгоритм оптимизации 125
Глава 5. Методика проектного обоснования скоростных туристских судов для Союза Мьянма 132
5.1 Формулировка задачи оптимизации основных элементов скоростных туристских судов 132
5.2 Методика проектного обоснования скоростных туристских судов 141
5.3 Анализ результатов оптимизации 150
Заключение 158
Литература 160
Приложение 169
- Архитектурно-конструктивные типы пассажирского однокорпусного судна
- Современное состояние водных перевозок пассажиров в Союзе Мьянма
- Обзор литературы по использованию вспомогательных элементов на скоростных судах
- Методика проектного обоснования скоростных туристских судов
Введение к работе
Актуальность темы
Развитие транспортных средств характеризуется неуклонным увеличением их скоростей. В настоящее время наблюдается интенсивное развитие скоростных судов различного назначения. Они используются для перевозок пассажиров, контейнеров и автомобилей, в военных целях и т.д. Несмотря на значительное разнообразие типов скоростных судов, они обладают определенными особенностями, отличающими их от обычных транспортных судов, эксплуатирующихся с умеренными скоростями. В настоящее время класс скоростных судов является одним из наиболее развивающихся. В качестве скоростных судов, наряду с получившими большое распространение катамаранами, используются однокорпусные суда. Они имеют определенные преимущества в изготовлении и эксплуатации.
Мьянма — страна в юго-восточной Азии. Большая территория моря, протяженная прибрежная зона, богатство островов делают водный транспорт важным для страны. Большое количество красивых островов делают туризм и отдых на островах одним из важных направлений перспективной деятельности страны. В настоящее время в стране эксплуатируются туристские суда, но они не скоростные. Поэтому постройка и ввод в эксплуатацию скоростных судов для туристских перевозок актуальная проблема для Союза Мьянма.
При проектировании скоростных судов актуально повышение гидродинамической эффективности судов и экономия расходов топлива. Одним из возможных путей повышения гидродинамической эффективности является снижение сопротивления воды движению судна с использованием вспомогательных устройств и механизмов. При разработке методики проектирования скоростных судов для Союза Мьянма рассмотрено использование такого подхода.
В зависимости от таких характеристик как главные размерения, тип энергетической установки, материал корпуса и т. д. оценивается экономическая эффективность. Обоснованный выбор основных характеристик судна является важным при проектном анализе. Использование методов математического моделирования на начальных стадиях проектирования судна позволяет заранее определить успешность функционирования судна и исключить ненужные затраты людских и материальных ресурсов на постройку судов с нерациональными характеристиками. Развитие скоростных туристских судов представляет актуальную задачу для Союза Мьянма. Объект исследования
Объектом исследования является методика проектирования скоростных однокорпусных судов, движущихся в переходном режиме и режиме глиссирования.
Информационная база исследования
Теоретической базой диссертационного исследования являются труды российских и зарубежных ученых в области проектирования и оптимизации скоростных судов, ходкости и мореходности. В их числе работы Ашика В. В., Ногида Л. М, Бронникова А. В., Пашина В. М., Басина А. М., Ваганова А. М., Вицинского В. В., Гайковича А.И., Демешко Г.Ф., Леви Б.З., Логачева СИ., Ляховицкого А.Г., Павленко Г. Е., Царева Б. А., Сахновского Б. М., Соколова В. П., Кутенева А. А., Николаева В. A., Gee N. и др. Цель и задачи исследования
Целью диссертационной работы является разработка методики проектирования скоростных туристских судов и программного комплекса для определения основных элементов проектируемых судов на начальных стадиях работы над проектом. Основные задачи диссертационного исследования
К основным задачам диссертационного исследования относятся:
анализ тенденций развития скоростных судов на мировом рынке;
анализ статистических данных по скоростным однокорпусным судам;
анализ внешней задачи проектирования для конкретных эксплуатационных линий Союза Мьянма;
анализ и оценка методов повышения эффективности скоростных судов за счет снижения сопротивления движению;
построение логико-математической моделии оптимизация основных характеристик скоростных судов;
разработка программно-методического комплекса проектного обоснования туристских скоростных судов;
проверка результатов оптимизации.
