Содержание к диссертации
Введение
1. Прогнозирование показателей мореходных качеств судна на ранних стадиях проектирования 22
1.1.Исходные положения теории проектирования судна 22
1.2.Методика проектирования судна 26
1.3.Выбор основных характеристик формы корпуса судна 29
1.4. Конструирование теоретического корпуса аналитическим методом 31
1.5.Методы расчета гидростатических характеристик судна 34
1.6.Обеспечение эксплуатационной остойчивости судна 35
1.7.Требование Регистра судоходства к остойчивости судна 37
1.8.Запас плавучести и высота надводного борта 38
1.9.Обеспечение непотопляемости 39
1.10.Обеспечение ходкости и управляемости 40
1.11. Анализ научных направлений исследования динамической остойчивости судна в различных условиях плавания 40
1.11.1 Бортовая качка конечной амплитуды судна с заданной диа граммой остойчивости 40
1.11.2. О действии на судно ветровой нагрузки в условиях качки 43
1.11.3. Анализ динамической остойчивости судна при воздействии шквала ветра в рамках требований Регистра судоходства 45
1.11.4. Анализ динамических наклонений судна при действии порывистого ветра умеренной силы на тихойводе 47
1.11.5.Анализ динамической остойчивости судна на продольном вол нении и при возникновении параметрического резонанса 48
1.11.6.Анализ динамической остойчивости судна при следовании произвольным курсом к волнам 49
2. Обоснование методов динамики корабля в задачах плавучести и остойчивости корабля 57
2.1. Анализ методов динамики корабля 57
2.2. Системы координат, применяемые в задачах статики и динамики корабля 60
2.3. Анализ движения корпуса при динамических внешних воздействиях 68
2.4. Расчетная система дифференциальных уравнений движения судна 71
2.5. Расчетная совокупность внешних сил 73
3. Методы определения внешних сил 76
3.1. Определение инерционных характеристик корпуса судна 76
3.2. Определение гидростатических восстанавливающих сил
3.2.1. Вычисление элементов погруженного объема корпуса судна 76
3.2.2. Методика подготовки информации о поверхности теоретического корпуса по теоретическому чертежу 80
3.2.3. Автоматизированный алгоритм расчета характеристик погруженного объема корпуса при произвольной посадке 80
3.2.4. Учет движения корпуса и волнения 86
3.2.5. Примеры расчета гидростатических характеристик
3.3. Определение присоединенных масс корпуса 89
3.4. Определение гидродинамических сил демпфирования 92
3.5. Определение аэродинамических сил на корпусе по методике Регистра Судоходства 96
3.6. Сила от принятых на судно грузов 97
3.7. Определение возмущающих сил и моментов от волн 97
4. Определение движения и посадки судна при динами ческом нагружении внешними силами 104
4.1. Геометрические и гидростатические характеристики судна 104
4.2 Свободные колебания на тихой воде 108
4.2.1. Бортовые колебания 108
4.2.2. Килевые колебания 109
4.2.3 Вертикальные колебания ПО
4.3. Нелинейные свободные бортовые колебания ПО
4.3.1 Вариант корпуса 1 111
4.3.2 Вариант корпуса 2 112
4.3.3 Вариант корпуса
4.4. Прием груза в произвольное место на корабле 116
4.5. Качка на регулярном волнении 118
4.6. Сложное динамическое нагружение судна внешними силами 120
4.6.1. Динамика наклонений судна при внезапном приеме и смещении большого груза 120
4.6.2 Динамика бортовых наклонений судна при внезапном приложении кренящего момента от шквала ветра. Вариант корпуса 1 123
4.6.2.1 Расчетный случай 1 (без волнения по правилам Речного Регистра) 123
4.6.2.2 Расчетный случай 2 (на волнении по правилам Речного Регистра) 128
4.6.2.3 Расчетный случай 3 - (на волнении по правилам Морского Регистра) 133
4.6.3 Динамика бортовых наклонений судна при внезапном приложении кренящего момента от шквала ветра. Вариант корпуса 2 138
4.6.3.1 Расчетный случай 1 (без волнения по правилам Речного Регистра). Вариант корпуса 2 138
4.6.3.2 Расчетный случай 2 (на волнении по правилам Речного Регистра). Вариант корпуса 2 142
4.6.4 Динамика бортовых наклонений судна при внезапном приложении кренящего момента от шквала ветра. Вариант корпуса 3 147
4.6.4.1 Расчетный случай 1 (без волнения по правилам Речного Регистра). Вариант корпуса 3 147 4.
