Содержание к диссертации
Введение
Проблемы проектного обоснования скоростных судов 11
1.1. Особенности обоснования проектных характеристик скоростных судов 1 1
1.2. Состояние работ по скоростным судам. Доминирующая роль катамаранов . 17
1.3. Актуальные направления исследований по скоростным судам 25
1.4. Проблемы и проектные параметры, требующие исследования. Способы обоснования проектных характеристик. 33
2. Модель обоснования проектных характеристик скоростных катамаранов 3 8
2.1. Проектные особенности скоростных катамаранов 38
2.2. Система основных проектировочных уравнений и подмоделей 50
2.3. Обоснование и практическое совершенствование рациональных характеристик скоростных катамаранов 59
2.4. Сопоставление эффективности проектных вариантов скоростных судов 68
3. Гидродинамические аспекты проектного обоснования скоростных катамаранов 73
3.1. Гидродинамические позиции в модели проектного обоснования скоростных катамаранов. Расчёт располагаемых упоров и выбор рациональных режимов гребных винтов. Учёт доминирующего значения ходкости и мореходности в концептуальной модели скоростных судов 73
3.2. Обоснование области оптимальных значений главных размерений при проектировании скоростных судов . 84
3.2.а. Учёт особенностей обеспечения остойчивости глиссирующих катамаранов 89
3.2.Ь. Схема учёта перегрузок по ускорениям при
проектировании глиссирующих скоростных судов 90
4. Уточнение гидродинамических аспектов модели проектного анализа скоростных катамаранов 93
4.1. Исследование ходкости и мореходности глиссирующих катамаранов и судов на гидролыжах 93
4.2. Разработка форм корпуса с повышенными параметрами ходкости 102
4.3. Возможности улучшения мореходности быстроходных катамаранов с помощью успокоителей килевой качки 113
5. Комплексная методика проектного обоснования скоростных судов, сочетающих статическое и динамическое поддержание 122
5.1. Формирование методики на основе выполненных исследований 122
5.1.1.. Применение методики при обосновании пассажирских и пассажирско-автомобильных скоростных многокорпусных судов 135
5.2. Опыт проектирования, постройки и испытаний пассажирского катамарана типа «Сокол» 147
5.3. Возможности применения методики для скоростных судов другого назначения 151
Заключение 157
Литература
- Состояние работ по скоростным судам. Доминирующая роль катамаранов
- Обоснование и практическое совершенствование рациональных характеристик скоростных катамаранов
- Обоснование области оптимальных значений главных размерений при проектировании скоростных судов
- Разработка форм корпуса с повышенными параметрами ходкости
Введение к работе
Общая характеристика исследования
В1. Объект и цели исследования, научная новизна и практическая ценность V Объектом исследования является совокупность скоростных пассажирских и пассажирско-автомобильных паромов, взаимосвязь их общепроектных, эксплуатационно-экономических, гидродинамических, компоновочных, конструктивно-прочностных и технологических характеристик, методики их анализа и сопоставления. Целью исследования является разработка методики анализа и обоснования проектных характеристик скоростных пассажирских и пассажирско автомобильных катамаранов с акцентом на оптимизацию гидродинамических параметров и тех общепроектных характеристик, с которыми они наиболее тесно связаны. К важным задачам исследования относятся: обзорно-статистический г анализ проектных, построечных и методических работ по катамаранам, отбор рациональных целевых функций, выделение и ранжирование подсистем в проектной, построечной и эксплуатационной логико — математических моделях. В исследовании реализованы также способы и методы решения локальных проектных задач: построение теоретического чертежа, обоснование соотношений главных размерений и коэффициентов формы корпуса, решение архитектурно — компоновочных задач.
