Содержание к диссертации
Введение
1. Основы методики проектного анализа скоростных судов
1.1.Обзор характеристик построенных скоростных судов 29
1.2. Структурная модель системы 45
1.3. Предварительная проработка проекта 54
2. Обоснование базовых характеристик и компоновки
2.1.Выбор главныхразмерений 66
2.2. Анализ вместимости 70
2.3. Определение площадей помещений... ...79
2.4. Предварительное разделение судна на отсеки 85
3. Анализ подсистемы «корпус»
3.1.Общие положения 92
3.2.Основные выводы из обзора литературы 94
3.3.Определение массы корпуса 100
3.4.Оценка влияния условий прочности 109
3.5. Выбор характеристик конструкций, использующих трехслойные полуфабрикаты 118
3.6.Определение строительной стоимости судна 132
4. Анализ подсистемы «гидродинамический комплекс»
4.1. Применение упрощенного теоретического чертежа 143
4.2.Оценка сопротивления движению судна 154
4.3.Проектная оценка условий мореходности судна 160
5. Алгоритм методики проектного анализа скоростного судна
5.1 .Состав алгоритма 175
5.2. Анализ результатов параметрических расчетов 186
Заключение 193
Литература 197
- Предварительная проработка проекта
- Предварительное разделение судна на отсеки
- Выбор характеристик конструкций, использующих трехслойные полуфабрикаты
- Применение упрощенного теоретического чертежа
Введение к работе
В1. Общая характеристика диссертационного исследования ВІ.І.Актуальность темы.
Скоростные суда имеют важное значение в системе транспортных и оборонных задач. Сложность проблем проектирования скоростных судов требует комплексного подхода и применения знаний из многих областей кораблестроения. По тем направлениям обоснования проектных характеристик скоростных судов - глиссеров, где имеются разработки других специалистов, работающих в ЦМКБ «Алмаз», в ЦКБ «Редан», в ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, в Нижегородском ЦКБ по СПК и в других организациях, необходимо объединить их в целостную методику.
По ряду направлений разработок мало или они устарели, поэтому необходимо проанализировать возможность создания комплексной оптимизационной методики.
Резкое повышение волнового сопротивления, так называемый "волновой барьер", создает ограничения для повышения скорости морских водоизмещающих судов. Дальнейшее увеличение скорости судна приводит к нерационально высокому приросту необходимой мощности механизмов. Одним из путей повышения ходовых качеств судов, проектируемых на высокоскоростные режимы, может быть применение динамических принципов поддержания. Класс скоростных судов в настоящее время является одним из наиболее развивающихся. В качестве скоростных пассажирских паромов, наряду с катамаранами, используются однокорпусные глиссеры и полуглиссеры. Глиссирующие суда имеют несколько пониженные мореходные качества по сравнению, например с судами на подводных крыльях, (у них меньше скорости, больше перегрузки при движении), но зато они проще в изготовлении и эксплуатации. На основании обработки статистики за последние годы видно, что глиссирующие суда и суда с переходным режимом движения имеют довольно значительную долю на рынке скоростных судов.
Экономическая эффективность скоростного судна во многом зависит от таких базовых характеристик как главные размерения, тип энергетической установки, материал корпуса, и.т.п. Вопрос обоснования выбора основных характеристик судна является наиболее важным при проектном анализе. Выбор этих характеристик, в основном, производится на стадии проектного сопоставления различных вариантов.
Для скоростных судов, обладающих высокой энерговооруженностью, оптимизация элементов весовой нагрузки весьма важна. Одними из наиболее значимых элементов нагрузки являются корпус и энергетика.
В настоящее время существуют различные методики определения характеристик глиссирующих судов (см. обзор литературы п.В.З.), но они, как правило, охватывают либо стадию предварительной оценки проектных параметров судна, либо детализацию конкретных качеств судна. Методики второго типа можно использовать только при наличии полной информации о судне, а методики первого типа в основном основаны на использовании приближенных зависимостей и данных прототипов.