6.4.2 Расчетный случай 2 (на волнении по правилам Речного Регистра). Вариант корпуса 3 148
5. Применение метода динамики для решения проектных задач судна 152
5.1 Разработка необходимой и достаточной диаграммы статической остой чивости малого пассажирского судна прибрежного плавания на ранней стадии проектирования 152
5.2. Влияние несимметрично расположенных водонепроницаемых надстроек на диаграммы остойчивости 160
5.3. Наклонения водоизмещающего судна на продольном волнении при действии кренящего момента 162
5.4. Динамика водоизмещающего амфибийного судна при входе в воду и при выходе из воды на берег 170
Заключение 178
Список использованных источников
- Конструирование теоретического корпуса аналитическим методом
- Анализ движения корпуса при динамических внешних воздействиях
- Автоматизированный алгоритм расчета характеристик погруженного объема корпуса при произвольной посадке
- Динамика наклонений судна при внезапном приеме и смещении большого груза
Введение к работе
Актуальность работы. Успешное развитие экономики страны требует постоянного совершенствования речного и морского транспорта. Создание судна — сложный процесс, основными этапами которого являются проектирование судна, его постройка и эксплуатация. Назначение судна определяется целью его эксплуатации. В процессе проектирования судна принимаются решения о назначении главных размерений корпуса на основе определенного числа критериев. Критерии плавучести и остойчивости являются наиважнейшими. Существует разделение требований к эксплуатационной остойчивости и к остойчивости при больших углах наклонения. При проектировании судов наиболее разработан раздел эксплуатационной остойчивости, мерой для которой является метацентрическая высота.
В последние годы стали активно строиться небольшие пассажирские и прогулочные суда для совершения туристических прогулок и экскурсий, отдыха и т. п. Они рассчитаны для относительно небольшого числа пассажиров, предоставления им высокой степени комфорта в помещениях, расположенных на палубе и в ярусах надстройки. Пребывание людей на судне длительное. Для таких судов будет характерной большая площадь парусности и может возникнуть ситуация, когда необходимые минимальные нормы остойчивости могут оказаться недостаточными для выполнения критериев остойчивости. Становится необходимым обеспечение проектируемому судну диаграммы статической остойчивости с более высокими значениями параметров, особенно lmaxl Qmax
Поэтому представляется актуальным разработка методики более раннего прогнозирования параметров диаграммы остойчивости на этапе обоснования главных размерений корпуса, высоты надводного борта, архитектуры надстроек и элементов непроницаемых объемов. На стадии проектирования, называемой начальной стадией, значительную роль играют методы аналитического подхода к определению водоизмещения судна, главных размерений и коэффициентов формы корпуса. На последующих стадиях проектирования будет возрастать сложность внесения изменений в технические характеристики судна. Отсюда вытекает важность рационального подхода к выбору главных размерений и коэффициентов формы судна, что обеспечивается применением аппарата теории проектирования судов на начальных стадиях проектирования.
Анализ произошедших в последние годы аварий судов, связанных с потерей остойчивости, показывает на возникновение сложных ситуаций как по характеру воздействия на судно внешних сил, так и усугубляющих ситуацию внутренних динамически происходящих изменений весовой нагрузки. Каскадное развитие неблагоприятных ситуаций (крен и дифферент - смещение груза - заливание - опрокидывание) не может быть смоделировано на существующих математических моделях динамики судов.
Можно предположить такие возможные причины аварий:
1.Сложный характер и высокий уровень внешних воздействий на судно.
2. Сложная динамика судна как реакции на внешнее воздействие.
При внезапном (импульсном) приложении кренящего момента побочные движения корпуса, также как и крен, имеют динамический характер, и их максимальная величина существенно превышает статическое значение. Наклонение корпуса характеризуется как не равно-объемное. Тенденция к вертикальным перемещениям корпуса при угловых наклонениях корабля проявляется в различной степени в зависимости от архитектуры погруженной и надводной непроницаемой частей корпуса, способа приложения (статический или динамический, периодический, комбинированный и т. п.) внешних наклоняющих моментов.
Динамика судна на волнении при углах крена, достигающих значений на нисходящей ветви диаграммы статической остойчивости, становится нелинейной по восстанавливающему моменту. Такие углы крена имеют место при совместном действии волн и кренящего момента от шквала ветра. Поэтому раздельное изучение наклонения судна от действия шквала ветра в условиях тихой воды и изучение резонансной качки на волнении судна, сидящего прямо, не могут дать гарантирующих оценок.
Отсюда следует необходимость проведения исследования движения и посадки корабля при сложном и внезапном воздействии внешних сил, базирующемся на подходах и математических моделях динамики судна. Поэтому можно заключить, что разработка методов прогнозирование посадки судна и динамической остойчивости в сложных условиях погоды и эксплуатации на ранних стадиях проектирования является актуальной задачей.
Цель работы заключается в создании теоретического метода исследования посадки и движения судна в сложных условиях внешнего воздействия моря, связанных с изменениями характеристик плавучести и остойчивости при больших перемещениях корпуса, позволяющего на ранней стадии проектирования обеспечить требуемые значения параметров диаграммы статической остойчивости.
