Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ экспериментальных и теоретических исследований 15
1. 1. Причины и характер повреждений и аварий судов 15
1.2. История развития теории качки и продольной прочности на волнении 30
1.3. Экспериментальные и теоретические исследования продольной качки и прочности 37
1.4. -Обзор методов описания судовой поверхности 50
1.5. Цели и задачи исследования 61
Глава 2. Аналитическое моделирование формы корпуса судна 63
2.1. Аналитическое описание корпуса судна 64
2.2. Компьютерная программа формирования судовой поверхности 73
2.3. Тестирование программы 76
2.4. Заключение по главе 78
Глава 3. Исследование и анализ влияния формы корпуса судна на продольную качку и волновые изгибающие моменты 79
3.1. Влияние формы шпангоутов 79
3.2. Влияние высоты и протяженности надводного борта в носовой оконечности 92
3.3. Сопоставительные расчеты поведения иностранных и отечественных судов на волнении 96
3.4. Влияние параметра (xf - xc)/L для судов с различным коэффициентом общей полноты 111
3.5. Заключение по главе 123
Глава 4. Методика проектирования корпуса судна с учетом продольной качки и волновых изгибающих моментов 125
4.1. Методика проектирования судов 125
4.2. Оптимизация параметров проектируемого судна с точки зрения продольной качки и прочности 134
4.2.1. Методика оптимизации главных размерений 134
4.2.2. Методика оптимизации теоретической поверхности корпуса судна 135
4.3. Рекомендации к проектированию 140
4.4. Заключение по главе 141
Заключение 142
Список литературы 144
Приложение 1. Пример использования программы формирования судовой поверхности 157
Приложение 2, Некоторые результаты расчетов кинематических характеристик продольной качки и волновых изгибающих моментов 164
Приложение 3. Акты внедрения 184
- История развития теории качки и продольной прочности на волнении
- Влияние формы шпангоутов
- Методика проектирования судов
- Методика оптимизации теоретической поверхности корпуса судна
Введение к работе
Актуальность проблемы. До настоящего времени наблюдаются нарушения прочности судна при плавании на волнении. Примерами таких воздействий внешних сил, приводящих к катастрофическим последствиям, служат аварии судов различных типов и назначений. При килевой качке повышается вероятность оголения днища сопровождающаяся ударами и повреждениями днищевых перекрытий и/или оголением лопастей винта, приводящим к снижению ресурса главного двигателя и скорости хода. Суда, со значительным развалом шпангоутов в носовой оконечности, помимо днищевого, могут испытывать и бортовой слеминг. При значительных скоростях на относительно коротких встречных волнах появляется низкочастотная вибрация, происходит заливание палубы вследствие зарывания бортом или оконечностью под поверхность воды, порча или полная потеря палубных грузов и оборудования. При особенно неблагоприятных случаях заливание может сопровождаться разрушением надстроек или трюмных крышек, и вода, попавшая внутрь корпуса, создаст угрозу опрокидывания и затопления судна.
Из-за ускорений корпусных конструкций, механизмов и устройств действующие силы инерции, ухудшают условия их работы. Перечисленные последствия качки затрудняют эксплуатацию судна, ухудшают обитаемость и технико-экономические показатели. Сами по себе они не являются катастрофическими, но чрезмерно большие углы наклонения, ухудшение остойчивости на попутном волнении, брочинг и смещение насыпных грузов могут привести к опрокидыванию судна, а знакопеременные динамические нагрузки - к перелому корпуса. Несмотря на научно-технический прогресс в морском флоте, воздействие шторма до настоящего времени остается одной из основных причин гибели судов.
Примерами могут служить аварии навалочника «Ономичи мару» и танкера «Находка», которые закончились гибелью судов после перелома корпусов на волнении. В районе Керченского пролива 11 ноября 2008 г. в 7 - бальный шторм на якорной стоянке у танкера проекта 550А «Волгонефть 123» появились признаки перелома корпуса в сечениях по 97 и 147 шп., танкер «Волгонефть 139» того же проекта переломился в районе 96 шпангоута. Там же сухогрузы проекта 21-88 «Вольно-горек», «Нахичевань» и «Ковель» проекта 576 затонули в результате нарушения непроницаемости корпуса.