Основными новыми научными результатами диссертационного исследования являются: . формулирование методики, обеспечивающей для катамаранов нахождение с гармоничного сочетания общепроектных, гидродинамических и конструктивных решений при условии достижения наибольшей экономичности в процессе эксплуатации; обоснование выгодных параметров других типов судов, сочетающих статическое и динамическое поддержание;
обоснование рационального типа, проектирование, постройка пассажирского катамарана для конкретных линий Черноморского и Балтийского бассейнов; проектирование высокоскоростного катамарана с продольными и поперечными реданами, построенного в качестве лч буксировщика экспериментальных моделей; разработка опорных вариантов для формирования сетки типоразмеров паромов - катамаранов;
формулирование способа комплексного обоснования рациональной длины катамаранов, получение данных о взаимовлиянии корпусов многокорпусных судов в переходном режиме и при глиссировании и формулирование 5 рекомендаций для выбора горизонтального клиренса для переходного и . глиссирующего режимов;
обеспечение рациональной компоновки пассажирских помещений на основе учёта требований комфортабельности, соответствующих конкретным уровням мореходности; применение модульного подхода при создании пассажирских салонов с возможностью модификаций и с обеспечением вибро-и звукоизоляции;
создание на основе экспериментального поиска, отработки рациональной формы обводов и соотношений размерений катамаранов комплекта теоретических чертежей, обеспечивающих благоприятную ходкость и достижение высокой скорости при минимально возможных в конкретном -Я скоростном диапазоне энергетических затратах;
V обеспечение выбора рациональных проектных характеристик пропульсивного комплекса катамаранов с гребными винтами путём использованием оригинального метода расчёта располагаемых упоров для уточнённого определения достижимой скорости на ранних стадиях проектного обоснования;
формулирование для проектируемых катамаранов условий снижения инерционных нагрузок и линейных ускорений за счёт выбора параметров обводов и стабилизирующих устройств.
Практическая значимость диссертационного исследования состоит в проектном обеспечении постройки на основе разработанных методик реальных судов-катамаранов, в создании ряда перспективных проектных предложений, а также в применении полученных методов и способов в практике работы конструкторских организаций.
На основе методов, разработанных в диссертационном исследовании, спроектированы и построены морской скоростной пассажирский катамаран и катамаран — буксировщик.
В2. Обоснование актуальности
Среди скоростных пассажирских и пассажирско-автомобильных паромов почти половину составляют катамараны. Реально это означает около тысячи судов, эксплуатируемых, главным образом, на линиях Европы, Юго-Восточной Азии и Австралии. С учётом внутренних линий катамараны используются и российскими судовладельцами, некоторый опыт применения катамаранов имеется на Черном море. По своему научно - инженерному потенциалу Россия могла бы занять и более значительное место в проектировании, постройке и экспорте скоростных пассажирских катамаранов. Интенсивное практическое развитие этой группы судов недостаточно подкреплено теоретическими обоснованиями проектных характеристик, хотя специалисты-кораблестроители Санкт-Петербурга и Нижнего Новгорода в прошлые годы успешно вели как исследования, так и практические разработки в этой области. Зарубежных проектно-исследовательских работ и публикаций немного, преобладают конкретные полурекламные описания новых проектов. Как можно судить по этим описаниям, выбор габаритных характеристик катамаранов часто подчиняется задачам компоновки, что может приводить к неоптимальным показателям ходкости и качки. Особенно важным вопросом является обоснование рациональной длины, которая наиболее сильно влияет на самые важные показатели качеств и эффективность катамаранов. Во многих случаях в проектах катамаранов слишком развиваются боковые поверхности, что вполне коррелируется с благоприятной остойчивостью катамаранов, но может вызвать трудности с управляемостью. Дискуссионным является вопрос о рациональном типе движителя, поскольку в характерном для катамаранов диапазоне скоростей конкурентоспособны обычные, суперкавитирующие и частично .- погруженные гребные винты, а также водомёты. Требует оптимизации вопрос о выборе режима движения и, соответственно, о рациональном сочетании статических и динамических подъёмных сил, то есть либо о сохранении стабильного переходного режима, либо о применении глиссирования. По упомянутым вопросам некоторый практический опыт накоплен фирмами v Австралии, Японии, Южной Кореи, России, Норвегии, Германии, Италии, США, Англии. Сопоставление практических решений и расчётных методик специалистов перечисленных стран имеет важное методологическое значение. Таким образом, разработка методики проектирования катамаранов в качестве характерных представителей судов, сочетающих статические и динамические силы поддержания, является весьма актуальной.