Для достижения указанной цели подлежали решению следующие задачи:
разработка математической модели движения корпуса как совокупности дифференциальных уравнений плавучести и остойчивости судна;
обоснование методов и расчетных зависимостей для определения гидростатических и гидродинамических сил, действующих на корпус судна, а также внешних сил тяжести корпуса, принимаемых грузов и реакций специальных устройств;
исследование движения и посадки судна при динамическом приложении внешних сил и анализ полученных данных;
разработка необходимой и достаточной диаграммы статической остойчивости малого пассажирского судна прибрежного плавания на ранней стадии проектирования;
оценка влияния несимметрично расположенных водонепроницаемых надстроек на параметры диаграммы остойчивости;
оценка остойчивости и динамики наклонений водоизмещающего судна на продольном волнении при действии кренящего момента;
оценка динамики водоизмещающего амфибийного судна при входе в воду и при выходе из воды на берег.
Объектом научного исследования являются пассажирские суда прибрежного плавания.
Предметом научного исследования являются методы оценки динамической остойчивости судна в сложных условиях плавания и способы определения характеристик размеров и формы корпуса судна на ранних стадиях проектирования.
Теоретической основой для диссертационных исследований в части теории проектирования судов являются работы Ашика В. В., Бронникова А.В., Гайковича А.И., Ногида Л.М., Пашина В.М., Роннова Е.П., Зуева В.А., Грамузова Е.М., Демешко Г.Ф., Леви Б.З., Царева Б.А. и других ученых. В части теории корабля являются работы А.Н. Крылова, Власова В.Г., Благовещенского С.Н., Семенова-Тян-Шанского В.В., Бородая И.К., Луговского В.В., Севастьянова Н.Б., Холодилина А.Н., Мореншильдт В.А., Нечаева Ю.И., Нецветаева Ю.А., Ремеза Ю.В., Некрасова В.А., Ананьева Д.М., Борисова Р. В., Семеновой В. Ю., К. Венделя, С. Каст-нера, Дж. Паулинга, С. Родена, Дж. Робертса, Неймана, Пирсона, Лонге-Хиггинса, О. Грима, Ф.Тасаи и других ученых.
Методы исследования. При выполнении работы применялись следующие методы исследования: теоретические методы исследования статики и динамики корабля; теоретические методы проектирования судов; численные методы интегрирования систем дифференциальных уравнений; средства программирования «Visual Basic»; средства анализа «Microsoft Excel 2010».
Научная новизна. В итоге проведенных в работе исследований получен ряд новых научных результатов:
- выполнен анализ положений теории проектирования судов и определено место
для разработки методики прогнозирования параметров диаграммы остойчивости на этапе
обоснования главных размерений корпуса, высоты надводного борта, архитектуры надстроек
и элементов непроницаемых объемов;
обобщены научные направления в исследованиях динамической остойчивости судна в сложных условиях плавания;
определены методы и разработаны алгоритмы расчета для прямого расчета по теоретическому чертежу гидростатических восстанавливающих сил и моментов при мгновенной произвольной посадке судна, включенных в процедуру численного интегрирования дифференциальных уравнений движения корпуса;
определены методы определения гидродинамических сил, действующих на корпус судна, принимаемых грузов и реакций специальных устройств;
выполнено по методу вычислительного эксперимента исследование динамической остойчивости и посадки судна при различных способах приложении внешних сил, при различных методах формирования расчетной ситуации и проведен анализ полученных результатов;
разработана методика обоснования необходимых и достаточных параметров диаграммы статической остойчивости и приведенной высоты надводного борта пассажирского судна прибрежного плавания на ранней стадии проектирования;
дана оценка влияния несимметрично расположенных водонепроницаемых надстроек на параметры диаграммы остойчивости;
выполнен анализ остойчивости и динамики наклонений водоизмещающего судна на продольном волнении при действии кренящего момента;
исследована динамика водоизмещающего амфибийного судна при входе в воду и при выходе из воды на берег.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
вычислительная технология проведения исследований плавучести и динамической остойчивости водоизмещающего судна в сложных условиях погоды и эксплуатации;
-
математическая модель для исследования плавучести и динамической остойчивости водоизмещающего судна;
-
метод вычислительного эксперимента для исследования динамической остойчивости и посадки судна при различных способах приложении внешних сил;
-
методика обоснования необходимых и достаточных параметров диаграммы статической остойчивости и приведенной высоты надводного борта пассажирского судна прибрежного плавания на ранней стадии проектирования на этапе обоснования главных размерений корпуса, высоты надводного борта, архитектуры надстроек и элементов непроницаемых объемов;
-
динамика водоизмещающего амфибийного судна при входе в воду и при выходе из воды на берег.
