Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Проектные и конструктивные особенности скоростных катамаранов с подводными крыльями 14
1.1. Классификация скоростных катамаранов и методология сравнительного проектного анализа 14
1.2. Аналитический обзор работ по скоростным катамаранам с подводными крыльями 19
1.3. Общий анализ проектных и конструктивных особенностей катамарановс подводными крыльями 30
ГЛАВА 2. Сравнительный анализ проектных характеристик скоростных катамаранов без подводных крыльев и с крыльями 57
2.1. Систематизация проектных характеристик отечественных скоростных катамаранов 57
2.2. Статистический анализ проектных характеристик зарубежных скоростных катамаранов 59
2.3. Нагрузка масс и центровка скоростных катамаранов и метод их оценки 71
2.4. Анализ влияния характеристик крыльевого устройства на внешние силы, определяющие прочностные параметры скоростного катамарана 79
2.5. Сравнительный анализ гидродинамических характеристик скоростных катамаранов различных типов 87
ГЛАВА 3. Экспериментально-теоретическое иссследование характеристик ходкости скоростных катамара нов и разработка методики её прогнозирования при проектировании 104
3.1. Постановка задачи, программа модельных испытаний и принципы обработки результатов 104
3.2. Экспериментальное исследование влияния соотношений главных размерений корпуса и подводных крыльев на буксировочное сопротивление скоростных катамаранов на тихой воде и волнении 108
3.3. Алгоритм расчета ходкости при проектировании скоростных катамара
нов без подводных крыльев и с крыльями 120
ГЛАВА 4. Методика проектного обоснования скоростных катамаранов с подводными крыльями 132
4.1. Формулировка задачи и алгоритм реализации математической модели оптимизации основных элементов скоростного катамарана с подводными крыльями 132
4.2. Оптимизация основных элементов и степени гидродинамической разгрузки корпуса скоростных катамаранов с подводными крыльями 165
4.3. Исследование влияния основных характеристик судна и условий эксплуатации на проектные и экономические показатели СКПК 175
4.4. Результаты оптимизации основных элементов и характеристик скоростных катамаранов с подводными крыльями 181
4.5. Пример оптимизации параметров крыльевого устройства при дооборудовании скоростного катамарана 185
Заключение 190
Литература
- Аналитический обзор работ по скоростным катамаранам с подводными крыльями
- Статистический анализ проектных характеристик зарубежных скоростных катамаранов
- Экспериментальное исследование влияния соотношений главных размерений корпуса и подводных крыльев на буксировочное сопротивление скоростных катамаранов на тихой воде и волнении
- Оптимизация основных элементов и степени гидродинамической разгрузки корпуса скоростных катамаранов с подводными крыльями
Введение к работе
В последние годы во всем мире расширяется применение многокорпусных судов. Среди них наибольшее распространение получили скоростные катамараны (СК). В различных странах мира ведутся исследовательские работы, проектирование, строительство и эксплуатация СК, в том числе с использованием средств динамической разгрузки.
В СССР первый пассажирский СК был построен более 60 лет тому назад. В настоящее время, несмотря на экономические трудности, в России продолжается проектирование и строительство СК [1,48,49,68].
Работы по созданию СК, в том числе со стабилизирующими крыльевыми устройствами (КУ) и с динамической разгрузкой воздухом, ведутся в Австралии, Норвегии, Японии, Великобритании, США, России и других [68].Многочисленные публикации по СК в печати, как правило, содержат весьма ограниченную проектную информацию и носят в основном рекламный характер. Известные проблемы при проектировании СК возникают при повышении скоростей хода: конкуренция СК с другими видами транспорта [14,31,69,78].
Можно предположить, что в XXI веке скоростные многокорпусные суда пройдут путь своих однокорпусных предшественников [68]. На СК будут использовать различные схемы динамической разгрузки. При этом полезно применение и дальнейшее развитие накопленного ранее отечественного опыта [13,22,50,66]. В ближайшем десятилетии будет существовать обширный мировой рынок СК, для участия в котором, придется преодолевать жесткую конкуренцию. Наиболее перспективный путь - использование оптимальных технических решений, как результата использования наукоемких технологий [52].
Все это делает актуальными обобщение опыта проектирования и оценку достигнутого уровня проектирования СК, которые используются, в основном, в качестве пассажирских и автомобильно-пассажирских паромов [28,46]. Особую актуальность приобретают вопросы проектирования новых типов СК, в частности с гидродинамической разгрузкой корпуса, которые, по имеющемуся опыту проектиро вания строительства и эксплуатации, имеют более высокие пропульсивные и мореходные качества, чем традиционные катамараны. Немногочисленные исследования показывают, что СК с подводными крыльями (СКПК) генерируют отходящие волновые системы меньшей высоты и энергии, чем традиционные СК.