Поэтом)^ актуальным является создание комплексной модели, позволяющей производить расчет характеристик проектируемого судна, состоящей из подмоделей предварительной оценки проекта и детализации наиболее важных проектных характеристик. Первая подмодель проектного анализа позволяет осуществлять выбор основных характеристик проектируемого судна путем решения уравнений теории проектирования судов. Большое внимание в такой модели уделено разработке базовых проектных характеристик, схем оценки веса корпуса и строительной стоимости судна. Во второй подмодели применяются расчетные методики, позволяющие более точно производить расчеты характеристик пщродинамического комплекса. Особенностью модели является модульный принцип ее построения. При этом отдельно взятые модули могут применяться, после некоторой доработки, дополнения, адаптации, при рассмотрении других типов скоростных судов.
Предложенная в работе сквозная оптимизационная алгоритмическая модель приобретает дополнительную ценность в качестве базы для внедрения CALS-технологий в область создания и эксплуатации скоростных судов и катеров. Имеется ввиду компьютерное сопровождение во всем жизненном цикле скоростного судна (катера), включая оптимизацию задания, проектирование, постройку, эксплуатацию, ремонты и утилизацию. Именно по этому большое внимание обращено на детализацию вопросов технологичности и трудоемкости, что позволяет конкретно решать часть вопросов, актуальных для CALS-технологий. В1.2.Цель и содержание работы
Целью данной работы является создание методики проектного анализа на основе математической модели проектирования глиссирующего судна (для начальной стадии разработки проекта). Результатами, получаемыми при применении модели, являются характеристики судна (главные размерения и т.д.), которые соответствуют требованиям
Заказчика и при этом удовлетворяют выбранному критерию. Глубина проработки соответствует этапу проектного анализа. Данная стадия является одной из самых важных, так как именно на ней производится выбор основных характеристик судна, влияющих на его эффективность.
В модели скоростное судно рассматривается как совокупность взаимодействующих подсистем. Каждая из подсистем представлена отдельным модулем, который может анализироваться (оптимизироваться) автономно. Расчеты построены на использовании статистических зависимостей и уравнений теории проектирования судов. Расчеты по гидродинамике производятся с использованием серийных теоретических чертежей и результатов испытаний. Расчеты поверхностей, вместимости, расчеты по теории корабля производятся с использованием теоретического чертежа, представленного в аналитическом виде. Расчеты по прочности производятся на основе представления судна в виде стержневой модели и использования методов строительной механики по расчетам стержней и стержневых систем. Определение геометрических характеристик набора корпуса (из расчета прочности) позволяет определить массу металлического корпуса и трудоемкость постройки судна. Расчеты по технологии основаны на определении трудоемкости изготовления судна с учетом предварительной сборки и затрат на оснастку. Расчет экономики позволяет определить затраты на постройку судна и срок окупаемости. Произведен анализ мореходных качеств судна. Доработка модулей позволит использовать данную модель для проектирования других типов судов, причем для рассмотрения таких типов судов как судна на подводных крыльях, катамараны модель может быть использована с минимальными доработками
81.3. Объект исследования
Объектом исследования являются скоростные однокорпусные суда движущиеся в переходном режиме или в режиме глиссігрования с числом Фруда более 2,5 и водоизмещением от 50 до 600 т.
Отмеченная совокупность судов исключает из исследования моторные лодки и катера, а также крупные автомобильно-пассажирские паромы. В работе имеется ряд положений, создающих возможность анализа судов движущихся в режиме с числом Фруда менее 2,5 и автомобильно-пассажирских паромов с водоизмещением от 600 до 2000т. Однако эта часть работы требует дальнейших уточнений.
81.4. Предмет защиты
Предметом защиты являются:
Создание методики проектного анализа скоростных судов. Результаты анализа взаимосвязи противоречивых требований мореходных качеств к судну при создании общего алгоритма. Использование расчетного метода, основанного на поэтапном вовлечении уравнений теории проектирования судов, причем на каждом этапе уравнения применяются в разной степени детализации, в зависимости от наличия информации по суда)-.