; ВЗ.Публикации, апробация, внедрение По теме диссертационнного исследования имеется 28 публикаций в журналах Судостроение и Морской Вестник, в Трудах Ленинградского и Николаевского кораблестроительных институтов, в Трудах Ленинградского f института водного транспорта, а также в сборниках докладов Международных о конференций по морским интеллектуальным технологиям «Моринтех» и в сборниках НТО им. акад. А.Н. Крылова, а также имеется 20 патентов на изобретения.
По основным разделам диссертационного исследования делались доклады І» на научно-технических конференциях Санкт-Петербургского государственного морского технического университета и Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций в период с 1979 по 2003 годы, а также на международных конференциях по морским интеллектуальным технологиям 1997, 1999 и 2001 годов, на научно - технических семинарах и в НТО кораблестроителей им. акад А.Н, Крылова. Проектные предложения по разработанному на основе методики типоразмерному ряду скоростных многокорпусных судов были представлены на международных научно- технических выставках и семинарах в Санкт — Петербурге, Лондоне, Брюсселе, \ Гамбурге, Осло, Пирее (Греция), Котке (Финляндия), Лиме (Перу) с 1993 по 1999 годы.
На основе методов, разработанных в диссертационном исследовании, спроектированы и построены морской скоростной пассажирский катамаран типа «Сокол» для линий Туапсинского порта на Черном море, в настоящее _5 время переведенный для работы на линии Котка (Финляндия) — Выборг і Санкт-Петербург, катамаран — буксировщик для Нижегородского филиала ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. Подготовлен также ряд перспективных проектных предложений. Разработанные методики использованы в практике работы Нижегородского филиала ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, Средне -Невского завода, Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций и Санкт-Петербургского государственного морского технического университета.
В4. Общая постановка задачи диссертационного исследования Диссертационное исследование направлено на разработку методики [7 анализа и обоснования проектных характеристик скоростных пассажирских и Q пассажирско-автомобилъных катамаранов с акцентом на оптимизацию гидродинамических параметров и наиболее тесно связанных с ними общепроектных характеристик.
Результаты разработки и практического внедрения методики анализа и обоснования проектных характеристик скоростных катамаранов смогут принести большую практическую пользу при разработке проектной документации в конструкторских бюро. Для обоснования методики выполнены проектные и экспериментальные исследования, позволяющие сформулировать принципы проектного анализа на начальных этапах создания пассажирских и пассажирско-автомобильных катамаранов, а также методы детальной разработки формы обводов, параметров теоретического чертежа, характеристик компоновки, ходкости, энергетики, остойчивости, качки, экономичности и других характеристик, обосновываемых на практических этапах создания «» проектной документации.
Непосредственная постановка задачи диссертационного исследования Ч заключается в том, чтобы на основе сложившихся в теории проектирования судов оптимизационных подходов (с учётом принципов доминантности) разработать конкретную методику обоснования проектных характеристик ы скоростных пассажирских катамаранов. Апробация методики проводилась параллельно с её разработкой в ходе выполнения проектных и построечных работ для конкретных заказчиков. В математическом плане в диссертационном исследовании дана общая формулировка оптимизационной задачи в рамках математического программирования и совокупность проектировочных формул и логико-математических процедур, позволяющих наполнить с оптимизационную задачу практическим содержанием.
Математическая постановка отдельных блоков оптимизации дается в соответствующих разделах.
В диссертационном исследовании показаны наиболее важные направления оптимизационного проектирования пассажирских и пассажирско автомобильных катамаранов и близких к ним других типов скоростных судов.