Такие СК имеют, как правило, водоизмещение от 20 до 500 т, длину - от 12 до 50 м, скорость хода - до 55 узлов.
Предметом диссертационного исследования являются скоростные катамараны водоизмещением до 500 т с подводными крыльями, обеспечивающими стабилизацию судна на волнении в пассивном (стационарные подводные крылья), либо активном (автоматически регулируемые подводные крылья) режиме. Целью исследования является создание инженерной методики оптимизации основных элементов (главных размерений и основных зарактеристик) катамаранов, оборудованных подводными крыльями, с улучшенными пропульсивными и мореходными качествами, а также параметрами спутного волнового следа, по сравнению с традиционными скоростными катамаранами. Такая методика позволяет также обосновать целесообразность применения подводных крыльев на СК.
Поставленная задача решается с использованием методов общепроектного анализа, математической статистики, теоретических и экспериментальных исследований, а также современных методов оптимизации основных элементов скоростных судов.
Теоретической базой исследования являются труды отечественных и зарубежных ученых в области проектирования и оптимизации скоростных судов, ходкости и мореходности скоростных катамаранов. По общей теории проектирования и оптимизации важны работы В.В. Ашика, А.В. Бронникова, В.М. Пашина, Ю.И. Нечаева. В области проектирования скоростных судов необходимо отметить большой вклад А.И. Гайковича, Ю.Н. Горбачева, Г.Ф. Демешко, СИ. Логачева, В.И. Любимова, В.Н. Разуваева, Е.П. Роннова, Б.А. Царева. В области ходкости и мореходности скоростных катамаранов - В.Н. Аносова, М.А Басина, В.А. Дубровского, Н.В.Корнева, А.Г. Ляховицкого, K.G.Hoppe, G.Migeotte и др.
Диссертационная работа посвящена решению «внутренней» задачи проектирования судов, а именно оптимизации основных элементов скоростных катамаранов с подводными крыльями. Особое внимание уделяется оптимизации гидродинамического комплекса судов подобной конструкции в процессе проектирования.
Основные задачи и этапы исследования:
• Разработка классификации СК и методологии сравнительного проектного анализа.
• Анализ публикаций по проектированию СКПК.
• Анализ особенностей конструкции СК с гидродинамической разгрузкой.
• Систематизация и статистический анализ проектных характеристик СК различных типов.
• Анализ нагрузки масс СК и разработка метода ее учета при проектировании.
• Исследование влияния основных проектных факторов на эффективность СК с гидродинамической разгрузкой корпуса.
• Экспериментальное исследование ходкости скоростных катамаранов и разработка методики ее прогнозирования при проектировании.
• Разработка алгоритма определения основных, элементов СКПК и анализ результатов оптимизации.
Методы исследования:
Решение рассмотренных в диссертации задач осуществлялось с использованием:
• методов оптимизации проектных характеристик судов;
• методов статистического анализа;
• математического моделирования движения СК, оборудованного подводными крыльями;
• физического моделирования буксировочного сопротивления традиционных СК и СКПК путем проведения в опытовом бассейне модельных испытаний.
• материалов натурных испытаний по ходовым характеристикам СК;
Научная новизна:
В диссертации разработан проектный подход к созданию нового типа скоростного судна - скоростного катамарана на подводных крыльях. Новые результаты, полученные в диссертации, включают:
• Статистико-вариационный метод выбора главных размерений СК, в том числе - с гидродинамической разгрузкой подводными крыльями.
• Методику оценки массы судна при оптимизации главных размерений СК.
• Теоретические зависимости, позволяющие оценить влияние проектных факторов на эффективность СКПК.
• Методику расчета сопротивления и мощности главных двигателей традиционного СК и СКПК.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в разработке и практическом применении:
• методики выбора главных размерений, нагрузки масс и пропульсивных характеристик СК, в т.ч. - с гидродинамической разгрузкой корпуса подводными крыльями;
• методики определения сопротивления и мощности двигателей СК и СКПК;
Реализация результатов работы:
Результаты, полученные в диссертационной работе, использованы:
• при обосновании проектных характеристик перспективных СК и СКПК в ОАО «Инженерный Центр Судостроения»;
• при разработке конструкции крыльевого устройства для морского СК экологического мониторинга окружающей среды «Россия» пр. 23107Э.1;
• при разработке программного обеспечения тренажера маневренных качеств СК «EQUATOR TRIANGLE» в СПГУВК;
• в учебном процессе в СПбГМТУ при выполнении курсовых работ и дипломных проектов по скоростным катамаранам.