Адаптация существующих методик для использования в рамках данной модели для стадии исследовательского проектирования
Создание методики архитектурно-компоновочного проектирования судна
Рекомендации по повышению весового совершенства корпуса в части применения трехслойных гофровых панелей в судокорпусных конструкциях и алгоритмы их расчетов и оптимизации.
Создание методики оценки массы корпуса для стадии проектного анализа
Создание методики оценки трудоемкости изготовления корпуса для стадии проектного анализа.
В1.5. Научная новизна
Наиболее важным новым результатом является методика проектного огпимизационного анализа, позволяющая обосновывать главные характеристикіі судна (катера). Разработана новая алгоритмическая модель, наиболее полно охватывающая основные уравнения теории проектирования скоростных судов, необходимые на стадии оптимизации. Новые результаты, полученные в диссертации, включают в себя также способы и методики:
Оценки массы корпуса, позволяющей проводить оптимизацию конструктивных параметров;
Проектной оценки трудоемкости изготовления отдельных конструкций и строительной стоимости скоростного судна (катера) в целом;
Определения основных размерений судна или катера, основанный на учете гидродинамических требований и на анализе уравнения компоновки -вместимости;
Приближенной оценки вертикальных перегрузок при движении судна на волнении, развивающей Регистровскую методику для судов с динамическим поддержанием применительно к начальным этапам проектирования скоростных катеров и судов. Ш.б.Практическая значимость
Практическая значимость диссертационного исследования обеспечена прикладной направленностью и созданием конкретных программных продуктов, приспособленных к применению в практике работы проектных организаций и снабженных примерами численных расчетов.
ВІЛ.Внедрение
Разработки по трехслойным полуфабрикатам и корпусным конструкциям с их применением внедрены в ЦНИИ им. академика. А.Н. Крылова. Разработки по определению трудоемкости изготовления на ранних стадиях проектирования применены на ГУЛ "Адмиралтейские верфи". Основные положения разработанной методики используются в учебном процессе СП6ТМТУ.
В1.8. Апробация
Работа докладывалась на научных семинарах и конференциях СПбГМТУ и университета г. Росток (Германия), а также:
На международной конференции ISO-98, проходившей в ЦНИИ им.акад А.Н. Крылова
На научно-технических конференциях Моринтех-1999 ,Моринтех-2001 и Моринтех-Юниор -2002.
На научно-технической конференции по строительной механике корабля, посвященной памяти П.Ф. Папковича 2001 года.
В1.9.Публикации
Основные части работы опубликованы в двенадцати публикациях
В2.Постановка оптимизационной задачи
Под исследуемым объектом подразумевается скоростное судно, которое на расчетном режиме движется за счет динамических сил поддержания, образованию которых способствует форма днища. Как объект проектирования глиссирующее судно представляет собой сложную техническую систему с развитой иерархической структурой.
Проектирование является сложным итерационным процессом последовательного приближения к характеристикам технического задания. Каждый этап проектирования, начиная с разработки задания, завершается выбором концепции, которую следует рассматривать как возможный вариант, подлежащий затем анализу на соответствие заданным ограничениям.
Если при первоначальном проектировании скоростных судов используются только самые простые зависимости, то оказывается недостаточно, чтобы отразить сложность реального объекта скоростного судна. В то же время детальные катеростроительные методики, разрабатываемые специалистами, не подходят для задачи концептуального проектирования ввиду большой трудоемкости. Однако ориентация на проектирование с помощью ЭВМ позволяет разработать методику достаточно подробную, и в тоже время приспособленную к задачам исследовательского проектирования. Именно это и является целью разрабатываемого исследования.
Задачу проектного анализа характеристик судна разделим на две задачи - задачу исследования характеристик судна, задачу оптиштзации характеристик.