Как указывал В.Н. Храмушин в своей диссертационной работе, раньше проектировали и строили корабли те, кто на них плавал, и они заботились о мореходности. Развитие кораблестроительной науки привело, как и везде, к специализации: проектируют одни (на научной основе), а эксплуатируют другие. Поскольку наука неплохо изучила поведение судна на спокойной воде и гораздо хуже в условиях интенсивного ветра и волнения, вопросы мореходности были отодвинуты на задний план. И только теперь к этому начинают возвращаться. Сегодня в России не налажено постоянного взаимодействия кораблестроительной науки с капитанским опытом реального мореплавания. Примером ухода от мореходности при проектировании может служить эсминец типа «Новик», когда стремление к максимальной вооруженности корабля и обеспечение боевой непотопляемости за счет увеличения высоты борта возобладало над свойственной мореплавателям заботой о хорошей мореходности. Судно является сложной, но единой инженерной системой, и если при его
проектировании усиливается одно из эксплуатационных требований, то это не должно ухудшать другие его качества.
При проектировании судна приходится решать сложные задачи выбора характеристик корпуса, удовлетворяющих многочисленным и противоречивым требованиям (ходкости, прочности, мореходности и т.д.). Погрешности при оценке различных качеств судна приводят к проектным ошибкам, снижению безопасности плавания и ухудшению экономических показателей. Оптимизация является непременным условием разработки проекта любого судна и задачи эти решаются на всех стадиях и уровнях проектирования. Среди ученых, занимавшихся вопросами оптимизации проектных характеристик судна, следует отметить: Ашика В.В., Пашина В.М., Гай-ковича А.И., Семенова Ю.Н., Захарова А.С., Захарова И.Г., Бугаева В.Г., Войлошни-кова М.В., Храмушин В.Н., Гилла Ф., Мюррея У., Райта М., Саати Т., Хемди А.Т., Hsiung С.С, Sarioz К., Zborowski А. и др.
Изложенное свидетельствует об актуальности разработки научно обоснованных практических рекомендаций по проектированию судна с учетом продольной качки и возникающих при этом внешних сил, действующих на корпус при плавании на взволнованной поверхности моря.
Объектом исследования является форма корпуса морского судна, плавающего на взволнованной поверхности моря.
Предмет исследования - характеристики формы корпуса морского судна и их влияние на кинематические характеристики продольной качки (ПК) и волновые изгибающие моменты (ВИМ).
Цель работы - разработка методики проектирования, учитывающей влияние формы корпуса судна на продольную качку и ВИМ при его движении на взволнованной поверхности моря.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
-
Систематизированы и проанализированы существующие теоретические и экспериментальные исследования о параметрах продольной качки и ВИМ.
-
Обобщены материалы существующих методов аналитического описания судовой поверхности и выбора показателей для разработки методики.
-
Разработана компьютерная программа для генерации судовой поверхности.
-
Выполнены расчеты продольной качки по программному комплексу MOTION.
-
Исследовано влияние формы корпуса на мореходные качества судна и ВИМ на волнении.
-
Разработана уточненная методика и предложены рекомендации для проектирования формы корпуса судна с учетом плавания на волнении.
Методы исследования. В работе использованы нелинейная теория качки судов, движущихся на произвольных курсовых углах к нерегулярному волнению; спектральная теория расчета качки и прочности судна на нерегулярном волнении; численные методы решения дифференциальных уравнений второго порядка (метод Рунге-Кутта), численные эксперименты и методы поиска оптимальных решений.
Достоверность и обоснованность научных результатов, выводов и рекомендаций диссертации обеспечивается использованием научно обоснованных методов расчета продольной качки судов; спектральной теории для расчета качки и прочности судов на нерегулярном волнении; применением известных математических методов решения задач в теории проектирования судов; методов поиска опти-
мального решения; сравнением результатов исследований с экспериментальными материалами других авторов.
Научная новизна и практическая ценность работы.
-
Разработано программно-методическое обеспечение для аналитического формирования теоретического чертежа судна с помощью многопараметрических функций.
-
Систематизированы и оценены результаты исследований влияния параметров формы корпуса на кинематические характеристики качки и ВИМ.
-
Предложена методика, уточняющая влияние параметров формы корпуса на кинематические характеристики судна и ВИМ.
-
Усовершенствована методика проектирования формы корпуса судна с учетом продольной качки и ВИМ.
На защиту выносятся следующие основные результаты работы:
-
Методика расчета стандартов кинематических характеристик продольной качки и ВИМ в зависимости от параметров формы корпуса (главные размерения, коэффициенты полноты формы корпуса, положения центра величины и др.), для учета их на начальных стадиях проектирования судна.
-
Рекомендации по проектированию формы корпуса судна с учетом продольной качки и ВИМ.
-
Основы методики проектирования формы корпуса судна, совместно учитывающей продольную качку и ВИМ.