Достоверность научных результатов определяется:
• использованием современных методов оптимизации проектных характеристик скоростных судов;
• корректным использованием методов статистического анализа;
• проведением экспериментальных исследований моделей СК, в т.ч. с различной степенью гидродинамической разгрузки подводными крыльями, в опы-товом бассейне СПбГМТУ и обобщением результатов модельных и натурных испытаний, выполненных различными проектными и судостроительными организациями;
• совпадением параметров скоростных катамаранов, рассчитанных с использованием предлагаемых методик, с параметрами построенных судов.
На защиту выносятся:
• Результаты определения главных размерений и нагрузки масс СК статистическими методами.
• Методика проектного обоснования основных элементов и характеристик СКПК с использованием экономических критериев.
• Методы прогнозирования сопротивления и мощности двигателей СК, в том числе - с подводными крыльями.
Апробация работы:
Основные результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку:
• на Третьей Международной конференции по судостроению (Third International shipbuilding conference), ISC 2002, ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, Санкт-Петербург, 8-10 октября 2002 г.;
• на межвузовской научной конференции "Основные направления эксплуатации корабельной техники и тенденции совершенствования инженерного образования", Военно-Морской инженерный институт, Санкт-Петербург, 23-26 апреля 2002 г.;
• на Всероссийской научно-технической конференции "Современные технологии в кораблестроительном образовании, науке и производстве, посвященной
памяти профессора В.М.Керичева, Нижегородский Государственный техни ческий университет, Нижний Новгород, 24-26 сентября 2002 г.;
• на 4 и 5 Международных конференциях по морским интеллектуальным технологиям (МОРИНТЕХ - 2001, - 2003), Санкт-Петербург, сентябрь 2001 г. и октябрь 2003 г.
• на юбилейной конференции профессорско-преподавательского состава, посвященной 300-летию СПб, СПбГМТУ, Санкт-Петербург, 2003 г.
• на Международной научно-практической конференции, посвященной 300- летию СПб "Безопасность водного транспорта", СГТГУВК, Санкт-Петербург, 2003 г.
Публикации:
Основное содержание диссертации отражено в 11 публикациях.
Структура и объем работы:
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений.
Аналитический обзор работ по скоростным катамаранам с подводными крыльями
В работах по теории проектирования судов катамараны, как правило, рассматриваются в качестве дополнительного варианта обычных судов. В учебнике В.В. Ашика в специальный подраздел выделен вопрос об остойчивости катамаранов, однако особенности их интерференционного сопротивления не рассмотрены [5]. В учебнике A.M. Ваганова рассмотрен глиссирующий катамаран в качестве удачного примера благоприятной компоновки [10]. В монографии А.И. Мартынова катама-ранным компоновкам глиссеров уделено большое внимание по разделу прочности [43].
Основные публикации по конструкции и особенностям проектирования СК в период до 1990 г. относятся, в основном, к традиционным катамаранам. Среди них можно отметить монографии Алферьева М.Я. и Мадорского Г.С. [3], Басина A.M., Веледницкого И.О., Ляховицкого А.Г. [6] и сборник работ под редакцией Дубровского В.А. [44].
В этих работах даны рекомендации по проектированию морских и речных катамаранов, рассмотрены особенности их эксплуатации на волнении и мелководье. Обобщение отечественного и зарубежного опыта создания и эксплуатации различных типов катамаранов выполнено Дубровским В А. и Ляховицким А.Г. в монографии [68], изданной в США в 2001 г.
Первые публикации по экспериментальному исследованию гидродинамики катамаранов с подводными крыльями появились в середине 80-х годов [19], [20]. В 1991 г. были опубликованы первые результаты исследований и натурных испытаний скоростных катамаранов с запатентованной проф. Хоппе конструкцией катамарана с подводными крыльями типа "Hysucat" [71,72]. В период с 1991 г. по настоящее время количество информации по катамаранам с подводными крыльями резко увеличилось и ее условно можно подразделить на следующие три вида: - описание отдельных типов судов и особенностей их конструкции; - описание методов проектирования СК, оборудованных крыльевой системой (СКПК); - описание результатов исследований по гидродинамике СК.