Для исследования характеристик проектируемого глиссирующего судна необходимо:
Разработать задание на проектирование судна исходя из особенностей внешней задачи. Этот вопрос в диссертационном исследовании не рассматривался. Характеристики технического задания являются исходными данными для решения внутренней задачи проектирования судна. Основными характеристиками технического задания являются: скорость судна, количество пассажиров, дальность плавания, уровень мореходности (высота волны h3%), прибыльность, окупаемость. Дополнительно могут быть заданы и другие характеристики.
Проанализировать предварительное техническое задание с позиций обоснования принципа поддержания, типа энергетической установки и передачи и ряда других характеристик. В случае отсутствия каких-либо основных характеристик (в техническом задании) производится их выбор на основании имеющейся статистической информации или опыта проектирования.
Разработать первоначальный проект на основе имеющегося технического задания и применения упрощенных зависимостей. Более точный аналитический подход применения к решению системы основных уравнений теории проектирования судов: нагрузки, ходкости, экономичности(рис 2).
Разработка технического задания.
Основные характеристики:&.п,К,ЬЗ%.срок окупаемости
Анализ технического задания
Отсутствует какая-либо основная характеристика
Получение недостающих данных на основании обработки статистических данных
Предварительный анализ ТЗ. Обоснование и выбор характеристик: тип ЭУ, принцип поддержания, тип движителя, тип передачи.
Рис.1. Разработка и анализ технического задания
Первоначальная разработка проекта
Рис.2. Первоначальная разработка проекта
В ходе совместного решения уравнений нагрузки и ходкости определяются такие характеристики как Ы(мошность ГЭУ) и Б(водоизмещение судна).
В ходе решения уравнения экономичности определяется построечная цена судна и наиболее важный параметр - Щприведенные затраты).
На этой стадии можно определить основные размерения при помощи приближенных зависимостей, основанных на обработке статистики.
3. На основе полученных данных при разработке первоначального проекта определяются основные размерения судна(рис. 3), при этом:
Ширина судна (В) находится из решения уравнения ходкости, в котором положение центра массы по длине(Х/Ь) берется с учетом предполагаемой компоновки
Длина судна (L) и положение платформы определяются по условиям компоновки из уравнения вместимости по площадям (ее высота от основной плоскости). Перед составлением уравнения вместимости перечень основных помещений уточняется по типовому эскизу пргшципиальной компоновки(раздел 2.2.).
Рис.3.Определение основных размерений судна (обозначения в тексте)
Высота борта (Н) - из условия вместимости, непотопляемости и прочности; версия уравнения непотопляемости исходит из типичного для данной длины L и компоновки числа переборок. Версия уравнения прочности исходит из размеров набора и толщин, характерных для данной L при типичных конструктивных схемах.
Осадка (Т) - из решения уравнения плавучести на основе уравнения нагрузки(позиция
Размеры надстройки (1,Ь,пя - длина, ширина, число ярусов) определяются из решения уравнения вместимости с согласованием этих размеров с размерами корпуса судна.
Также уточняется вспомогательные характеристики:
Конкретное положение центра тяжести по длине судна (Xg) из условия ходкости.
Угол килеватости носовой части судна ((3) - путем решения уравнения мореходности
Расчет проектных ограничений, включающий в себя расчет остойчивости, устойчивости движения, мореходности по перегрузкам на волнении, качки (раздел 4.).
После проверки ограничений и уточнения основных характеристик первый этап расчетов выполнен. Следующий этап заключается в более детальной разработке приоритетных подсистем. Такими подсистемами на рассматриваемом являются -гидродинамический комплекс, корпус, энергетическая установка. Искомыми величинами являются мощность (N), вес корпуса (Рк), построечная стоимость судна (Ц). Такая величина, как масса энергетической установки является функциональной зависимостью от мощности. Эта функциональная зависимость достаточно стабильна для конкретного типа энергетической установки скоростного судна. Следовательно можно ограничиться рассмотрением двух подсистем, а для определения массы энергетической установки пользоваться зависимостями на уровне блок- схемы 5.