Апробация работы. Результаты исследований доложены и обсуждены
на российских и международных научно-технических конференциях в 2002 -2010 гг.: Международная конференция APHydro, Asia Pacific Workshop on Marine Hydrodynamics (Япония, г. Кобе), 2002 г., (Корея, г. Пусан), 2004 г., (Китай, г. Шанхай), 2006 г., (Япония, г. Сакаи), 2010 г.; Международная конференция Team (Asian-Pacific Technical Exchange and Advisory Meeting on Marine Structures) (Тайвань, г. Тайнань), 2003 г., (Россия, г. Владивосток, ДВГТУ), 2004 г., (Корея, г. Сеул), 2006 г., (Япония, г. Иокогама), 2007 г., (Тайвань, г. Гаосюн), 2009 г.; региональная научная конференция «Молодеж и научно-технический прогресс» (г. Владивосток, ДВГТУ), 2002, 2004, 2006 и 2009 гг.; региональная научно-техническая конференция «Вологдинские чтения» (г. Владивосток, ДВГТУ), 2002 г. и 2005 г.; международная конференция Fifth International Young Scholars' Forum of the Asia Pacific Region Countries (г. Владивосток, ДВГТУ), 2003 г.; региональная научно-практическая конференция «Флот-05». Техническая эксплуатация флота. Пути совершенствования» (г. Владивосток, МГУ имени адм. Г.И. Невельского), 2005 г.; конференция по строительной механике корабля памяти проф. П.Ф. Папковича (г. Санкт-Петербург, ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова), 2005 г.; всероссийская научно-техническая конференция «Приоритетные направления развития науки и техники» (доклады размещены на сайте www, ) (г. Тула), 2007 г.; международная конференция Proceedings of the Euro-Asia Maritime Network (Китай, г. Харбин), 2007 г.; XVI международная научно-техническая конференция «Техника. Технологии» (Болгария, г. Варна), 2009 г., II Российская научно-практическая конференция судостроителей. Единение науки и практики. (НТО судостроителей им. акад. А.Н. Крылова. Санкт-Петербург), 2010 г., Международная конференция с элементами научной школы для молодежи стран АТР по судостроению (ДВГТУ, Владивосток) 2010 г.;
на научно-технических семинарах совместного заседания кафедр: «Теории и
проектирования корабля» и «Конструкции судов» (ДВГТУ, Владивосток) 2011 г.; «Теории корабля и гидромеханики» и «Кораблестроения и авиационной техники» (НГТУ им. Р.Е. Алексеева, Нижний Новгород) 2012 г.
Результаты исследования внедрены в учебный процесс по направлению подготовки кораблестроение, океанотехника и системотехника объектов морской инфраструктуры, и использовались в научно-исследовательских разработках кафедры при выполнении госбюджетных НИР в рамках федеральной целевой программы: «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», (Государственный контракт от «25» июня 2009 г. № 02.740.11.0167), в проектно-конструкторской деятельности ОАО «Дальневосточный центр судостроения и судоремонта», что подтверждено актами внедрения.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 25 научных статей, из них 3 в изданиях рекомендованных ВАК.
Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и трех приложений. Общий объем работы составляет 156 страница, в том числе 71 рисунка и 31 таблица, и список литературы из 123 наименований.
История развития теории качки и продольной прочности на волнении
Начало научному изучению вопросов качки корабля положил в 1737 г. член Петербургской Академии наук, известный ученый Леонард Эйлер, который рассмотрел теорию качки корабля на тихой воде [14]. Результаты своих исследований Л. Эйлер изложил в капитальном труде "Корабельная наука", изданном в 1749 г.
Рассматривая задачу о малых колебаниях плавающего судна, Эйлер свел её решение к действию простого математического маятника, который имел бы тот же период и ту же амплитуду колебаний, что и качающийся корабль. При этом Эйлер пренебрег сопротивлением воды, а из всех сил, действующих на качающееся судно, он учел в уравнениях качки только восстанавливающие гидростатические силы и силы инерции самого корабля.
Французский астроном П. Бугер в 1746 г. исследовал качку корабля примерно в таком же объёме, как и Л. Эйлер.
Исследованием качки корабля на волнении впервые занялся Даниил Бернулли, активно работавший в Петербургской Академии наук. Он рассмотрел вынужденные колебания, определяющие положение корабля на волнении, и исследовал случай сильного возрастания боковой качки при равенстве периодов качания корабля и волн, т. е. резонанс. Однако выводы Д. Бернулли были основаны на ошибочной гипотезе о свойствах волнового движения воды и поэтому во многом не согласуются с опытом и современными воззрениями. Ошибочность некоторых выводов Д. Бернулли была установлена лишь много позднее, и результаты его работы в течение ста лет считались классическими.