Методы исследования
Использованы следующие основные методы для решения задач, поставленных в диссертационной работе:
методы оптимизации проектных характеристик судов;
методы статистического анализа;
математическое моделирование проектирования скоростных судов;
программный продукт системы Delphi, средства Microsoft Office. Научная новизна
Проведен анализ и выявлены тенденции развития скоростных судов.
Выполнен статистический анализ основных проектных характеристик построенных и эксплуатирующихся скоростных судов в различных странах мира.
Систематизированы применяемые конструктивные устройства для повышения эффективности скоростных судов за счет снижения сопротивления воды движению.
Рассмотрена внешняя задача проектирования- судов и основные эксплуатационные линии Союза Мьянма, расположение островов, расстояние между ними и береговой линией страны, а также другие условия, влияющие на привлечение туристов.
Разработана методика проектного обоснования скоростных судов, позволяющая определить главные размерения туристских судов на начальных стадиях проектирования.
Практическая ценность работы
Практическая ценность диссертационного исследования заключается в разработке и практическом применении:
методики выбора главных размерений скоростных туристских судов для Союза Мьянма.
способа снижения сопротивления воды движению скоростного судна с применением дифферентовочных механизмов.
Достоверность результатов исследования подтверждается:
использованием современных методов оптимизации проектных характеристик скоростных судов;
использованием методов постоптимизационного анализа для проверки чувствительности и адекватности построенной математической модели;
близостью параметров скоростных туристских судов, рассчитанных с использованием предлагаемых методик, с параметрами построенных судов, находящихся в настоящее время в эксплуатации.
На защиту выносятся следующие основные результаты работы:
Разработка внешней задачи проектирования судов для Союза Мьянма.
Методика проектного обоснования характеристик скоростных туристских судов с использованием критериев эффективности по экономическим показателям.
Определение главных размерений проектируемых судов с использованием методов оптимизации.
Анализ адекватности и чувствительности математической модели.
Апробация работы и публикации
Основные разделы диссертационного исследования опубликованы в 6 статьях. Из них 2 работы в личном авторстве, доля автора в 4 работах составляет 33%. В изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ, опубликована 1 статья, доля автора в которой составляет 100%. Объем и структура работы
Работа состоит из введения, 5 глав и заключения. Объем - 168 страниц, в том числе 95 рисунка и 13 таблиц. Приложения - 12 страниц. В списке литературы 108 наименований.
Архитектурно-конструктивные типы пассажирского однокорпусного судна
Пассажирские суда являются судами с развитыми надстройками, которые можно выполнять конструктивно заодно с корпусом. Анализируя статистические данные видно, что скоростные пассажирские суда в основном строили с одноярусной компоновкой пассажирского салона. В последние годы, не только для однокорпусных судов, но и для многокорпусных судов с большой пассажировмсстимостью стала намечаться тенденция к распространению вариантов с двухъярусной компоновкой. При двухъярусной компоновке, благодаря увеличению палубных площадей, создаются лучшие условия для размещения пассажиров. Ниже на схеме показаны архитектурно- конструктивные типы скоростных судов.
Место размещения рулевой рубки является существенным элементом общей компоновки пассажирского судна. Кроме хорошего кругового обзора, минимальной зоны невидимости по носу и за кормой, удобной связи с другими помещениями, при определении положения рулевой рубки на таком судне важным эксплуатационным требованием является возможность наблюдения с поста управления за процессами швартовки, посадки и высадки пассажиров. На практике значительное количество пассажирских скоростных судов построено с расположением рулевой рубки в средней части либо с небольшим смещением к носу от миделя.
Обычно машинные отделения скоростных судов находятся в кормовой части. Нахождение машинных отделений в кормовой части обеспечивает большие удобства для пассажиров.