После уточнения характеристик подсистем ходкости и массы корпуса необходимо произвести более уточненную проверку таких ограничений как непотопляемость и остойчивость при движении на расчетной скорости. При уточненной проверке непотопляемости разрабатывается схема расстановки переборок. В результате основные размерения судна фиксируются для разработки графической части проекта. _тхг!
Расчет проектных ограничений
Расчет первоначальной остойчивости
Соответствует ли Q.3 полученное значение нормам
Расчет мореходности в части перегрузок
Соответствует ли полученное значение нормам
Расчет мореходности в части устойчивости движения уґ Соответствует ли\ <П7 полученное значение \-N. нормам У
Расчет качки
I
Соответству* полученное значение \-нормам / ует ли \
Рис.4. Расчет ограничений
Рис.5. Уточненный анализ подсистем
Выше было описано решение задачи проектного анализа первоначального (базового) варианта скоростного судна. Для возможности более полного исследования оптимальности характеристик судна необходимо сформулировать оптимюационную задачу.
Важнейшими оптимизируемыми характеристиками скоростных судов обычного типа являются главные размерения, так как они в значительной мере предопределяют свойства корпуса, который является основной подсистемой, определяющей все свойства судна (формирующая оболочка и несущая структура, вместилище для оборудования и грузов). У скоростных глиссирующих судов необходимо исследовать оптимальность характеристик других подсистем, которые играют домишгоующую роль совместно с корпусом (реданы, энергетика). Поэтому для скоростного судна оптимизащюнная задача может быть записана в виде экстремума критерия оптимизации и ряда проектных ограничений, учитывающих роль доминирующих подсистем. На основе [79] конкретный вид оптимизационной задачи будет следующий. — _L__ -
Более детальный расчет проектных ограничений
Расчет непотопляемости
Соответствует ли полученное значение нормам H,ha
Расчет остойчивости при движении
Соответствует ли полученное значение нормам
Результатьі:Ь,В,і\НДЬ,Пя, форма корпуса, материал, тип ЭУ, тип движителя
Рис. 6. Уточненный расчет проектных ограничений
Для стадии проектного анализа оптимизационная постановка выглядит след>тощим образом: Задач)' оптимизации разделим на два уровня:
Задача верхнего уровня - оптимизация элементов судна
11 \А , Л а, А 0 j —> ПШ1 (приведенные затраты) (1) jr = (l,7\ff,AIB,/,Mj| (2) x. = \?,xjl) оптимизируемые характеристики в задаче верхнего )фовня. ограничения: a/g(L/B,09D,$Uq2 1 у v ' \ " ограничения для доминирующей подсистемы (3) hl\LtBJ,P9Xg9D9Sj^q3 (условие устойчивости движения, мореходность по перегрузкам, остойчивости при движении) \h0{B,T,H,Ze,Zc)>qA z(D,B,h0)>qs H>q6г\ st от ' ограничения для судна в целом (qi..q9 нормы) (4) q8 < Хс < q9 (начальная остойчивость, период качки, непотопляемость, вместимость, плавучесть, центровка)
Л- о — характеристики масс, объемов и стоимостей остальных подсистем (судовые устройства, электрооборудование и др.); Ха — характеристики доминирующей подсистемы; X — основные характеристики судна (главные размерения, коэффициенты и др.); L, Т, В,
Н, Ііпл, 1н, Ьн, п, Xg / L - оптимизируемые характеристики судна в задаче верхнего уровня (длина судна, осадка, ширина судна, высота борта, положение платформы, длина надстройки, ширина надстройки, число ярусов, относительное положение центра тяжести); D — водоизмещение судна; р - угол килеватости по 3-му теоретическому шпангоуту; О - скорость судна; a/g - гидродинамические ускорения; ho, hi - начальная метацентрическая высота в статическом положении и при движении на расчетном режиме; Zg, Zc - аппликаты центра тяжести и центра величины; 6 - коэффициент общей полноты; Хс - абсцисса центра величины: х - период качки.
Анализ производится в несколько этапов с последовательным вовлечением дополнительных уравнений теории проектирования судов.
Оптимизация подсистем судна.