В начале XIX в. французский математик Пуассон разработал приближенный метод расчета качки на тихой воде при более сложной зависимости сопротивления от скорости.
В трудах Эйлера, Бернулли и других крупнейших математиков XVIII и начала ХГХ в. вопросы теории качки разрешались на высоком теоретическом уровне. Однако инженер-практик того времени не имел необходимой подготовки для применения математических методов в своей практической работе. Ему предписывалось пользоваться "штатным положением" при постройке парусных кораблей всех рангов, в котором указывались размеры всех частей корпуса и оснастки, начиная с киля и кончая клотиком. Поэтому от инженера-кораблестроителя требовалось прежде всего хорошо знать "штатное положение", и у него не было возможности разбираться в мало доступных ему трудах Эйлера или Пуассона. Этим, вероятно, объясняется, что учебник Эйлера остался неизвестным основной массе инженеров-кораблестроителей и не вошел в учебную практику русского морского образования.
Основным учебным пособием при подготовке русских морских специалистов явилась "Вышняя теория морского искусства", начавшая выходить в 1801 г. и написанная русским ученым-моряком П.Я. Гамалея. В главе 8 этого учебника П.Я. Гамалея довольно подробно рассмотрел физическую картину качки на тихой воде и на волнении и предложил много конкретных рекомендаций для проектирования судов.
Таким образом, после первых блестящих успехов, достигнутых во второй половине XVIII и начале XIX в., в развитии учения о качке корабля наступил некоторый застой.
В 1861 г. английский ученый В. Фруд публикует новую теорию боковой качки судна на волнении. В теории Фруд а корабль предполагается идущим лагом к волне, а его поперечные размеры принимаются бесконечно малыми в сравнении с размерами волны. Профиль волны принимается синусоидальным. Направление силы поддержания предполагается не вертикальным, а направленным по нормали к волне. Наклонение корабля, как и углы склона волн, считаются малыми. Теория Фруда давала удовлетворительное объяснение отдельным явлениям, происходящим при качке. Она была признана классической и послужила основой при дальнейшем изучении вопросов боковой качки.
В 1863 г. появилась работа английского ученого В. Ранкина, в которой он вторично открыл теорию трохоидальных волн и тем теоретически обосновал предположение Фруда.
В последующие годы появилась целая серия серьезных работ, посвященных исследованию боковой качки, в том числе работы французского кораблестроителя Е. Бертена, предложившего приближенные приемы для учета влияния конечных размеров судна на боковую качку и эмпирическую формулу для учета момента сил сопротивления боковой качке. Но методов расчета килевой качки судна еще не существовало.
В 1893 г. в Морской академии начал читать лекции по-качке корабля А.Н. Крылов. Первый свой курс лекций он составил по работам Эйлера, Бернулли, Фруда, Ранкина, Бертена и др. В дополнение к курсу 1893 г. А.Н. Крылов впервые разработал теорию килевой качки на волнении [13], применив к исследованию этого совершенно не изученного тогда вопроса методы, подобные тем, которые применяли Лагранж и Лаплас в "Небесной механике" при изучении движения планет.
Свое исследование по теории килевой качки А.Н. Крылов доложил весной 1896 г. собранию общества корабельных инженеров в Лондоне. Доклад имел успех, и в прениях было высказано пожелание, чтобы А.Н. Крылов разработал теорию более сложного случая качки, когда корабль идет под косвенным курсом к волнению.
О втором исследовании А.Н. Крылов также доложил в 1898 г. обществу корабельных инженеров в Лондоне. Доклад имел блестящий успех, и общество присудило А.Н. Крылову в качестве особого отличия золотую медаль общества.
Оба исследования А.Н. Крылова основывались на единственном допущении, что присутствие корабля не влияет на поле давления волны. Результаты обоих исследований А.Н. Крылова стали классическими и легли в основу всех последующих работ по теории качки у нас и за границей.
Проблемами качки интересовались в России и другие крупнейшие специалисты. В 1896 г. адмирал СО. Макаров предложил применить специально устроенные цистерны для успокоения боковой качки судов.
Вопросами успокоения качки занимался также И.Г. Бубнов, изучавший на моделях действие так называемых плоских цистерн. В дальнейшем на основе теории А.Н. Крылова И.Г. Бубнов разработал практический метод динамического расчета общей прочности судов при продольной качке на волнении и применил его к расчетам прочности проектируемых тогда линкоров типа "Севастополь".