V Наиболее важными новыми результатами, полученными соискателем, являются следующие:
формулирование методики, обеспечивающей для катамаранов гармоничное сочетание общепроектных, гидродинамических и конструктивных решений при выполнении требований экономичной эксплуатации;
обоснование выгодных параметров других судов, сочетающих статическое и динамическое поддержание, - мореходных глиссеров и судов на гидролыжах;
обоснование рационального типа пассажирского катамарана для конкретных линий Черноморско-Азовского и Балтийского бассейнов;
формирование сетки типоразмеров скоростных пассажирских и пассажирско-автомобильных паромов - катамаранов;
проектирование катамарана с продольными и поперечными реданами, построенного в качестве буксировщика экспериментальных моделей;
создание на основе экспериментального поиска и отработки рациональной формы обводов и соотношений размерении катамаранов сетки их теоретических чертежей СК-1 СК 11, обеспечивающих благоприятную ходкость и достюкение высокой скорости при минимально возможных в конкретном скоростном диапазоне энергетических затратах;
формулирование метода анализа взаимовлияния корпусов многокорпусных судов, в том числе при глиссировании, и способа определения оптимального горизонтального клиренса;
обеспечение компоновочной рациональности пассажирских помещений на основе учёта реальных требований, соответствующих конкретным уровням мореходности;
применение модульного подхода при создании пассажирских салонов с возможностью модификаций и с обеспечением вибро- и звукоизоляции;
Разработка расчётной программы для определения на ранних стадиях проектирования катамаранов с гребными винтами располагаемых упоров винтов и их основных параметров в целях обеспечения режимов их бескавитационной работы до скоростей 35 - 37 узлов и выбора проектных характеристик пропульсивного комплекса, а также рациональных значений передаточного отношения редукторов;
формулирование для проектируемых катамаранов условий снижения инерционных нагрузок и линейных ускорений за счёт выбора параметров обводов и стабилизирующих устройств.
Состояние работ по скоростным судам. Доминирующая роль катамаранов
Рассмотренные положения справедливы для всех скоростных судов, однако, их конкретизацию целесообразно показать на наиболее . распространённых типах скоростных пассажирско-автомобильных паромов. По данным ежегодника "Строители скоростных паромов" из 17 наиболее известных в мире фирм по скоростным паромам только две не строят катамараны. Из других типов скоростных паромов однокорпусные суда строятся на четырёх, волнопронзающие катамараны — на трёх и на двух верфях г дополнительно строятся суда на подводных крыльях и суда с малой площадью ватерлинии. Конечно, такая картина не является полной, но она достаточно красноречиво выявляет катамараны в качестве доминирующего типа для рассматриваемой области морской техники [152].
Число стран, имеющих большие флоты морских скоростных судов, растёт. Если взять только те страны, в которых скоростной флот составляет 4% или более от мирового, то таких стран 8. В 1990 году они располагались в 4 следующей последовательности: Италия и Гонконг (по 16%), Япония (10%),
Норвегия, Греция, Австралия, Англия, США. В1997 году картина изменилась несущественно (но абсолютная доля ведущих стран уменьшилась из-за общего роста скоростного флота в полтора раза): Гонконг (14%), Италия (12%), Япония ) (П%), Греция, Норвегия, США, Южная Корея, Англия. Только Южная Корея, л бывшая в1990-м году на 9 - м месте (с долей 3%), повысила свою долю до 4% и вытеснила на 9-е место Австралию, уменьшившую свою долю с 4% до 3%.
Из упомянутых девяти стран большинство сами активно строят скоростные суда (кроме Гонконга и Греции). По строительству скоростных судов в 1990 - 1997 годах ведущие страны (с долей не менее 4%) также образуют «восьмёрку» и располагаются следующим образом: Австралия (31%), Норвегия (17%), Сингапур (13%), Япония, Италия, Англия, США, Россия. Появление в «Золотом списке» Сингапура является, отчасти, результатом его выгодного географического положения и ориентации на пополнение больших скоростных флотов Малайзии, Филиппин и Индонезии.