Практическое значение. Практическое значение работы реализуется тем, что предлагаемые в диссертационной работе методы, алгоритмы и программы расчетов неразрывно сочетаются с инженерной деятельностью конструкторских организаций. Предложенная в диссертации математическая модель доведена до рабочей программы. Даны практические рекомендации по обоснованию необходимых и достаточных параметров диаграммы статической остойчивости и приведенной высоты надводного борта пассажирского судна прибрежного плавания на ранней стадии проектирования на этапе обоснования главных размерений корпуса, высоты надводного борта, архитектуры надстроек и элементов непроницаемых объемов. Дана практическая оценка влияния несимметрично
расположенных водонепроницаемых надстроек на параметры диаграммы остойчивости. Предложена практическая методика проведения исследования динамической остойчивости и посадки судна при различных способах приложении внешних сил, при различных методах формирования расчетной ситуации. Она позволяет определить параметры движения и оценить динамическую остойчивость на продольном волнении при действии кренящего момента.
Достоверность. Примененные в диссертации методы основываются на широко известных и апробированных в теории корабля и в теории проектирования судов научных фундаментальных положениях и выводах. Обоснованность научных положений, достоверность выводов и рекомендаций подтверждается представленными в работе тестовыми расчетами. Выполненные исследования обладают вполне удовлетворительной сходимостью результатов тестовых расчетов с опубликованными данными.
Реализация работы. Методология и математическая модель реализованы в прикладных программах для сети ЭВМ и гибко налаживается для конкретного судна.
Расчеты, проведенные для спроектированного проектной организацией пассажирского судна, показали хорошую сходимость с данными организации. Это свидетельствует о достоверности заложенных в методы расчета теоретических предпосылок.
Апробация работы. Основное содержание работы докладывалось и одобрено на конференции «Концепт»: «Современные научные исследования: актуальные теории и концепции. Выпуск 3. - 2015. - ART 65113. [Электронный ресурс] - URL: - ISSN 2304-120X» и на семинаре кафедры («Теория корабля и гидромеханика») «Аэрогидродинамика, прочность машин и сопротивление материалов».
Публикации. По результатам исследований, представленных в диссертационной работе, опубликовано 8 научных работ, из них 2 написанных только автором, а 6 выполнены в соавторстве, но основные результаты в них принадлежат автору.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Она содержит № 191 стр. машинописного текста, № 16 таблиц, № 149 рисунков, библиографию из № 168 наименований, в том числе 29 на иностранных языках.
Конструирование теоретического корпуса аналитическим методом
В зависимостях (1.24) приняты такие обозначения: со , В, С - площадь и статические моменты площади шпангоута относительно осей z и у соответственно; S,Mx,M Ix,I If,xf,yf - площадь, статические моменты и моменты инерции площади ватерлинии относительно осей х, у, f, а также координаты центра тяжести площади S; K,Mj; ,,Mxz,Mj,z,xc,yc,zc - объемное водоизмещение, статические моменты объема V относительно координатных плоскостей хОу, xOz, yOz соответственно и координаты центра величины; mx,my,ix,iy - элементарные статические моменты и моменты инерции; хн,хк - абсциссы крайних носовой и кормовой точек корпуса.
Приближенные методы вычисления определенных интегралов (1.24) базируются на поперечно-вертикальных или горизонтальных сечениях корпуса. Область применения для данного подхода является ограниченные до (30 -40и) углы дифферента. При больших углах наклонений корпуса по дифференту нарастают ошибки в формировании сечения корпуса действующей ватерлинией и в определении объемного водоизмещения и координат центра величины. Эти погрешности имеют методический характер и не могут быть полностью скомпенсированы увеличением числа расчетных шпангоутов.
Разработаны и применяются специализированные программы для расчета гидростатических характеристик корпуса [21], [22], [25].
Остойчивость судна обеспечивается действием восстанавливающего момента. Существует разделение требований к остойчивости на эксплуатационную остойчивость и остойчивость при больших углах наклонения. При малых углах наклонения применяются метацентрические формулы остойчивости: Mm=Dh sin в; С1-25) При проектировании судов акцент делается на эксплуатационную остойчивость, мерой для которой является метацентрическая высота: h = z -z =r-a = -1L-(z -z) = (-JL + z)-z . (1.26) Метацентрическую высоту связывают с шириной судна, вводя понятие - h относительной метацентрической высоты: h = —. Обеспечение допустимых зна В чений углов наклонения достигают за счет определенного значения метацентрической высоты. При динамическом приеме или снятии грузов, при быстром перемещении грузов, при воздействии порывов ветра и волн, судно будет совершать колебательные движения. Частота свободных колебаний корпуса по крену также зависит от h: сод = \ частота собственных колебаний судна;
Судно на волнении совершает качку. Главную опасность и неблагоприятное воздействие представляет бортовая качка. На нерегулярном волнении колебания происходят как с частотами спектра волн, так и на частотах свободных колебаний. При совпадении частот волн и частотами свободных колебаний возникает резонанс, сопровождающийся значительным ростом амплитуд колебаний и представляющий угрозу заливания или даже опрокидывания. Поэтому разнесение частоты свободных колебаний судна и частоты максимума спектра ветровых волн обеспечивают также и за счет значения h. Наиболее исследованным является путь уменьшения сов за счет уменьшения h. Период бортовой качки также может быть неблагоприятным для экипажа.