На основе понятия о координирующих параметрах, введенных В.М.Паншным, при установлении локальных критериев основным регулятором является совокупность затрат. Форма локальных критериев берегся по-разному.
На стадии проектного анализа оптимизации подлежат такие приоритетные подсистемы как "корпус" и "энергетическая установка", (в качестве наиболее значимой части, зависящей от гидродинамического комплекса).
Для подсистемы "совокупность помещений для пассажиров, экипажа и оборудование этих помещений"
При выборе основных размерений локальным критерием является минимум неиспользованных площадей.
К = WK + Уц + WH -» mill (критерий); (5) WK — объем корпуса между платформами; *ц ~~ объемы нижних пространств; ** Н ~ объемы надстройки; (подробнее о расчете критерия см. п.2.4.)
Для подсистемы корпус
С(Хк) = Мк хц + ЦР -» min (6) где Мк - масса корпуса ц - цена материала Цр - стоимость работ по корпусу мк <мКо учитывает необходимость соблюдения лимитов на массу М^о (из условия не превышения предельного процента от водоизмещения) Xk = (материал, a q,^) аоДі - шпация набора
Для подсистемы энергетическая установка
С(ХЭУ)=Мэух ц + Zfy-»min (7)
Мэу - масса энергетической установки
Ц - стоимость
Цу - эксплуатационные расходы тип ЭУ
Необходимо отметить, что для целевых функций (критериев), связанных с энергетическими установками, вопрос усложняется альтернативой импортных поставок. Считается, что импортные двигатели более надежны, поэтому в формулу (7) можно ввести корректирующий множитель Дшп ' ^имп ==*Со/*СИ (7а) где t(jQ — безремонтный срок службы отечественных двигателей, t „ „ — то же для импортных двигателей.
В настоящее время можно принимать \ип = 0,6 - 0,8 ; однако этот вопрос требует дальнейшего изучения. Таким образом:
Фэу L = Аипх с(Хэу ) "> min (76)
Для подсистемы гидродинамический комплекс НХгдк) -> min ^ гдк тип теоретич. чертежа
Таким образом, в данной постановке задача оптимизации характеристик скоростного судна представляется в виде многоступенчатой системы.
ВЗ. Обзор разработок в области создания методик проектирования глиссирующих судов В3.1. Обзор литературы, посвященной рассмотрению вопросов методики оптимизационного проектирования скоростных судов.
Систематическое изложение вопросов оптимизации скоростных судов и их проектного анализа в современной методической литературе отсутствует. Однако имеется ряд публикаций, в которых разработаны отдельные стороны этой проблемы. В книге Юхнина Е.И. "Проектирование катеров" рассмотрен процесс проектирования скоростных кораблей. Изложенные методики направлены на создание проекта на начальной стадии выбора основных характеристик. С точки зрения проектного анализа изложенные вопросы обоснования выбора начальных параметров (соотношения главных размерений, коэффициентов полноты, центровки, и.т.д.) очень ценны, так как являются обобщением опыта проектирования. Большое внимание уделено вместимости, вьщаны рекомендации по выбору удельных показателей площадей помещений, судовых запасов. Также рассмотрены вопросы выбора энергетической установки, характеристик рулевого и движительного комплексов. Благодаря наличию статистической информации можно уточнить укрупненные измерители весовых статей водоизмещения для данного типа судов. Так как направленность работы -скоростные корабли, подробно изложены вопросы размещения и номенклатура помещений и компоновочные характеристики вооружения с приведением практических данных.
В монографии Юхнина Е.И. "Боевые катера" описана история создания боевых катеров различных типов. Особую ценность имеет выявление тенденщш изменения проектных характеристик в зависимости от изменения состава оборудования, принципа поддержания, временных промежутков.
Изложенные аспекты проектного анализа скоростных судов учтены при создании алгоритмической модели обоснования характеристик скоростных судов.