В общей структуре скоростных флотов преобладают пассажирские и пассажирско-автомобильные паромы. При этом за последнее десятилетие прошлого века средняя пассажировместимость возросла (со 180 до 270 мест) в связи с интенсивным ростом общего пассажиропотока (в два с половиной раза). В региональных перевозках скоростной флот успешно конкурирует с авиацией.
В то же время, на трансокеанских линиях авиация победила флот, вынужденный работать только в области круизов и стремящийся не к скорости, а к комфорту.
По компоновочному типу в скоростном флоте преобладают катамараны: і 32% численности в 1990 году и 48% численности в 1997 году; так как общая численность скоростных судов сама возросла в полтора раза, то численность катамаранов удвоилась.
Некоторые наиболее примечательные (в том числе в архитектурном отношении) схемы архитектурных компоновок построенных современных скоростных судов показаны на рис. 1.2.2-1.2.8. Видно, что в области оригинальных скоростных судов тон задают фирмы Италии, Японии и Норвегии. Россия продолжает оставаться лидером в области применения судов на подводных крыльях и скеговых судов на воздушной подушке (с учётом многочисленных судов этих типов, использующихся на внутренних водных путях), а также в решении вопросов гидродинамической оптимизации Я скоростных судов.
Однако, сейчас в России практический объём проектных и исследовательских работ по скоростным судам является небольшим, а строительство носит эпизодический характер. Перелом ситуации вполне возможен, если главные усилия направить на катамараны (включая варианты с аэростатической разгрузкой, родственные скеговым СВІТ). В этом убеждает опыт Австралии, где 80% общего объёма постройки скоростных судов ориентировано на экспорт [95]. Э.А. Паравяном показано, что современные финансово - экономические возможности России и Австралии во многом схожи. В то же время. Российский научно -- технический потенциал по скоростным судам существенно вхаше, чем Австралийский. При тхт российским специалистам необходимо повысить уровень маркетинговых исследований по скоростным судам и улучшить схемы финансирования, проектирования, постройки и эксплуатации скоростных судов, Должны быть продолжены" работы но нормативам ддя безопасной эксплуатации скоростных су до», исследования но применению иктерценторов и воздушных каверн [149].
Однокорпусные мореходные полу глиссирующие суда сохраняют достаточно хорошие позиция. Однокорнуедшкн применяются не только как моторные яхты и; мальве экскурсионные суда, .но также и в качестве патрульных катсроа Катшараны на воздушной подушке имеют ограниченное распространение, проектов больше, чем действующих объектов.
Обоснование и практическое совершенствование рациональных характеристик скоростных катамаранов
Качество проектных решений при создании скоростных пассажирских судов в значительной степени определяется объективностью сопоставления раз " рабатываемых вариантов. Однако получение достоверных результатов проект ного исследования затрудняется как обстоятельствами, характерными для процесса проектирования, так и особенностями скоростных судов. Применяемые же при проектировании скоростных пассажирских судов технические показатели (энерговооружённость, пропульсивное и гидродинамическое качества, абсо 1 лютные значения массы корпуса, груза, пассажировместимости) приемлемы 4 только в узкой области варьирования для отыскания локальных оптимумов.