Периоды свободных колебаний корпуса характеризует плавность качки и величину ускорений. Опасная величина вертикальных и горизонтальных ускорений вызывает перегрузки для приборов, креплений грузов и ухудшение самочувствия экипажа и пассажиров. Рекомендация по выбору h или h состоит в назначении [6], [35]: А =(0,03-8-0,05);[А = (0,03-8-0,05)5 ]. (L27) В теории проектировании установлена зависимость метацентрической высоты от главных размерений и коэффициентов полноты корпуса в форме так называемого уравнения остойчивости: z = к 1
Уравнение остойчивости применяется при рассмотрении вариантов отношения В, Т и коэффициентов аир. По заданной величине h (или h = h/B) определяется потребная величина отношения В/Т.
Требование Регистра судоходства к остойчивости судна Требования Регистра к остойчивости судов изложены в IV части Правил и делятся на общие, распространяющиеся на все суда, и дополнительные, применительно к судам конкретных типов.
Общие требования к остойчивости. Остойчивость судов считается по критерию погоды К достаточной, если при условном действии ветра и волнения выполняются требования п. 2.1.2.5 [104], при этом: Дополнительные требования к остойчивости дифференцированы по типам судов. При частичном заполнении трюмов тяжелыми грузами (руда, слитки металла и т.п.) при осадке по грузовую марку необходимо проверять остойчивость по критерию ускорений. Расчетные ускорения az должны быть не должны превышать 0,3 ускорения свободного падения.
Для буксиров проверяется остойчивость при рывке буксирного троса. У пассажирских судов проверяется угол крена от скопления пассажиров на одном борту (9йас 10) и угол крена от совместного действия кренящих моментов на циркуляции и скопления пассажиров на одном борту (9 12).
У контейнеровозов - угол крена, возникающий под действием ветра и на циркуляции. В обоих случаях он не должен превышать 15. Начальная метацентрическая высота при перевозке контейнеров должна быть не менее 0,20 м.
Анализ движения корпуса при динамических внешних воздействиях
Направление «Статика и динамика корабля» изучает важные мореходные качества: плавучесть, остойчивость и непотопляемость. В части «Статика» рассматривается уравнения равновесия корабля при плавании в условиях тихой воды. Главной вычислительной задачей является определение геометрических характеристик погруженного в воду объема корпуса и действующей ватерлинии при заданных параметрах посадки. В части «Динамика» рассматриваются изменения параметров посадки и характеристик остойчивости судна, при изменениях составляющих весовой нагрузки и приложении кренящего момента различным образом (статически и динамически). Методика решений уравнений равновесия предполагает существование определенного начального состояния равновесного плавания, по отношению к которому происходят изменения нагрузки и параметров посадки. Выведены расчетные зависимости, базирующиеся на допущениях: - малости изменения нагрузки по сравнению с весом сунна; обводы корпуса в пределах изменения посадки считаются прямо стенными; - изменения нагрузки происходят с малой скоростью; - при динамическом приложении кренящего момента динамический угол крена (первое наклонение) определяется приравниванием удельных избыточных работ кренящего и восстанавливающего моментов путем графических построений на диаграммах статической и динамической остойчивости, которые рассчитываются по методике последовательных с малым шагом равнообъемных наклонений. Расчет гидростатических характеристик осуществляется по ординатам теоретического корпуса.
Данные допущения позволили отказаться от необходимости решения системы дифференциальных уравнений движения корпуса, и вывести приближенные алгебраические формулы и гидростатические характеристики корпуса в графическом изображении. Однако, статический подход не позволяет оценить случаи динамического перемещения или приема большого груза, исследовать не равнообъемные наклонения судна при динамических крене и дифференте, оценить сложные по совокупности внешних сил или каскадные по времени приложения сил виды воздействий.
Направление «Качка корабля» рассматривает колебательные движения корпуса, обусловленные действием волн. Эти движения наложены на состояние равновесного прямого плавания судна, параметры качки представляют отклонения параметров посадки от начального положения плавания. Математическая модель качки представлена системой параметров движения и дифференциальных уравнений, является вполне обоснованной и отвечающей требованиям теоретической механики. Основное внимание уделяется определению гидродинамических характеристик корпуса (присоединенных масс, коэффициентов демпфирования, коэффициентов волновых нагрузок). Допущения, принятые в теории качки: - амплитуды колебаний корпуса являются малыми величинами первого порядка малости; - линейная гидродинамическая теория волн относительно малой амплитуды положена в основу определения гидродинамических характеристик качки судна.