Профессор Политехнического института АЛ. Фан-дер-Флит разработал приближенные формулы для расчета изгибающего момента при продольной качке на волнении.
А.Н. Крылов неоднократно возвращался к проблемам теории качки. В 1909 г. он разработал подробную теорию гироскопического успокоителя качки и произвел расчеты его для яхты "Стрела". В 1913 г. он возглавил экспедицию русских моряков по изучению действия успокоительных цистерн на судне "Метеор" и разработал теорию их расчета.
Вопросам качки корабля уделял внимание и Н.Е. Жуковский, интересовавшийся гидродинамической стороной проблемы. Он впервые обратил внимание на необходимость учета присоединенных масс воды при вычислении периодов качки судна на тихой воде. Исследование Жуковского Н.Е. положило начало гидродинамической теории качки.
Построение гидродинамической теории качки конечной амплитуды вызывает большие трудности, связанные, в первую очередь, со сложностью нелинейной краевой задачи теории вынужденных волн, вызываемых качкой конечной амплитуды и движением нетонкого корабля с конечной скоростью хода [64]. Для приближенного решения нелинейных задач широко используют метод малого параметра, позволяющий провести их последовательную линеаризацию. С помощью этого метода В.В. Луговский исследовал гидродинамику бортовой качки конечной амплитуды. Он предложил двухпараметрические разложения в ряды всех основных неизвестных и граничных условий задачи. В качестве одного из малых параметров им была избрана безразмерная амплитуда бортовой качки, в качестве второго - безразмерная амплитуда сопровождающих её других видов качки.
Двухпараметрические разложения В.В. Луговский использовал и для рассмотрения килевой и вертикальной качки корабля типа Мичелла на продольном волнении. В качестве малых параметров этой задачи были выбраны "параметры тонкости" и безразмерная амплитуда качки, и в разложениях сохранялись члены второго порядка малости по последнему параметру. Однако при такой форме метода малого параметра для учета дифракционных эффектов требуется сохранение малых ещё более высоких порядков, что связано со значительными трудностями.
Влияние формы шпангоутов
В данном разделе было исследовано влияние формы корпуса (в подводной и надводной части) на ВИМ и кинематические характеристики продольной (килевой и вертикальной) качки судна [36, 113, 114, 115, 116, 117, 118]. Три варианта корпусов судов (для исследования влияния формы надводной части корпуса) были получены при помощи компьютерной программы Храмушина В.Н. «HULL» [32, 93, 94].
Влияние формы в надводной части корпуса исследовалось для судна с главными размерениями:
Ьц. = 100 м - длина между перпендикулярами,
Вквл = 16 м - ширина судна по КВЛ, Т = 6м- осадка,
D = 6160 т - водоизмещение,
а = 0.835 - коэффициент полноты площади ватерлинии,
Р = 0.867 - коэффициент полноты площади мидель-шпангоута,
Сь = 0.626 - коэффициент общей полноты,
хс = 2.89 їй - абсцисса центра величины корпуса судна.
Численные эксперименты выполнялись с использованием программного комплекса «MOTION», разработанного в ДВГТУ [112]. Данный комплекс позволяет выполнять расчеты как линейной, так и нелинейной продольной качки на различном волнении: регулярном синусоидальном или иной формы, нерегулярном, включая заданный режим (кратковременное распределение) или совокупность режимов (долговременное распределение). Имеется возможность учитывать трехмерный характер волнения. Попутно выполняются расчеты волновых нагрузок.
Из базового варианта корпуса с прямостенными бортами (см. рисунок 3.1.2) были получены: судно с завалом (см. рисунок 3.1.1), т.е. ширина судна у палубы в средней части корпуса Вп составляла 90% от ширины по конструктивной ватерлинии Вквл, и судно с развалом бортов (Вп = 1.1 BKBJI, см. рисунок 3.1.3) при этом подводная часть оставалась неизменная (водоизмещение, главные характеристики и нагрузка по шпациям не изменялись). Для полученных трех вариантов корпусов при помощи программного комплекса MOTION были исследованы кинематические характеристики продольной качки (перемещения, скорости и ускорения) и ВИМ. Расчеты выполнялись в нелинейной постановке задачи на встречном регулярном синусоидальном волнении со следующими эксплуатационными характеристиками: высота волны h3o/o = 3м, число Fr 0.05, 0.10 и 0.15.