С другой стороны, рассматриваемые суда как объект проектирования характеризуются большим разнообразием конструктивных типов, компоновочных схем, способов обеспечения мореходности и т.п. Таким образом, возникает г необходимость выбора таких показателей эффективности, которые при доста точной простоте и приемлемой точности соответствовали бы главному (эконо-мическому) критерию. Поставленная задача может быть решена путём выявления функциональных связей между технико-эксплуатационными характеристиками судна и его экономическими показателями. Данный подход был реализован автором совместно с И.С. Голубом. Рассмотрим показатель удельных сово-купных ("приведённых" по старой методике) затрат: J Z =Z/P, (2.4.1) где Z - удельн совокупи, затраты по сопоставляемым вариантам; Р - годо вой объём работы судна. т Рассмотрим составляющие приведённых затрат для скоростных судов: Z = С + Ен К = Ен (Кк + Ку) + Са.к + Ср.к + Ср.у + Сек + Сс.у + Ст + Сн, (2.4.2) где С - текущие затраты; К - капитальные вложения; Ен - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений, который в настоящих ус 69 ловиях является величиной, обратной расчётному сроку окупаемости; Кк — стоимость корпуса судна; Ку — стоимость ЭУ; Са.к — амортизационные отчисления по корпусу; Са.у - амортизационные отчисления по ЭУ; Ср.к — расходы на текущий ремонт корпуса; Ср.у - расходы на текущий ремонт ЭУ; Сек - рас ходы на снабжение по судну; Сс.у - расходы на снабжение по ЭУ; Ст — расходы на топливо и масло; Сэ — расходы на содержание экипажа; Сн — навигационные расходы. В формулу входят три группы расходов по судну. 1). Расходы, определяемые факторами, зависящими от водоизмещения і стоимость материалов, корпусных работ, ремонта и снабжения по корпусу — 4 Z(D): Ен Кк + Са.к + Ср.к + Сек = Z(D). (2.4.3) 2). Расходы, определяемые мощностью энергетической установки — стоимость ЭУ, расходы на топливо, ремонт и обслуживание ЭУ - Z(N): г Ен Ку + Са.у + Ср.у + Сс.у + Ст = Z(N). (2.4.4) «, 3). Расходы, не зависящие от основных проектных характеристик — на со держание экипажа и навигационное обслуживание - AZ: Сн + Сэ = AZ. (2.4.5)
Анализ эксплуатации отечественных скоростных пассажирских судов по ті казывает, что доля последней составляющей в приведённых затратах сравни тельно мала. Её относительная величина уменьшается по мере роста цен на то пливо и усложнения оборудования. Расчёт для конкретной паромной линии в ценах 2002 года даёт значение в 18,7%. Расчёт относительной величины навигационных затрат и затрат па содержание экипажа судна в общей сумме годовых расходов Расчёт относительной величины расходов, не связанных с массой корпуса судна и мощностью его энергетической установки произведён на примере про екта пассажирского судна - парома пр. №33115 «Надежда» Выбираем пассажирскую линию Санкт-Петербург — Хельсинки. Навигационный период позволяет одному судну совершить 150 круговых рейсов в год. Навигационные расходы составят: Портовые(дисбургсменские) сборы в СПб — 700 долл. за заход.
Портовые(дисбургсменские) сборы в Хельсинки — 1 300 долл. за заход. Всего за круговой рейс — 2 000 доля. Всего за навигацию — 2 000 х 150 = 300 000 долл. Статьи расходов Зависимые от D uN Независимые от D uN % Навигационные расходы 300 000 18,7 Зарплата экипажа в навигационный период 31000 Зарплата экипажа в межнавигационный период 20 000 Амортизационные отчисления (25%) 1150 000 Ремонт, отстой, докование 128 000 Топливо 252 000 Всего годовых расходов, связанных с судном 1 881 000 100 Годовой объём работы пассажирского судна Р можно представить как некоторую функцию от произведения скорости судна V на пассажировместимость Пр9 т.е.Р (Пр, у): Р = п Пр Кт (2.4.6) Где: п = Tp/(cijt а.2 г/у) - число рейсов за год; Кц — коэффициент загрузки судна; - протяженность линии; — эксплуатационный период; Г &Ъ &2 надбавки к ходовому времени на операции в порту. Тогда Р = Пр v Kn Tr/ah a2 г = А Пр v, (2.4.7) Где: А=КП Тг/аь a2 r. Поскольку для конкретных линий все составные части величины А постоянны, при сопоставлении судов с близкими значениями пассажировместимости и мореходности можно принимать значения коэффициента А постоянными для всех рассматриваемых вариантов. Для судов, значительно отличающихся характеристиками мореходности, скоростью и пассажировместимостью, необхо 71 димо учесть эту разницу изменением коэффициентов в выражении объёма работы судна.