Оценка современных тенденций развития скоростных судов и исследование мирового рынка таких судов используется в диссертационной работе для проектного обоснования скоростных туристских судов, необходимых Союзу Мьянма. Как уже отмечалось, что в настоящее время класс скоростных судов является одним из наиболее развивающихся. В качестве скоростных судов, наряду с катамаранами, используются однокорпусные суда. Они проще в изготовлении и эксплуатации. Для Союза Мьянма, страны, не очень развитой в области судостроения, более выгодно строить однокорпусные суда.
Анализ тенденции развития скоростных судов показывает, что в настоящее время скоростные суда с малой пассажировместимостью и высокой скоростью становятся популярными. Поэтому постройка таких типов судов представляется целесообразной для совершенствования флота Союза Мьянма.
Анализ характеристик современных скоростных судов, проектируемых и эксплуатирующихся в настоящее время, показывает, в каких диапазонах они находятся п с какими соотношениями главных размерений они строятся. Эта информация может быть использована при проверке достоверности получаемых результатов в ходе разработки и применения программного комплекса скоростных судов для Союза Мьянма.
Глава 2. Внешняя задача теории проектирования для скоростных туристских судов Союза Мьянма Теорией проектирования судов называется научная дисциплина, изучающая круг вопросов, связанных с разработкой заданий на проектирование судов и определением их элементов, в первую очередь размеров и формы корпуса[14].
Раньше единственной задачей теории проектирования судов и проектантов являлась разработка круга вопросов, связанных с определением элементов проектируемых судов[15]. А. В. Бронников отмечает, что современная теория проектирования судов состоит из двух относительно самостоятельных и равноправных частей.
К первой - содержательной части теории проектирования судов, занимающейся исследованием физической стороны проектных проблем, относятся следующие основные вопросы: взаимосвязь характеристик и элементов судов с различными требованиями, предъявляемыми к проектируемому судну, с массами и объемами, с функциональной и экономической эффективностью судов; методология проектирования судов; принципы разработки теоретического чертежа и общего расположения проектируемого судна.
Вторая — формально-математическая часть теории проектирования судов, связанная с исследованием математических подходов и способов решения проектных проблем, объединяет такие вопросы, как формализация графоаналитических процедур, рассматриваемых в первой части теории проектирования судов, методология оптимизации проектных решений, автоматизация процесса проектирования судов.
В работе А. В. Бронникова рассмотрены задачи двух иерархических уровней. Задача верхнего иерархического уровня, или внешняя задача теории проектирования судов, включает разработку вопросов, связанных с определением характеристик судов, указываемых в заданиях на их проектирование (задача по разработке задания), а также в установлении общих требований, предъявляемых к проектируемым судам. Задача нижнего иерархического уровня, или внутренняя задача теории проектирования судов, охватывает вопросы, связанные с определением элементов проектируемых судов (задача по разработке проекта). Соотношение упомянутых частей и задач теории проектирования судов показано в табл. 2.1.
Поскольку результаты проектных расчетов и разработок должны быть не просто приемлемыми, а наилучшими, под характеристиками и элементами судов подразумевают их оптимальные значения. Таким образом, можно сказать, что целью решения внешней задачи теории проектирования судов является оптимизация состава и пополнения флота и разработка общих требований к проектируемым судам, а внутренней задачи теории проектирования судов — оптимизация элементов проектируемых судов.
Современное состояние водных перевозок пассажиров в Союзе Мьянма
Используем методологию теории проектирования судов для развития судоходства в Союзе Мьянма. В Союзе Мьянма используют следующие виды транспорта: водный (речной и морской); наземный (железнодорожный и автомобильный); воздушный.
Главные реки для перевозки грузов по водным путям Союза Мьянма: Иявади и Чиндуин. Длина реки Иявади составляет 2000 км, а Чиндуин 837 км. Используемая в настоящее время для судоходства длина реки Иявади составляет 1534 км, а Чиндуин - 750 км. Суммарная протяженность морской береговой линии - 2228 км.