В ходе исследования было выявлено уменьшение стандарта ВИМ с увеличением завала борта (см. рисунок 3.1.4 - 6), причем с увеличением скорости, это влияние имеет более ярко выраженный характер. Стандарты кинематических характеристик качки с увеличением завала бортов на малых скоростях возрастают (см. таблицу 3.1.1). При увеличении скорости и увеличении завала борта характеристики качки уменьшаются (см. таблицы З.Г.2 - 3). Это можно объяснить тем, что судно при увеличении скорости «прорезает» волну - уменьшается гидродинамическое воздействие на корпус, что приводит к уменыпению сарактеристик продольной качки и ВИМ
Влияние формы шпангоутов на ВИМ и кинематические характеристики продольной качки судна исследовалось на судах с U и V - образными шпангоутами (см. рисунок 3.1.7) и главными размерениями:
Ьц = 125 м - длина между перпендикулярами,
ВКвл = 18 м - ширина судна по KB Л,
Т = 7.4 м - осадка,
D = 11220 т - водоизмещение,
а = 0.757 - коэффициент полноты площади ватерлинии,
(3 = 0.955 - коэффициент полноты площади мидель-шпангоута,
Сь = 0.657 - коэффициент общей полноты,
хс = -1.0 м - абсцисса центра величины корпуса судна.
Расчеты выполнялись в нелинейной постановке задачи на нерегулярном волнении со следующими эксплуатационными характеристиками: высота волны h3o/o = 7.4 м, что соответствует осадке судов, скорость 0, 3.5 и 7 м/с, что соответствует числам Fr 0, 0.1 и 0.2 соответственно [36].
В результате выполненных расчетов было выявлено, что стандарты ВИМ в миделевом сечении оказались меньше при U - образных шпангоутах при всех скоростях (см. рисунки 3.1.8-10). С увеличением скорости в носовой части судна (от носового перпендикуляра к миделю) стандарты ВИМ больше для судна с U-образными шпангоутами. Было выявлено уменьшение стандартов изгибающих моментов в миделевом сечении при увеличении скорости до числа Fr = 0.1. При дальнейшем увеличении скорости до числа Fr = 0.2 стандарты ВИМ возрастали.
Стандарты кинематических характеристик продольной качки (перемещения, скорости, ускорения) при всех скоростях получились больше при U - образных шпангоутах (см. таблицы 3.1.4 - 6). Причем с возрастанием скорости движения стандарты возрастали как при V - образных шпангоутах, так и при U - образных шпангоутах.
При анализе заливаемости установлено, что при U - образных шпангоутах заливание палубы наблюдалось до второго теоретического шпангоута при скорости, соответствующей числу Fr = 0.2. При V - образных шпангоутах заливание наблюдалось при скорости соответствующей числу Fr = 0.1 до 0-го теоретического шпангоута и числу Fr = 0.2 - до 1-го теоретического шпангоута.
По результатам расчетов выполнено сравнение кинематических характеристик качки и ВИМ для судна с упрощенными U V - образными формами шпангоутов (см. рисунок 3.1.11) и с традиционными U V - образными формами (см. рисунок 3.1.7). Корпус судна с U - образными упрощенными обводами имеет четыре линии слома (по две в подводной и надводной части). Для V -образных упрощенных шпангоутов характерны две линии слома (по одной в подводной и надводной части) [36, 113].
Для сравнительных оценок кинематических параметров качки и ВИМ выполнены расчеты для судна с уменьшенной площадью ватерлинии (см. рисунок 3.1.12).
Его главные размерения следующие:
LJ_L = 104.3 м - длина между перпендикулярами,
Вквл = 20.3 м - ширина судна по КВЛ,
Т = 5.24 м - осадка,
D = 7050 т - водоизмещение,
а = 0.732 - коэффициент полноты площади ватерлинии,
Р = 0.911 — коэффициент полноты площади мидель-шпангоута,
Сь = 0.635 - коэффициент общей полноты,
хс = 1.39 м - абсцисса центра величины корпуса судна.
В результате выполненных расчетов получено:
1. Относительные кинематические параметры характеристик качки и ВИМ для судна с уменьшенной площадью ватерлинии оказались меньше, чем для судов с традиционными и упрощенными обводами, что подтверждает результаты исследования по влиянию завалов бортов. Упрощение обводов ухудшило практически все характеристики продольной качки.