Обоснование области оптимальных значений главных размерений при проектировании скоростных судов
Разнообразие архитектурно-конструктивных и гидродинамических компоновок глиссеров приводит к необходимости значительного расширения объема варьирования. Это заставляет искать аналитические и эмпирические зависимости, которые позволили бы локализовать варьируемые параметры вблизи ожидаемых оптимальных значений или сразу отыскать наиболее выгодные соотношения.
Рассмотрим три возможных типа выделения области поиска, которые характеризуются: 1 тип - наличием ограничения области с одной или с двух сторон; 2 тип - отсутствием границ варьируемого параметра в области рациональных значений и наличием четко оптимального значения параметра по частному критерию эффективности; 3 тип - наличием одной или двух границ области возможных значений искомого параметра и выраженным возрастанием частного критерия к одной границе.
Опыт показывает, что при рациональной компоновке судна его оптимальные размерения ненамного отличаются от гидродинамически выгодных. Это, позволяет для сужения области поиска использовать уравнения гидродинамических характеристик глиссера, определяющие диапазоны устойчивости движения и наивысших значений гидродинамического качества.
В связи с доминированием гидродинамических факторов именно они формируют оптимальную область проектных характеристик, а общепроектные условия вносят в общую картину лишь конкретные количественные дополнения. Таким образом, необходимо анализировать в качестве первоочередных вопросов возможность достижения наилучшего гидродинамического качества и устойчивости движения (в тех случаях, когда рассматривается применение глиссирующих обводов).
Для мореходных глиссирующих катеров можно рекомендовать следующее уравнение, разработанное автором на основе экспериментальных данных Клемента. Оно определяет относительное положение центра тяжести глиссирующего судна, обеспечивающего наиболее выгодные углы атаки несущей поверхности и называется уравнением оптимальных центровок: xg/ L = 0,5 - (28,6 Св - 0,57)/(L/B) (З.2.1) где обозначено: xg- отстояние центра тяжести от миделя. где Св = 2 5 ( Т/В )/ FrL ; здесь обозначено: 8 - коэффициент общей полноты; Т - осадка; FrL- число Фруда по длине. Для определения удлинения корпуса в диапазоне обеспеченной устойчивости продольного движения на основе экспериментальных данных Б.А. Царева можно рекомендовать формулу: L/V!1/3 = 5,21/FrL2/3 (3.2.2) где vi — объёмное водоизмещение одного корпуса Конкретными параметрами при детализации вопроса являются характеристики центровки, угла атаки, углы килеватости. Уравнение гидродинамического качества К получено автором на основе вычислений сопротивления плоскокилеватых глиссирующих пластин в оптимальных режимах по методике Клемента [177] с последующей аппроксимацией в функции коэффициента динамической нагрузки С Х оК = Q.36 63 для угла килеватости р = 0 2 gV _ _ _ ; (3.2.3) v2 B2 К = +4,65 для (3= 5 + 10 2gV + о 03 ; 3-2-4- v2,B2 Соответствующие наивыгоднейшим режимам движения центровки и углы атаки описываются уравнениями: 2fV . - 0,02 = 0,035 Cm .opt ; v В2 (3.2.5.) 0,735 a opt = 1,1 — ЦУ_ (3.2.6.) v2B2 Анализ этого выражения показывает, что гидродинамическое качество несущей поверхности тем выше, чем меньше величина коэффициента нагрузки С& Уравнение устойчивости может быть представлено в следующем виде: 1,8 Cm СЪ Fry 5 (з-2-7-) Требования получения наивысшего гидродинамического качества заставляют стремиться к минимизации С/,. Отсюда следует, что граница устойчивости соответствует наивыгоднейшим режимам. Считая для каждого значения коэффициента динамической нагрузки рациональными только гидродинамически оптимальные центровки, совместным решением (3.2.5.) и (3.2.7.) получаем однозначно предельное значение Сь в функции числа Фруда:
Разработка форм корпуса с повышенными параметрами ходкости
Для детального изучения процесса качки и степени влияния на процесс параметров движения и характеристик судна СВ. Сутуло была разработана физически адекватная математическая модель нестабилизированного и стабилизированного судна. Результаты расчётов на ЭВМ по разработанной математической модели были сопоставлены с результатами обработки экспериментального исследования и показали высокую степень её адекватности. Выполненные далее массированные расчёты качки объекта при вариации параметров движения позволили проследить все связи характеристик судна и параметров его движения для выбранных спектров волнения и скоростей движения.