Необходимо отметить, что публикуемая информация, ввиду ее новизны, недостаточной проработанности, возможной закрытости отдельных элементов, не всегда дает полную и объективную картину по конструкции отдельных судов и результатам их эксплуатации. Это обстоятельство приводит, в ряде случаев, к сомнению в достоверности данных по проектным характеристикам и гидродинамическому качеству СК с подводными крыльями. Несмотря на это, анализ существующей информации полезен, с точки зрения отслеживания основных тенденций развития судов этого типа, и их места в мировом скоростном флоте.
Необходимо отметить, что информация по описанию конструктивных особенностей скоростных катамаранов с подводными крыльями использована нами в п. 1.4. В настоящем параграфе более подробно описаны опубликованные результаты по гидродинамике СКПК и особенностям их проектирования.
Так как методы общего проектирования (выбор главных размерений, компоновки, пропульсивной системы) СКПК зачастую основываются на методах проектирования традиционных СК, в ряде случаев рассмотрена и новая информация по особенностям проектирования и гидродинамики традиционных СКАвтору не известны публикации, в которых были бы отражены особенности общего проектирования СКПК, в то же время особенности проектирования традиционных СК разработаны достаточно полно. Эти особенности были обобщены в монографиях [3,44,68]. Современные тенденции в проектировании традиционных СК изложены в работах [4,28,46,47,64,65,76,]. В работе [65] рассмотрена общая последовательность проектирования СК и применяемые проектные уравнения. Работа [65] является развитием работы [64], где даны также блок-схемы по такой разновидности СК, как суда с аутрингерами.
В работе [76] авторами предложен алгоритм определения размерений, нагрузки масс и строительной стоимости скоростных однокорпусных судов и традиционных СК на стадии эскизного проекта. Алгоритм основан на данных статистической обработки построенных и спроектированных судов. Отмечается, что полученные статистические зависимости могут использоваться при параметрическом анализе характеристик вновь проектируемых судов, однако следует соблюдать осторожность при использовании данных и уравнений и применять их в пределах диапазона статистических данных. Проверка алгоритма, предложенного в работе [76] для расчета нагрузки масс СК, выполнена нами в п. 2.3. Особый интерес, по нашему мнению, представляет информация по определению строительной стоимости проектируемых скоростных судов, которая может быть использована при оптимизации основных элементов СКПК.
В монографии [4] основное внимание уделено анализу рынка скоростных судов различных типов, включая СК. В ней обобщены характеристики по 62 современным быстроходным паромам (одно - и двухкорпусным) и построены статистические зависимости, связывающие главные размерения с водоизмещением судов, а также пропульсивные качества с относительной скоростью хода (числом Фруда). Катамаранам с гидродинамической разгрузкой корпуса, уделяется незначительное внимание. Частично этот пробел компенсирован при рассмотрении мореходных качеств быстроходных судов и систем стабилизации их движения на волнении.
В работах [46,47] выполнен анализ основных характеристик (пасажировмести-мости, скорости хода, особенностей компоновки и пропульсивных качеств, стоимостных показателей и т.д.) и разработана двухэтапная методика оптимизационного проектирования традиционных СК. Отдельные элементы методики, как показывает ее анализ, могут быть использованы при создании аналогичной методики по СКПК, с учетом особенностей судов этого типа. При проектировании судов с гидродинамической разгрузкой корпуса наиболее важным вопросом является создание эффективного гидродинамического комплекса, обеспечивающего судну более высокие ходовые и мореходные качества, чем у традиционных скоростных судов. Естественно, что наибольшее число современных публикаций посвящено этому вопросу. Необходимо отметить, что знание основных тенденций в развитии гидродинамики традиционных СК, позволит более качественно решать проблему проектирования гидродинамического комплекса СК с крыльевым устройством.
Статистический анализ проектных характеристик зарубежных скоростных катамаранов
Статистический анализ проектных характеристик зарубежных СК выполнен с использованием методологических рекомендаций раздела. 1.1. и стандартной формы, разработанной для этой цели (см. Приложение 1). Выполненный статистический анализ включает построенные и спроектированные скоростные пассажирские и автомобильно-пассажирские паромы, водоизмещением от 20 до 500 т, длиной от 12 до 55 м и скоростью хода - от 20 до 55 узлов. При разработке статистических зависимостей использованы данные по зарубежным катамаранам различных типов, дополненные статистикой по российским катамаранам, рассмотренным в п.2.1. Общее число объектов - около 100 [81]. Для некоторых объектов, при наличии неполной информации, осуществлено ее восстановление методами реконструктивного проектирования. Результаты анализа систематизированных данных по проектным характеристикам СК, в дальнейшем, использовались для разработки алгоритма определения проектных характеристик СК и СКПК на начальных стадиях проектирования.