2. Сравнение U и V - образных форм корпусов судов показало, что в целом по стандартам качки и изгибающим моментам влияние формы корпуса при различных высотах волн одинаковое. Стандарты амплитуд продольной качки получились большие для судна с U - образными обводами, стандарты ВИМ больше для V -образных обводов. Такая закономерность просматривается на всех встречных курсовых углах. В случае, когда судно находится лагом по отношению к волне (90), стандарты килевой качки и ВИМ больше-у судна с U - образными обводами, чем с V - образными, но разница не велика (до 5 %). На попутном волнении разница между стандартами реакций судна с U и V -образными обводами корпуса незначительна при сохранении общей закономерности.
Методика проектирования судов
Теория проектирования судов разрабатывает круг вопросов, связанных с определением элементов проектируемого судна [59]. От выбранных соотношений элементов и показателей формы судна зависят такие его основные свойства, как остойчивость, живучесть, поведение на взволнованном море, экономичность и т. п. В рамках, установленных заданиями, совокупность этих свойств уже в значительной мере определяет эксплуатационную целесообразность гражданского судна и боевые качества военного корабля. Поэтому с принципиальной точки зрения после определения элементов судна вся остальная, очень сложная и трудоемкая творческая работа по проекту является детализацией принятых ранее решений, которая основана уже не на теории проектирования судов, а на теории корабля, строительной механике корабля, технологии судостроения и судового машиностроения и т. п.
Несмотря на разнообразие приемов, которые употребляются при определении элементов проектируемого судна, с математической точки зрения все они, в конечном счете, сводятся к составлению системы уравнений, связывающих заданные и частично выбранные технические показатели с главными размерениями судна и коэффициентами, определяющими его форму.
В качестве примера можно привести уравнение весов, выражающее одно из условий статического равновесия судна, согласно которому его водоизмещение равно сумме всех весов, входящих в нагрузку. Для того чтобы использовать это уравнение, необходимо выразить отдельные веса через заданные величины и элементы судна. В частности, например, учение о сопротивлении воды движению судов позволяет связать функциональными зависимостями мощность и массу механизмов со скоростью хода, относительной длиной, коэффициентом продольной полноты, отношением ширины судна к осадке и водоизмещением. Вес топлива можно выразить через те же величины и, кроме того, - через удельный расход топлива, дальность плавания и т.п. Аналогично можно составить уравнение остойчивости, связывающее показатели остойчивости с элементами судна, или уравнение надводного борта, вместимости и другие.
Подобные уравнения, применяемые в различных формах и сочетаниях, служат основой многочисленных приемов, нашедших себе место при определении элементов проектируемого судна. В своей совокупности они образуют так называемую методику проектирования судов.
Научно-методические основы теории проектирования- судов (уравнения весов и вместимости, выражения связи отдельных характеристик судна между собой и т.д.), позволяют в соответствии с заданием (скоростью, грузоподъемностью, дальностью плавания судна и т.д.) и нормами (величина надводного борта, размещение переборок и т.п.) определить форму и размеры судна, т.е. построить его логико-математическую модель. Только после этого можно составить полный комплект технической документации, необходимой для постройки судна и передачи его в эксплуатацию [4, 58].
В ходе графических разработок, и прежде всего разработки чертежей общего расположения, также может возникнуть необходимость пересмотреть размерения и форму судна, особенно если проектируемое судно сильно отличается от судов-прототипов.
Проверочные расчеты ходкости по графикам, основанным на испытаниях модели в бассейне, или сами испытания модели, изготовленной по теоретическому чертежу в соответствии с вычисленными размерениями и другими характеристиками проекта, тоже могут заставить внести изменения в эти характеристики.
Таким образом, может потребоваться расчет основных характеристик судна во втором приближении, а может быть и последующих, даже при том же задании.
Число приближений будет тем меньше, чем больше соответствие используемых математических связей, а также чем больше соответствие принятого вида и численных коэффициентов применяемых зависимостей физической природе рассматриваемых явлений.
Сам процесс последовательного уточнения результатов принято называть методом последовательных приближений (по-английски trial and error method, т.е. метод попыток и ошибок).
В начале проверяют результаты первого приближения и находят их отклонения от результатов проверочных расчетов. Если расхождения между исходными данными и-результатами проверки существенны, проводят расчеты во втором приближении, пользуясь методами теории проектирования судов. Во втором приближении рационально применять дифференциальные зависимости теории проектирования судов.
После того, как результаты определения размеров и формы судна будут подтверждены расчетами по теории корабля и другим судостроительным дисциплинам, проверкой на соответствие действующим нормам, а также графическими разработками, можно переходить к разработке чертежей эскизного, технического проектов и рабочих чертежей.