Результаты расчётов и экспериментов приведены на рисунках: 4.3.3, 4.3.4. (относительные амплитуды продольной качки), 4.3.5., 4.3.6. (вертикальные ускорения) 4.3.7, 4.3.8. (относительные амплитуды вертикальной качки), и 4.3.9, 4.3.10., (относительные амплитуды относительных перемещений).
Аргументом служит частота возмущающей силы, возникающей на волнении. Из графиков видно, что в исследованном диапазоне характеристик наиболее эффективным углом установки стабилизирующих крыльев является угол -10 градусов. Снижение амплитуды килевой качки составляет не менее 30% при числе Фруда 0,55 и не менее 40% при числе Фруда 0,75. Таким образом, с ростом скорости эффективность крыльев возрастает (Рис. 4,3.3., 4.3.4.). При резонансной частоте снижение амплитуды составляет соответственно 65% и 70%.
На рисунках видно также, что пик относительных амплитуд при применении крыльевых стабилизаторов смещается в область меньших частот (частота уменьшается в полтора раза). Следовательно, катамаран со стабилизаторами ведёт себя на волнении как более крупное по водоизмещению судно. По вертикальным ускорениям (Рис. 4.3.5., 4.3.6.) снижение их величины составляет 45% и 55%.
Известно, что ранее применявшиеся крыльевые успокоители не получили широкого распространения, а на большинстве испытанных судов были демонтированы, так как приводили к сильной вибрации и поломкам в носовой оконечности.
Кроме того, наличие развитых выступающих частей существенно повышает сопротивление движению судна на тихой воде.
Однако применённые в данной разработке новые принципиальные решения позволили устранить негативные качества устройства, а исследование показало, что применение крыльевых стабилизаторов рационально. Более того, дальнейшее развитие идеи стабилизаторов с отрицательным углом атаки позволило найти более мореходные формы обводов носовой части корпуса скоростных судов.
Развитие успехов, достигнутых на крыльевых успокоителях продольной качки, привело автора к применению нового вида носовой оконечности - с конструктивным образованием, названным «бивнем». Близкие по очертаниям конструкции зарубежных скоростных судов получили наименование "Z - bow". Однако пока в зарубежной научно-технической литературе конкретных данных по исследованию эффективности подобных конструкций не опубликовано- Результаты использования указанных носовых образований аналогичны получаемым на крыльевых успокоителях. Однако по сравнению с последними корпусные успокоители обладают более высокой конструкционной надёжностью, а также дополнительно способствуют снижению возмущающих сил на встречном волнении за счёт уменьшенных объёмов надводной части корпуса судна в районе носового заострения. Кормовые корпусные пассивные успокоители призваны, в первую очередь, улучшить поведение корабля на обгоняющей попутной волне, уменьшить рыскание, а также в качестве демпфирующих элементов уменьшить и амплитуды качки.
Дальнейшее развитие идей, заложенных в принцип пассивного крыльевого успокоителя качки и разработка различных вариантов компоновки устройства и его конструктивного исполнения, привели к совершенствованию обводов судна в целом. Технические решения, способствующие существенному снижению сопротивления движению судна за счёт использования эффекта «вихре-волнового взаимодействия», оказались не противоречащими техническим решениям, позволяющим реализовать пассивные успокоители корпусного типа, интегрированные с корпусными конструкциями- Это стимулировало поиск и разработку новых вариантов силуэта скоростных судов и даже привело к изменению представлений автора об облике перспективных скоростных судов.
Похожие диссертации на Разработка методики проектирования скоростных многокорпусных судов, сочетающих статическое и динамическое поддержание