В стране, имеющей много рек и достаточно большую территорию прибрежной полосы у моря, водный транспорт играет важную роль.
Мьянма — страна в юго-восточной Азии. Это страна с достаточно большой морской границей. У берегов Мьянмы много островов. Известны архипелаги Рахайн и Мергуй. Большая территория моря, богатство островов и богатство морепродуктов делают водный транспорт и рыболовство страны важными. Большое количество красивых островов делают туризм и отдых на островах одним из важных направлений перспективной деятельности страны. Главные места для туризма и отдыха - это архипелаг Рахайн и архипелаг Мергуй. В данной работе рассмотрены водные туристические маршруты и скоростные туристские суда для архипелага Мергуй. Развитие водного туризма в Союзе Мьянма является перспективным для страны.
Выбор оптимальной эксплуатационной линии является одной из задач, которая решается в рамках внешней задачи проектирования. При решении этой задачи необходимо рассмотреть условия эксплуатации судна на той или иной линии. В данной работе рассмотрены условия эксплуатации на линиях Архипелага Мергуй.
Архипелаг Мергуй 1. Область расположения архипелага, 2. Полуостров Малакка Архипелаг Мергуй находится на юге Союза Мьянма (рис.2.1). Он состоит из более 800 островов, изменяющихся по размеру от очень маленького до сотен квадратных километров. Все острова архипелага находятся в Андаманском море вблизи западного берега Полуострова Малакка. Эти острова упоминаются как Острова Пажу(Раэпи). Архипелаг Мергуй покрывает область приблизительно 36000 квадратных километров. Это известное и красивое место для туристского предназначения.
В зависимости от климатических условий меняются оптимальные архитектурно-конструктивные типы судов, требования к судовым устройствам, системам и др. Климатические условия определяют особенности эксплуатации судов. При решении внешней задачи проектирования необходимо рассмотреть этот вопрос. В диссертационной работе рассмотрены климатические условия Архипелага Мергуй. Архипелаг Мергуй находится в Андаманском море. Средняя высота волны в районе архипелага составляет 0,1-0,5м (/i1/3 = 0Д 0,5м), 2 балла степени волнения (World meteorological organization sea state code) и средняя скорость ветра 7-10узлов [ 19].
Архипелаг Мергуй находится около экватора. Ниже (табл.2.2) показаны некоторые климатические условия этой территории. Самый теплый месяц - апрель, когда максимальная температура воздуха 33С. Самый холодный месяц - декабрь с минимальной температурой 21С. С мая до октября дождь идет больше из-за муссонных ветров. Август — самый дождливый месяц и осадки в этом месяце достигают почти 900мм.
Архипелаг Мергуй покрывает область приблизительно в 36000 квадратных километров и состоит из 800 островов. Ниже приведены расстояния между некоторыми островами. На рис.2.4 показано расположение островов архипелога.
Обзор литературы по использованию вспомогательных элементов на скоростных судах
В работе William L. Cave TIT and Dominic S. Cusanelli рассмотрен эффект от использования ДМ-2 и его влияние на затраты энергии и ежегодное потребление топлива [23]. Они проанализировали эффект ДМ-2 не только теоретическим путем, но и экспериментально. Проведены модельные испытания и определены оптимальные геометрические характеристики ДМ-2 для модели. На базе теоретических и экспериментальных результатов, проведены испытания натурного судна с использованием ДМ-2. На основании сравнения результатов модельных и натурных испытаний сделан вывод, что полезная мощность может снижаться до 8,4% и годовой расход топлива - до 3.8% с использованием ДМ-2с углом 10 град.