Вследствие отмеченного выше приближенного характера зависимостей, применяемых в теории проектирования судов, существует много возможных решений. Выбор зависит от того, на какие вопросы обращается больше внимания при создании судна (уменьшение веса, создание более мореходного судна и т.п.), от индивидуальных требований заказчика к судну, различных ограничений, характеристик судна, условий эксплуатации и т.п. В связи с этим статистические величины, используемые в процессе проектирования судна, обычно колеблются в довольно широких пределах.
Возникает вопрос, какую же из ряда статистических величин, пригодных для реального осуществления в проектируемом судне, надо положить в основу, какая из них окажется наивыгоднейшей - оптимальной.
Для оптимизации совокупности характеристик судна, т.е. оптимальной реализации его математической модели, требуется оценить ряд значений размерений и коэффициентов формы. Каждая совокупность этих величин, дающая одну из реализаций математической модели судна, должна быть оценена по принятому критерию оптимизации. Таким образом, процесс оптимизации осуществляется сравнением ряда реализаций математической модели судна, т.е. методом сопоставления вариантов, который проектанты обычно называли методом вариаций.
Как сказано выше, в процессе проектирования судна используют две группы научно-методических приемов.
Первая из них, которая должна приниматься сразу после получения задания, основана непосредственно на выводах теории проектирования судов.
Вторая группа обеспечивает проверку результатов, полученных по первой, и базируется на ряде судостроительных дисциплин, которые определяют элементы судна по его аналитическим и графическим характеристикам (чертежам), соответствующим его размерениям и форме.
Методически рациональный подход к определению элементов проектируемого судна сам по себе ещё не гарантирует получения наилучших результатов. Действительно, качественные показатели спроектированного судна в значительной мере зависят от общих идей, заложенных в проект, и от решений, принятых при рассмотрении частных вопросов, возникших в процессе разработки проекта. При решении различных уравнений в процессе проектирования можно найти бесконечное количество частных решений. Соответствующие им варианты судна будут удовлетворять требованиям, предъявленным в задании к грузоподъемности, скорости хода, дальности плавания и пр., отличаясь одновременно мореходными качествами, экономичностью и т.п.
Для того чтобы выбрать наилучшее практически осуществимое решение, нужно, очевидно, исследовать качественные показатели вариантов судна. Подобную работу в отношении, например, мореходных качеств можно выполнить, если для судна данного типа известны пределы остойчивости, необходимой для обеспечения безопасности плавания и в то же время допустимой с точки зрения поведения судна на взволнованном море. Кроме того, решая подобную задачу, проектировщик должен иметь достаточно четкие представления о влиянии соотношений элементов и других показателей формы судна на его мореходные и эксплуатационные качества.
Методика оптимизации теоретической поверхности корпуса судна
Необходимо спроектировать форму корпуса таким образом, чтобы качка была наиболее плавной, а суммарный (на тихой воде и волновой) вертикальный изгибающий момент был как можно меньшим. При этом остаются неизменными скорость и водоизмещение. Ниже представлена блок-схема оптимизационного проектирования корпуса судна.
Качка судна определяется: амплитудой, фазовым углом, периодом и др. Для плавного перемещения точки корабля амплитуды должны быть как можно меньше, а период - как можно больше. Прочность судна кроме конструктивных особенностей определяется формой корпуса, которая влияет в т.ч. на распределение нагрузки по длине и вместимость. В поставленной задаче требуется, определить такую комбинацию различных параметров (xi,x2,x3v xn), при которой достигается оптимальное решение [(хіД2)Хз,...,х„) — opt с условием выполнения некоторых ограничений (f - критерий оптимизации).
Во-первых, водоизмещение должно-быть равно заданному значению
Во-вторых, каждая оптимизируемая величина не выходит за пределы допустимых значений
При разработке метода решения задач оптимизации следует выбрать критерий оптимизации f. Этот измеритель в нашем случае, как видно из вышесказанного, определяется параметрами качки и суммарным изгибающим моментом. Поэтому в качестве такого значения был принят комбинированный критерий [43, 44, 45, 107]
Стандарты амплитуд килевой, вертикальной качки и волновых изгибающих моментов определяются по зависимости (3.5), предложенной в главе 3 данной работы.
Поиск оптимальных соотношений параметров, определяющих форму корпуса, может производиться методом спирального координатного спуска [24].
По зависимости (3.5), полученной в третьей главе, были произведены расчеты и построены графики (см. рисунки 4.2.2 - 4), а целевая функция по зависимости (4.2) на рисунке 4.2.5.