Исходя из данных допущений, гидростатические восстанавливающие силы и моменты в уравнениях качки представлены зависимостями метода начальной остойчивости - метацентрическими формулами. Изменения нагрузки судна в процессе качки не предусматриваются, поскольку уравнение плавучести в системе дифференциальных уравнений качки отсутствует. Обоснование такого удаления из уравнений качки можно найти в книге Семенова-Тян-Шанского В. В. [119].
Направление «Ходкость и управляемость корабля» рассматривает движения корабля в горизонтальной плоскости по поверхности воды под действием сил движителей и средств управления движением. Математическая модель представлена системой дифференциальных уравнений. Гидростатические силы и моменты не зависят от перемещений корпуса в горизонтальной плоскости, поэтому они не входят в уравнения движения. Наклонения корпуса по крену во время маневра имеют место за счет действия гидродинамических сил на корпусе, но эти наклонения рассчитываются отдельно от параметров траектории движения.
В работе [98] рассмотрена динамика пространственных движений подводных аппаратов. Особые условия работы заставляют исследовать пространственные перемещения объекта, такие как погружение-всплытие.
Общий анализ математических моделей вышеназванных научных направлений показывает, что каждое из них имеет свои методические приемы и особенности в выборе систем координат, параметров посадки, в составлении уравнений равновесия и уравнений движения.
Анализ произошедших в последние годы аварий судов, связанных с потерей остойчивости, показывает на возникновение сложных ситуаций как по характеру воздействия на судно внешних сил, так и усугубляющих ситуацию внутренних динамически происходящих изменений весовой нагрузки. Каскадное развитие неблагоприятных ситуаций (крен и дифферент - смещение груза - заливание - опрокидывание) не может быть смоделировано на существующих математических моделях динамики судов. Можно предположить такие возможные причины аварий: 1.Сложный характер и высокий уровень внешних воздействий на судно. (Кренящий момент и крен от ветра, действие волн могут вызвать смещение груза.) 2.Сложная динамика судна как реакции на внешнее воздействие. (При динамическом крене возникают побочные движения по дифференту и вертикальное перемещение.) 3.Неквалифицированные действия экипажа при эксплуатации судна.
В Правилах Регистра Судоходства [103], [104] безопасность плавания судна устанавливается удовлетворением критерия погоды. Критерий погоды задает не превышение динамического угла крена судна, возникшего в результате действия нормативного кренящего момента, определенного значения (угол опрокидывания, либо угла заливания, либо регламентированного значения угла крена).
НЕОПРОКИДЫВАНИЕ судна от внезапно приложенного кренящего момента является первым из главных критериев безопасности плавания.
НЕЗАЛИВАНИЕ корпуса через отверстия при наклонении судна является вторым из главных критериев безопасности плавания корабля. Предельным значением динамического угла крена при этом является угол заливания, определение которого осуществляется проектантом заранее при помощи приближенного геометрического построения (рисунок 2.1), которое не вполне обосновано.
В случае сложного воздействия внешних сил или сложной реакции судна будет невозможно осуществить такое построение по причине дополнительно возникающих при крене побочных угла дифферента и вертикального перемещения корпуса. Эти моменты известны в практике выполнения расчетов остойчивости судна при больших углах крена. Например, при расчете диаграмм статической и динамической остойчивости по методу А. Н. Крылова, графически определяемая поправка Дарньи, определяющая толщину поправочного слоя, для нахождения положения равнообъемной ватерлинии как раз и учитывает вертикальное перемещение корпуса при крене, но только как статическое его значение.
Автоматизированный алгоритм расчета характеристик погруженного объема корпуса при произвольной посадке
Эти требования отличают выбор метода расчета и программы задач динамики судна от аналогичных выбора метода и программ при расчете гидростатических характеристик корпуса для задач статики судна.
В теории корабля применяются приближенные численные методы вычисления определенных интегралов гидростатических характеристик корпуса.
Из геометрического смысла и свойства аддитивности определенный интеграл может быть представлен в таком виде: S \ydx Хк JV-1 EAS, ;=1 (3.2) где AS1.- элемент площади, ограниченной под интегральной функцией у = fix) на шаге Дх интервала интегрирования.
Таким образом, задача распадается на такие этапы: 1. Разбивка интервала интегрирования на малые элементы. 2. Расчет геометрических характеристик малого элемента AS 3. Суммирование по формуле (3.2) характеристик элементов. Наиболее простым для расчета является элемент площади в форме трапеции (рисунок 3.1).
Обвод действительной кривой у = f{pc) заменим прямой линией, проведенной через вершины ординат В и С.