Среди специалистов - внесших большой вклад в разработку теории и практики проектирования быстроходных судов необходимо отметить главных конструкторов П.Г. Гойнкиса и Л. Л. Ермаша, по проектам которых построено значительное количество катеров. П.Г. Гойнкнис известен как один из последователей И.Г. Бубнова и А.И. Балкашина, разработавший вместе с ними теорию промежуточного прототипа. Это особенно актуально для катеростроителеи, где при создании новых проектов приходится использовать противоречивую информацию по катерам, отличающихся большим разнообразием конструтадий и оборудования. Л.Л Ермаш долгое время руководил проектным отделом. На основе обобщения опыта проектирования он вел курс проектирования катеров для студентов ЛКИ, благодаря этому его методические рекомендации получили широкое распространение.
В монографии Ермаша Л.Л. и др "Применение клееной древесины в судостроении" рассмотрены технологии постройки катеров из древесно-волокнистых материалов современного типа. Показано, что такие конструкции по относительной массе на единицу площади приближаются к конструкциям из алюминиево-магниевых сплавов при массовом производстве. В случае применения ценных пород дерева, имеющих удельную массу значительно ниже единицы, удается получить более выгодные конструкции.
Важный вклад в развитие рассматриваемых методических положений внес учебник А.М. Ваганова "Проектирование скоростных судов" [Щ. В нем изложены следующие вопросы:
Определение основных размерений скоростного судна и мощности энергетической установки на основе использования статистических данных по построенным судам.
Расчет посадки глиссирующего судна на основе гидродинамического расчета. В ходе расчета определяется угол атаки пластины, относительное удлинение глиссирующей пластины и на основе найденных величин определяется полное сопротивление и осадка.
Даны рекомендации по рациональным формам обводов и теоретическим чертежам скоростных судов.
Расчет вместимости скоростного судна пассажирского типа рассмотрен детально, приведены расчетные формулы позволяющие произвести расчет компоновки пассажирского салона (аналогично построенным озерным и речным СПК). Зависимости для расчета требуемой длины машинного отделения распространены на морские СПК (с учетом работ И.Я. Баскакова).
Расчет масс и общей нагрузки судна. Данный вопрос рассмотрен детально с приведением расчетных зависимостей для всех составляющих весовой нагрузки судна (применительно к СПК). Зависимости построены на основе обработки данных нагрузки по построенным судам. В формулах используются укрупненные измерители. С точки зрения исследовательского проектирования ряд изложенных вопросов, требует расширения, а данные по статистике - обновления. Это и выполнено в диссертационном исследовании.
В "Справочнике по проектированию судов с динамическими принципами поддержания" Б.А. Колызаева, А.И. Косорукова и В.А. Литвиненко изложены такие важные вопросы как определение основных размерений судна и мощности энергетической установки на основе использования статистических данных по построенным судам; расчет вместимости судна, рассмотрен детально, приведены расчетные формулы позволяющие произвести расчет компоновки пассажирского салона, машинного отделения, санитарно-быговых помещений, жилых помещений экипажа, помещений постов управления; расчет весовых нагрузок судна. Это вопрос, применительно к СПК, рассмотрен детально с приведением расчетных зависимостей для всех составляющих нагрузки судна. Для определения массы корпуса, крыльевого устройства, электрооборудования приведены более развернутые формулы, также использующие укрупненные измерители. [32]
Монография "Быстроходные катера" Питера Дю Кейна посвящена разработке вопросов проектирования глиссирующих судов. Проектировочный подход заключается в обоснованном выборе компоновки и конструкции, в проектировании формы корпуса, с учетом требований ходкости, мореходности технологии изготовления.