Проанализированная информация охватывает катамараны, построенные в Австралии, Норвегии, Японии, США, Китае, России и др. Рассмотрены глиссирующие СК с традиционными обводами корпуса, волнопронзающие катамараны (wave-piercing catamarans), а также СК, оборудованные подводными крыльями, интерцеп-торами или регулируемыми транцевыми плитами.
Данные статистической обработки информации по зарубежным и российским СК показали, что TDW И Г)П у этих судов изменяются в достаточно широком диапазоне: TJDW = 0.18...0.30 и Г)п = 0.15...0.25 [10, 22]. Однако, как показал предварительно выполненный анализ, традиционный путь определения полного водоизмещения судна через коэффициенты утилизации водоизмещения судна по дедвейту TIDW или полезной нагрузке гп, используемый при проектировании водоизмещаю-щих судов, как и указанно А.В. Бронниковым [9], не позволил получить пригодную для практического применения статистическую зависимость этих параметров от DW и Рпол , соответственно.
Для определения проектных характеристик СК и СКПК на начальных стадиях проектирования может быть использован иной принцип построения алгоритма определения основных проектных характеристик. Могут использоваться две схемы, отличающиеся только на первом шаге в зависимости от того, какая из величин (дедвейт или масса полезной нагрузки) задана в перечне исходных данных. Структура алгоритма определения главных размерений и проектных характеристик катамарана в зависимости от заданных в качестве исходных данных дедвейта (DW) или массы полезной нагрузки (Рпол) и эксплуатационной скорости хода v представлена выражением (2.1): [DW (Рпол), v]-» Ьнб - Внб - Sn - L - В, -VT - D- V,- 5 Ns. (2.1.) Здесь LH6, Внб, - соответственно наибольшая длина и ширина СК; Sn — площадь главной плубы; L, Вь Т, 5 - соответственно длина, ширина, осадка и коэффициент общей полноты одного корпуса СК по ватерлинию; V і-объемное водоизмещение одного корпуса; 14 - суммарная мощность энергетической установки катамарана.
Результаты статистической обработки информации представлены графически и в виде эмпирических формул. На рис. 2.1. и 2.2. показаны зависимости наибольшей длины L2 (м) соответственно от дедвейта DW (т) и массы полезной нагрузки Рпол (т). Статистические зависимости наибольшей длины СК от дедвейта и массы полезной нагрузки соответственно имеют следующий вид:
Анализ этих зависимостей показывает, что СК дедвейтом до 80 т и массой полезной нагрузки до 40 т имеют наибольшую длину до 50 м. Естественно, что наибольшая длина СК зависит и от удельной площади палуб, однако в нулевом приближении этот параметр может быть принят одинаковым для рассматриваемых судов.
Статистическая зависимость наибольшей ширины катамаранов В„б (м) от его наибольшей длины LHQ (М) представлена на рис. 2.3а. и аппроксимирована следующим образом: Виб = 0.3 Ьнб ± 2 м при Ьнб 50 м (2.4.)
Статистика показывает, что отношение Ьнб/ВНб для СК и СКПК в основном находится в пределах от 2,5 до 4. После определения Ьнб и В„б необходимо, с использованием нормативов или статистических данных по удельной площади, потребной для одного пассажира, оценить возможности размещения заданного количества пассажиров и автомобилей на главной палубе, либо необходимость проектирования СК с двух- или трехярусной надстройкой. При необходимости параметры LH6 и Внб могут быть откорректированы. Выполненный статистический анализ современных спроектированных и построенных СК и СКПК позволил разработать следующие рекомендации по выбору площади главной палубы скоростного катамарана.
Если площадь главной палубы (м ) соответствует диапазону Sn (1.80 - 1.45ХІ0"3 пп) пп (2.5) то в соответствии с результатами анализа данных по вместимости скоростных катамаранов ее достаточно для проектирования скоростного катамарана с одноярусным пассажирским салоном для заданного количества пассажиров пп и размещения на ней всех вспомогательных помещений. Если ограничение (2.5) не выполняется, то определяется число пассажиров n2mi", размещаемых на главной палубе для случая проектирования 2-х ярусного скоростного катамарана с минимальным количеством пассажиров, размещаемых в салонах 2-го яруса надстройки: 4mmin = 0.762 пп. (2.6) Если площадь главной палубы соответствует диапазону (1.60-1.45ХІ0"3 пп) пп Sn (1.80-1.45х10"3 пп) пп (2.7) то скоростной катамаран проектируется с 2-х ярусной надстройкой с минимальным количеством пассажиров, размещаемых в салонах 2-го яруса надстройки.