Для трапеции АВСДЕ геометрические характеристики площади AS определяются по формулам, вытекающим из представления элемента в виде суммы прямоугольника АВДЕ и прямоугольного треугольника ВСД. Площадь трапеции равна ASl= (yl+yM)Axl (3.3) Координаты центра тяжести площади трапеции равны з (у+у+1) з (у,+у+1) (3.4) Статические моменты площади трапеции относительно осей Хну равны т = AS-b;m = AS (х -1). ґ _. х. у. і (3.5) Моменты инерции площади трапеции относительно осей X и у равны / =-у3Ах.+ — (у. -у.)3Ах.+ — (у. л-у.){у. л+2у.)2Ах.; х Ъ і і 36 /+1 г і 18 /+1 11+1 і і і Л, = — у.Ах3 + у.(х.-0.5Ах.)2Ах.+ — (у. л-у.)Ах3 + (3-6) У І 12 і і і і і і 36 +1 і і 1 2 + —(у. л-у.)(х.—Ах.) Ах . 12 /+1 і і з 1
Следует отметить, что значение имеет порядок нумерации ординат. Здесь принято правило нумерации ординат в отрицательном направлении оси абсцисс.
Вычислив при помощи зависимостей (3.2)-(3.6) характеристики отдельных трапеций, путем суммирования определим соответствующие характеристики всей площади:
Взяв в качестве подинтегральной функции обвод шпангоута у = f{z), по аналогичному алгоритму (3.2)-(3.6) можно вычислить площадь и статические моменты площади шпангоута. Взяв в качестве подинтегральных функций S(z ) и СОІ х), по аналогичному алгоритму можно вычислить все гидростатические характеристики корпуса.
Данный алгоритм является универсальным для расчетов по статике корабля. Исходной информацией являются массивы координат поперечно-вертикальных сечений (шпангоутов) теоретического корпуса. Погрешность метода определяется площадью сегмента, заключенного между кривой у = f(x) и прямой ВС и она снижается при уменьшении шага Ах и при уменьшении кривизны кривой.
Рассмотренные выше алгоритмы расчета геометрических характеристик поперечных и продольных сечений корпуса судна пригодны лишь в случае простого корпуса, поверхность которого у = f{x, z) является монотонной функцией координат. Довольно часто у судов это условие нарушается. Это имеет место у судов, имеющих тоннели для гребных винтов, у судов с различными вырезами или нишами для размещения устройств и оборудования, а также у многокорпусных судов.
Существует несколько способов решения данной проблемы. Рассмотрим здесь метод разбиения объема геометрически сложного корпуса на несколько простых объемов, который позволяет использовать наработанные вычислительные алгоритмы. Геометрические характеристики сложного корпуса будут определяться путем суммирования соответствующих характеристик простых объемов. Принцип разбиения сложного корпуса на простые объемы заключается в следующем: действующая ватерлиния должна пересекать обвод шпангоута только в одной точке на правом борту и в одной точке на левом борту.
Введем условное разграничение объемов на "непроницаемые" и "проницаемые" для воды и установим их численный признак. Непроницаемому объему установим признак kv = +1, а проницаемому объему признак kv = — 1. Физический смысл коэффициента kv состоит в том, что его модуль представляет так называемый "коэффициент проницаемости", используемый в теории непотопляемости корабля при затоплении отсеков забортной водой через пробоину в обшивке.
Тогда геометрические характеристики погруженного объема сложного корпуса могут определяться по следующим зависимостям: s = IVS;F = ZV - (3.8)
Таким образом, проблема вычисления геометрических характеристик погруженного объема сложного корпуса состоит в правильном разбиении корпуса на простые объемы, в снятии ординат и организации циклов расчета по объемам. 3.2.2. Методика подготовки информации о поверхности теоретического корпуса по теоретическому чертежу
В тех случаях, когда поверхность теоретического корпуса задана в виде теоретического чертежа, информация о поверхности в цифровом виде массивов координат X., у.., Z. точек должна готовиться заранее. Для этого необходимо построение чертежа "Расчетный корпус". В состав расчетного корпуса нужно включить все теоретические шпангоуты, а также в оконечностях и в местах резкого изменения формы поверхности (бак, ют, реданы) пробить дополнительные расчетные шпангоуты. Более подробно это определяется по конкретному теоретическому чертежу [23].
После того, как определены все расчетные шпангоуты, следует построить их на проекции КОРПУС и пронумеровать, начиная с крайнего носового шпангоута в направлении с носа в корму. Ввиду симметрии корпуса относительно диаметральной плоскости вычерчивается только половина одного борта. Шпангоут вычерчивается полностью, включая линию бимса.
Затем на каждом шпангоуте назначаются расчетные точки, расположение которых и их количество выбирается из условия достаточно точной аппроксимации обвода шпангоута ломаной линией в соответствие с методом трапеций. Расчетные точки также нумеруются по направлению обхода шпангоута. После этого следует обмер координат X.,y..,z... Результаты обмера при помощи программы "tkwpd " [23] заносятся в файл ординат поверхности корпуса для дальнейших расчетов.