Omar Yaakob, Suhaili Shamsuddin and Koh kho King провели анализ эффективности применения ДМ-2 на скоростных судах [24]. Проведены модельные испытания для доказательства эффективности использования ДМ-2 с целью уменьшения сопротивления глиссирующих судов. В этой работе по результатам испытаний пяти ДМ-2 были определены оптимальные геометрические характеристики ДМ-2. Авторы отметили, что применение ДМ-2 - это надежный и экономически-эффективный метод для снижения сопротивления и расходов топлива скоростных судов.
В работе Salas М., Rosas J. and Luco R. оценены эффекты влияния ДМ-2 на гидродинамические качества полуглиссирующих судов [4]. Они использовали модели для систематических испытаний. Длина хорды ДМ-2, длина ДМ-2 и угол отклонения ДМ-2 являются главными переменными. Испытания проведены для сопротивления и ходового дифферента и выбран оптимальный вариант ДМ-2.
На основании анализа опубликованных материалов можно сделать выводы о практическом применении ДМ-2.
ДМ-2 используются на малых скоростных судах, таких как служебные, полицейские, разъездные и прогулочные катера и т. д. ДМ-2 представляет собой расширение кормовой части корпуса из транца в форме плоской пластины. Схема установки ДМ-2 на скоростных судах представлена на рис.3.21 .
Анализ эффективности использования ДМ-2 на судне проведен в США (WPB 1345 STATRN ISLAND патрульный катер) [26]. С использованием ДМ-2, получены следующие преимущества: Снижает мощность на валу па 4 — 19%. Повышает скорость на 1,9 уз. Снижает годовую потребность в топливе на 10% и экономит 50500$ на год (из-за снижения расходов топлива).
На основании анализа опубликованных материалов можно сделать выводы о практическом применении ДМ-2.
Применение ДМ-2 на скоростных судах позволяет обеспечить оптимальную посадку при больших скоростях и получить снижение сопротивления до 8 — 10%. Они снижают потребность в топливе до 10%.
В мировой практике широко используют различные вспомогательные элементы на скоростных судах. Но отсутствуют формулы для прогнозирования эксплуатационных характеристик, их влияния на подъемную силу и сопротивление. Эти характеристики определяют путем модельных испытаний. Однако имеется ряд публикаций, в которых разработаны отдельные стороны этой проблемы.
В работе Sverre Steen исследованы эксплуатационные характеристики влияния ДМ-1 на глиссирующий корпус моделей [27]. Испытания проведены на модели с различными углами килеватости, с различными углами дифферента, осадками, скоростями и высотами элементов. Показаны результаты, включая изменения подъемной силы и сопротивления из-за изменения давления на днище судна. В работе представлены систематические результаты и получены общие безразмерные выражения для определения изменения подъемной силы и сопротивления. Эмпирические формулы могут быть использованы для приближенных оценок.
В работе Jing-Fa Tsai. et. al. рассмотрено использование дифферснтовочных механизмов на скоростных судах и их влияние на сопротивление глиссирующих судов [28]. Для определения их эффектов, были проведены испытания двух глиссирующих судов. Испытание первого судна длиной 20м проведено в опытовом бассейне Тайваньского Национального Университета. Другое судно длиной 29,5м было испытано в HSVA опытовом бассейне в Германии. Получены результаты, что применение этих механизмов снижает ходовой дифферент и сопротивление скоростного судна. При 2 FrD 3, у ДМ-1 благоприятное действие на сопротивление с) дна. При FrD З ДМ-2 эффективны. Результаты работы показывают, что использование дифферентовочных механизмов снижает сопротивление скоростных судов на 2 — 6%.
На основании анализа опубликованных материалов можно сделать выводы о практическом применении ДМ-1.
Применение ДМ-1 на скоростных судах позволяет обеспечить оптимальную посадку. Можно получить повышение скорости на 4 — 5 уз. В работе Tsai et.al. приведены результаты исследования эффективности использования различных конструктивных типов ДМ-1 на скоростных судах [28]. Рассмотрены три типа ДМ-1. Результаты буксировочных испытаний этого корпуса модели (коэффициент суммарного сопротивления, ходовой дифферент и вертикальное всплытие) показаны на рис.3.22. Коэффициент сопротивления рассчитывается по следующей формуле: Число Фруда по водоизмещению рассчитывается по следующей формуле: где V — объемное водоизмещение.