Экспериментальное исследование влияния соотношений главных размерений корпуса и подводных крыльев на буксировочное сопротивление скоростных катамаранов на тихой воде и волнении
Основные результаты буксировочных испытаний изолированных корпусов приведены на рис. 3.2 в виде зависимостей CR0 = f(Fn). Данные рис.3.2 свидетельствуют, что увеличение относительной длины изолированного корпуса СК с 1 =9.13 до 11.5, за счет введения цилиндрических вставок, приводит к снижению коэффициентов CR0 при Fn=const.
При Fn = 0.19; 0.25...0.26; 0.33 и 0.50 на кривых CRo = f(Fn) наблюдаются местные максимумы, а при Fn = 0.21; 0.28...0.29; 0.38...0.40 - местные минимумы. Подобный вид кривых связан с интерференцией систем носовых и кормовых волн, генерируемых изолированными корпусами. С уменьшением относительной длины изменяется соотношение между величинами коэффициентов CR0 при Fn = 0.33 и Fn = 0.50. Наблюдается замедление роста этих коэффициентов при Fn = 0.50 и уско 109 рение их роста при Fn = 0.33. Изолированный корпус модели СК пр. 23107Э.1 подтверждает эту тенденцию.
С увеличением относительной длины изолированных корпусов минимальные значения коэффициентов CR0 смещаются в зону более низких чисел Фруда. При 1 = 11.50 минимальные значения коэффициентов CRo наблюдаются при Fn = 0.80, при 1к = 10.28 - Fn =0.86 и при 1к = 9.13 - Fn =0.98. После этих значений относительной скорости движения начинается плавный рост коэффициентов CR0, что объясняется ростом брызговой составляющей сопротивления.
В районе Fn =0.17...0.24 модели серии 82060 имеют практически одинаковые значения коэффициентов остаточного сопротивления CR0, однако при Fn 0.12 значения CR0, при увеличении относительной длины, снижаются, что подтверждает известный факт о влиянии относительной длины корпуса на коэффициент сопротивления формы и вязкостную составляющую сопротивления [62].
Исследование влияния соотношения главных размерений и горизонтального клиренса на сопротивление скоростных катамаранов на тихой воде.
Основные результаты буксировочных испытаний моделей скоростных катамаранов приведены на рис. 3.3 в виде зависимостей CR = f(Fn). Данные рис.3.3 свидетельствуют, что рост относительной длины СК с / =7.25 до 9.13 (снижение относительной длины моделей СК, по сравнению с относительной длиной одиночных корпусов, связано с учетом обоих корпусов при подсчете водоизмещения моделей) за счет введения цилиндрических вставок, приводит к снижению коэффициентов CR при Fn= const: - в районе Fn 0.12 коэффициенты остаточного сопротивления CR (коэффициенты сопротивления формы Ск) снижаются с 1.1 10"3 до 0.8 1 О 3; в районе Fn = 0.50 - коэффициенты остаточного сопротивления CR снижаются с 4.5 10"3 ДО 1.7 10"3; в районе эксплуатационной скорости Fn = 0.90 коэффициенты остаточного сопротивления CR снижаются с 2,2 10"3 до 1.2 10"3. по Эти тенденции связаны с более сильным влиянием относительной длины на увеличение площади смоченной поверхности корпусов, чем на рост полного сопротивления.
При увеличении относительной длины изменяется соотношение между величинами коэффициентов CR при Fn = 0.33 и Fn = 0.50. Как и для одиночных корпусов, наблюдается замедление роста этих коэффициентов при Fn = 0.50 и ускорение их роста при Fn = 0.33. Как и на изолированных корпусах, при Fn = 0.19; 0.25...0.26; 0.33 и 0.50 на кривых CR = f(Fn) наблюдаются местные максимумы, а при Fn = 0.21; 0.28...0.29; 0.38...0.40 - местные минимумы. Увеличение горизонтального клиренса СК в диапазоне 0.13 b/L 0.21 оказывает различное влияние на изменение коэффициентов остаточного сопротивления CR: в диапазоне Fn 0.27...0.30 (меньшая относительная скорость соответствует относительной длины / =7.25), при Fn =0.45 (/ =7.25) и при 0.45 Fn 0.50 (/ 8.16) коэффициенты CR, при различных горизонтальных клиренсах совпадают; в диапазоне 0.28 Fn 0.45 и при Fn 0.50 для всех / у СК при увеличении горизонтального клиренса наблюдается снижение коэффициентов CR.