Расчет характеристик объема погруженной части корпуса и действующей ватерлинии при произвольной посадке судна является общим блоком алгоритмов решения задач плавучести, остойчивости, непотопляемости и наиболее сложной и трудоемкой части этих задач. Он связан с подготовкой, преобразованием и хранением большого объема информации о форме и характеристиках погруженного объема корпуса судна.
Решить задачу определения характеристик объема погруженной части корпуса поэтапно можно и с помощью алгоритмов, рассмотренных ваше. Но наибольший эффект дает только автоматизированный алгоритм» объединяющий в себе все промежуточные этапы расчета и исключающий графические построения для хранения, преобразования и получения информации.
Динамика наклонений судна при внезапном приеме и смещении большого груза
В процессе проектирования судна принимаются решения о назначении главных размерений корпуса на основе определенного числа критериев. Критерий остойчивости является наиважнейшим. Остойчивость судна, исходя из требований безопасности плавания, признается достаточной, если в регламентированных Правилами Регистра [104] условиях плавания действие возмущающих сил от волн, ветра и других внешних сил не может привести к катастрофическим последствиям вследствие заливания и опрокидывания судна.
Существует разделение требований к эксплуатационной остойчивости и к остойчивости при больших углах наклонения. При проектировании судов наиболее разработан раздел эксплуатационной остойчивости, мерой для которой является метацентрическая высота. Обеспечение допустимых значений углов наклонения достигают за счет определенного значения метацентрическои высоты. В процессе определения основных элементов судов в качестве основного критерия, характеризующего остойчивость судов, используется относительная метацентрическая высота [6, 49] h = h/B = (0.03 -г- 0.05).
Установлена зависимость метацентрическои высоты от главных размерений и коэффициентов полноты корпуса в форме так называемого уравнения остойчивости: h (5-1) а2 B2- + 0,5(5T 11,4(5 Т S Уравнение остойчивости применяется при рассмотрении вариантов отношения , В, Т и коэффициентов аир при принятом значении h. В книге [ ] рекомендовано также использовать и такое неравенство при выборе В : В к(Н+НІ+НІІ+НФ1 (5.2) в котором: Hh Нп, Нф- высоты первого, второго ярусов и фонаря надстройки, к — коэффициент, определяемый в зависимости от класса судна.
В этой формуле сделана попытка увязать необходимую ширину судна, как основную характеристику корпуса, определяющую остойчивость, и высоту корпуса с надстройками, как определяющий параметр парусности и кренящего момента от действия ветра.
Для удовлетворения критериев остойчивости при больших углах крена установлены требования к форме и параметрам диаграмм статической и динамической остойчивости [103, 104]: 1. Площадь под положительной частью диаграммы статической остойчивости должна быть не менее 0.055 м рад до угла крена 30 и не менее 0.09 м рад до угла крена 40 . Дополнительно площадь между углами крена 30 и 40 должна быть не менее 0.03 м рад. 2. Максимальное плечо диаграммы статической остойчивости 1тах должно быть не менее 0.25 м для судов длиной L 80 м и 0.20 м для судов длиной L 105 м при угле крена 9 30 . 3. Предел положительной остойчивости (закат диаграммы) должен быть не менее 60 .
Анализ материалов по построенным морским пассажирским судам прибрежного плавания показывает [111] (рисунок 5.1), что диаграммы остойчивости многих из построенных ранее судов удовлетворяют требованиям Правил в отношении параметров диаграммы imaxiQmax приближаясь к минимальным требованиям.
Диаграммы плеч статической остойчивости катеров различных типов для случая загрузки полным количеством пассажиров, размещенных на палубе: 1 -т/х «Петр Лукомский»; 2 - сочинский катер МК-4 таранрогской постройки; 3 - сочинский катер МК-12 одесской постройки; 4 - катер МА для переправ Севастополя; 5 - катер типа «Алмаз»; 6 - катер типа «Аркадия»; 7 -«Радуга», I серия; 8 - «Радуга», II серия; 9 - «Александр Грин»
В последние годы стали активно строиться небольшие пассажирские и прогулочные суда для совершения туристических прогулок и экскурсий, отдыха и т. п. Они рассчитаны для относительно небольшого числа пассажиров, предоставления им высокой степени комфорта в помещениях, расположенных на палубе и в ярусах надстройки. Пребывание людей на судне длительное. Для таких судов будет характерной большая площадь парусности и может возникнуть ситуация, когда необходимые минимальные нормы остойчивости могут оказаться недостаточными для выполнения критериев остойчивости. Становится необходимым обеспечение проектируемому судну диаграммы остойчивости с более высокими значениями параметров, особенно 1тах. Поэтому представляется актуальным разработка методики более раннего прогнозирования параметров диаграммы остойчивости на этапе обоснования главных размерений корпуса, высоты надводного борта, архитектуры надстроек и элементов непроницаемых объемов.