Методика проектного обоснования скоростных туристских судов
Рассмотрим методику проектного обоснования скоростных туристских судов. Основными характеристиками технического задания для проектируемого судна являются скорость, пассажировместимость, и т. д. (см. 5.1 «модуль исходных данных») Целью разработки является определение основных элементов проектируемых судов. В математической модели проведены следующие расчеты: Расчет вместимости В расчете вместимости рассмотрены необходимые площади для пассажиров, экипажа, энергетической установки, навигационно-службных помещений и т.д. На рис.5.7 показан алгоритм расчета вместимости. Расчет ходкости включает в себя динамическое сопротивление, сопротивление трения, сопротивления за счет использования дифферентовочных механизмов и определение мощности на начальной стадии проектирования. Па рис.5.8 показан алгоритм расчета ходкости. Результаты, получаемые, при решении оптимизационной задачи, имеют практическое значение только в том случае, если математические модели объектов проектирования являются адекватными [29]. Поэтому после построения программного комплекса необходимо проводить постоптимизационный анализ для проверки устойчивости и адекватности построенной программы. Анализ полученных результатов связан с исследованием чувствительности решения при оценке адекватности модели. Чувствительность характеризует направление и скорость изменения характеристик объекта при смещении независимых переменных относительно своего оптимального положения [29]. Формальное определение чувствительности соответствует выражению
Чувствительность построенного программного комплекса проверяется следующим образом, что значения переменных меняются ±5% от оптимальных значений и рассмотрены их влияния на критерии эффективности. В таблице 5.1 показаны результаты проверки адекватности математической модели туристского судна.
Видно, что отклонение AZ не - превышает 5% от оптимального значения. Поэтому можно сказать что, построенный программный комплекс является адекватным с точки зрения математической модели оптимизации.
С использованием методики выполнены расчеты со скоростью 30-45 узлов. На рис.5.15 построен график зависимость строительной стоимости от скорости хода судна. Зависимости соответствуют диапазону скоростей от 30 до 45 уз. На рис.5.16 построен график зависимость строительной стоимости и приведенных затрат от скорости хода судна. С ростом скорости хода проектируемого судна повышается строительная стоимость и стоимость эксплуатации. Поэтому приведенные затраты также повышаются. На рис.5.17 представлена зависимость годовой прибыли и приведенные затраты от скорости хода судна. Зависимости соответствуют диапазону скоростей от 30 до 40 уз. Из графика можно сделать вывод, что при скорости хода судна 35 узлов разница между приведенными затратами и прибылями достигает максимального значения и эта скорость является выгодной для проектируемого скоростного пассажирского судна при использовании данной методики.
На рис.5.18 представлена зависимость доходов и суммарных эксплуатационных расходов от скорости хода судна. На рис.5.19 показана зависимость срока окупаемости от скорости хода проектируемого судна. Зависимости соответствуют диапазону скоростей от 30 до 45 уз. Из рисунка видно, что при скорости хода около 35 узлов, срок окупаемости дошел минимальное значение.
На рис.5.20 - 21 представлены эффективности использования дифферентовочных механизмов. Из рисунков можно делать вывод, что интегральный эффект ДМ-1 может получить до скорости 40 узлов, а ДМ-2, со скорости хода 30 узлов. (для ДМ-2) Для оценки достоверности полученных результатов оптимизации проведена сравнительная оценка полученных характеристик проектируемых судов с характеристиками построенных судов. На рис.5.22 - 5.24 показаны результаты основных характеристик проектируемого судна. Из рисунок видно что, оптимальные значения проектируемого судна находятся в диапазонах изменения характеристик построенных судов.