При относительной длине / =8.16 в диапазоне Fn 0.80 у СК наблюдается незначительное снижение коэффициентов CR С клиренсом b/L=0.13, по сравнению с b/L=0.17...0.21, что может быть объяснено благоприятным влиянием интерференции волновых систем корпусов с / =8.16.
Если ввести коэффициент влияния горизонтального клиренса в виде KCR=CR/CR0 то, сопоставление кривых остаточного сопротивления скоростных катамаранов и их изолированных корпусов показывает, что с увеличением 1к изолированных корпусов в диапазоне 9.13 4 11.5 коэффициенты влияния горизонтального клиренса KCR снижаются, что свидетельствует о положительном влиянии относительной длины корпусов СК. Для моделей с / 8,16, при всех испытанных значениях горизонтального клиренса, коэффициент KcR 1.0, что свидетельствует о неблагоприятном влиянии волновой системы катамаранов на сопротивление. При / 8,16 и b/L 0.21 при относительной скорости Fn=0.30...0.43 и Fn 0.57, а также при 0,13 Ill b/L 0,21 и Fn 0.77 наблюдается благоприятное влияние волновой системы корпусов катамарана, т.е. KCR 1.0.
Влияние изменения отношения ширины корпуса СК к осадке Bi/T показано на рис.З.Зг. Данные рис.З.З.г свидетельствуют, что увеличение отношения Bj/T приводит к снижению коэффициентов остаточного сопротивления CR . Изменение коэффициентов остаточного сопротивления от числа Фруда аналогично рассмотренным выше зависимостям.
Полученные экспериментальные материалы по влиянию удлинения, горизонтального клиренса и отношения ширины корпуса к осадке скоростных катамаранов послужили основой для разработки методики расчета сопротивления СК и СКПК.
Оптимизация основных элементов и степени гидродинамической разгрузки корпуса скоростных катамаранов с подводными крыльями
Определение основных элементов (главных размерений и основных характеристик) судна является определяющим вопросом внутренней задачи проектирования [5,9,11,23,51,56,64].
Можно указать достаточно большое число элементов судна, которые в той или иной мере влияют на его эффективность. К основным элементам чаще всего относят главные размерения судна, их соотношения и коэффициенты, характеризующие форму корпуса. Поэтому в задачах оптимизации элементов, как правило, они и принимаются за варьируемые параметры. Это в полной мере может быть отнесено и к скоростным пассажирским катамаранам[2,47], в том числе и с подводными крыльями (СКПК). Отличие гидродинамической схемы СКПК от скоростных катамаранов без крыльев (СК) может быть дополнительно учтено в задаче оптимизации введением в число варьируемых параметров какого-либо специфического параметра, оказывающего наиболее сильное (доминирующее) влияние на эффективность судна [18,65]. Анализ, выполненный в настоящей работе, показывает, что в качестве такого параметра можно принять коэффициент гидродинамической разгрузки катамарана Кразг. При этом условно можно принять для традиционного СК Кразг 0.1, который с достаточной степенью точности моделирует разгрузку корпусов традиционных катамаранов при отсутствии на них подводных крыльев (см. зависимость 3.24).
Наряду с определением элементов СКПК на начальных стадиях проектирования обосновываются принципиальные конструктивные решения, которые также могут оказать существенное влияние на будущую эффективность судна. Такими параметрами могут быть, например, тип подводных крыльев, тип движителя, двигателя, конструкция корпуса, количество пассажирских палуб и т.д.
Строго говоря, они также должны быть отнесены к числу варьируемых параметров в задаче оптимизации элементов судна. Однако полностью формализовать выбор конструктивных решений практически невозможно. Поэтому включать в число варьируемых параметров вышеуказанные детерминированные параметры не всегда целесообразно. Но в то же время постановка задачи и математическая модель СКПК должны позволять находить элементы судна при различных вариантах конструктивных решений.
Исходя из изложенного, задача сводится к определению вектора варьируемых параметров X (хь х2, х3,), (4.1) ГДЄ XI=LH6/BH6, X2=BI/T, Хз=Кразг, LH6, Внб - наибольшая длина и ширина катамарана, м; В і - ширина корпуса катамарана, м; Т- осадка катамарана, м; Kpa3r=Y/Dg - коэффициент гидродинамической разгрузки катамарана; Y- подъемная сила подводных крыльев, кН; D - массовое водоизмещение катамарана, т. Вектор варьируемых параметров и вектор заданных характеристик судна Z (zb Z2, zn) должны обеспечивать экстремум критерия оптимизации С(Х, Z)- min ( max) ( 4.2) и выполняются требования и ограничения, характеризующие качества судна как плавучего транспортного средства, а именно: - требование к площади палуб скоростного катамарана с учетом требований к комфорту Sn(X,Z)-Knnn 0 (4.3) Sn(X, Z) - суммарная площадь палуб СКПК; Kn=f(nn, пя) - норматив площади на 1 пассажира (с учетом площади на вспомогательные помещения); пп - число пассажиров, перевозимых на СКПК; пя - число пассажирских палуб СКПК, - уравнение масс 134 D(X, Z) - ІРІ(Х, Z) = Рпол, ( 4.4) РІ(Х, Z) - составляющие нагрузки масс СКПК, т; Рпол - полезная нагрузка, перевозимая СКПК, - уравнение плавучести D(X, Z) = 2p5LB,T (4.5) - уравнение ходкости N(X, Z) - R(X, Z) v(X, Z)/[TI(X, Z) Л J= 0 ( 4.6) Ni(X, Z) - суммарная мощность главных двигателей, кВт; R(X, Z) - полное сопротивление СКПК, кН; v(X, Z) - скорость хода судна, м/с; rj(X, Z) - пропульсивный коэффициент; rs — коэффициент, учитывающий потери на валопроводы, редуктора и т.д., - требование к минимальной высоте надводного борта H(X,Z)(X,Z) hM + tM (4.7) Н(Х, Z) - высота борта судна; hM - значение вертикального клиренса на миделе; tM -высота соединительного моста. Так как оптимизация размерении и характеристик СКПК предполагается в зоне, соответствующей статистике построенных и спроектированных катамаранов, то в методику проектного обоснования можно не включать ограничения по поперечной остойчивости и непотопляемости судов. - ограничения зоны поиска оптимума по варьируемым параметрам: (Ьнб/Внб)тіп ЬНб/В„б (Ь,1б/Внб)тах ( 4.8) (В,/Т)тіп В1/Тнб (В1/Т) max V -разг/тіп— -разг — V -разгутах - ограничения на диапазон возможных значений характеристик судна Zj, указы ваемых в задании на проектирование, например: (Pn)min Рп (Pn)max; (vs)min Vs (vs)max; Rmin R Rmax И Т.Д. ( 4.9) - ограничения на ТОЧНОСТЬ расчетных процедур ICDrDj.O/Di і Є! (4.10) l q-Nq.O/NijI (4.11) l(Cq-Cq+1)/Cq I є3 (4.12) 135 где Cq — оптимальное значение рассматриваемого критерия оптимальности; Cq+i -значение критерия оптимальности на последующем шаге поиска (улучшение критерия); Єї, Є2 Єз- заданные величины допустимого расхождения двух смежных расчетных величин. В качестве критерия оптимальности могут быть приняты следующие экономические показатели: - срок окупаемости капитальных вложений Ток =к „С /(Д-Р), год, (4.13) - величина прибыли от эксплуатации судна П = (Д-Р), млн. $, (4.14) - величина себестоимости перевозки Cn-PIQ, $/пасс милю (4.15) - величина удельных совокупных затрат 3„р =(Р + ЕС)IQ $/пасс милю, (4.16) где Д— доход судна за навигацию, млн. $; Р - полные расходы по судну за навигацию, млн. $; С - строительная стоимость судна, млн. $; Е =0.12- нормативный коэффициент эффективности капиталовложений; кн — коэффициент непроизводственных расходов на строительство судна; Q — провозная способность судна за навигацию, пасс миль.
Необходимо отметить, что в данном исследовании не рассматривается часто применяемая в других задачах «оптимизация» по техническим параметрам, которая, по нашему мнению, совершенно неприемлема, т.к. они очень часто противоречат друг другу. Например, при требуемой площади палуб, «оптимизация» веса приводит к длинам, которые очень далеки от нужных для приличной ходкости при водоизмещающем и переходном режимах плавания.
Анализ показывает, что при решении задачи оптимизации основных элементов СКПК может быть использовано сочетание различных методов: метода вариаций (обхода узлов пространственной сетки) при переборе вариантов сочетаний независимых переменных, метода последовательных приближений при расчете характеристик СКПК, удовлетворяющих назначенным ограничениям, при рассматриваемом варианте независимых переменных. При конкретизации параметров отдельных подсистем судна могут использоваться и другие методы оптимизации (градиентные, случайного поиска и другие).