Изложены практические методики расчета сопротивления глиссирующего судна (на основе модели плоской пластины). Значительный акцент сделан на технологии изготовлении корпусов из различных материалов. Произведен анализ опыта постройки различных типов катеров. Глубоко рассмотрены достоинства и недостатки применения различных материалов начиная от дерева и заканчивая армированными пластиками. Исследованы вопросы выбора энергетической установки, проанализированы сопутствующие каждому главному двигателю агрегаты и системы, обеспечивающие работ}' энергетического комплекса. Рассмотрены принципиальные компоновки двигательно-движительного комплекса. Компоновка учитывает размещение систем, трубопроводов и вспомогательного оборудования энергетической установки. Изложены вопросы проектирования рулевого комплекса и движителей. [62]
В работе Пашина В.М. "Оптимизация судов" изложены методы и принципы построения оптимизационной модели как судна в целом, так и некоторой подсистемы судна. Основой построения оптимизационной модели судна является разделение задачи проектирования на два уровня: нижний (оптимизация подсистем) и верхний (оптимизация судна в целом). Взаимодействие подмоделей и характеристик уровней производится с помощью локальных критериев. Обоснованное определение элементов судна зависит от глубины проработки проекта. В работе дано много рекомендаций по порядку проведения оптимизации, выбору и построению критериев. Создание системы взаимодействующих задач для оптимизации судна означает автоматизацию системного проектирования. В этой монографии также глубоко рассмотрены вопросы об оптимизации состава флота.
С позиций проектного анализа вопросы оптимизации в постановке В.М. Пашина практически применены к рассматриваемому типу судов, в данном диссертационном исследовании. [57]
В учебниках Ашика В.В. "Проектирование судов" и Ногида Л.М. "Проектирование морских судов" рассмотрены вопросы проектного анализа судов и кораблей, выбора показателей формы и определения мощности энергетической установки проектируемого судна. Эти вопросы изложены применительно к морским транспортным судам, но общий подход справедлив и для скоростных судов. [1,4,5*2]
В учебном пособии Царева Б. А. "Модульные задачи в проектировании судов" рассмотрены принципы создания проектных модулей и их применения при проектировании судов, в том числе и скоростных. [80]
Учебное пособие "Опттиіизационное проектирование скоростных судов" Б. А. Царева рассматривает следующие вопросы:
Изложен подход к проектированию скоростного судна как сложной системы, состоящей из ряда взаимодействующих подсистем разного уровня функциональной значимости. Данный подход подразумевает под собой оптігмизационное проектирование. Особое внимание выделено выбору критерия оптимизации
Методика выбора основных характеристик судна (главные размерения, мощность) путем решения уравнений теории проектирования судов(нагрузки, ходкости, вместимости, плавучести, центровки, управляемости, мореходности, остойчивости, непотопляемости, безопасности, прочности, экономичности). Разработан алгоритм поэтапного вовлечения уравнений разной формы развернутости при оптімівационном проектировании судна. Выведены практические формы основных уравнений теории проектирования судна. Для возможности использования ряда уравнений (таких как позволяющих определить пропульсивный коэффициент движителя, запас мощности на движение судна в условиях волнения и рад др.), общий вид которых весьма сложен и не пригоден для стадии проектного анализа приведены упрощенные аналитические зависимости .
Большое внимание уделено расчету строительной стоимости и эффективности судна, приведены формы данных уравнений.
Разработаны вопросы прогнозирования характеристик скоростных судов [79]
С позиций проектного анализа глиссеров изложенные методические положения и блок-схемы в диссертации получили практическую реализацию в оптимизационных расчетах.
В монографии А-Пишки "Проектирование катеров" освещены методические положения, связанные с проектированием глиссеров:
Общая методика определения основных характеристик судна на основе анализа статистических данных по построенным судам, особое внимание уделено проектированию формы корпуса и оконечностей.
Разработана схема определения массы корпуса. Метод основан на определении измерителя массы корпуса как функции главных размерений (L,B,H) и конструктивных особенностей судна, которые сведены в типовые группы, в совокупности содержащие 295 вариантов.
Оценка мощности судна с использованием формул Адмиралтейского коэффициента.
Практические вопросы постройки скоростных судов [61]
Хотя рекомендации А Пшики с позиций проектного анализа требуют изменения количественного диапазона судов, учета вновь применяемых материалов, обновления статистических данных, они представляют собой большую методическую ценность.
Монография JI.JL Романенко и Л.С. Щербакова. "Моторная лодка" рассматривает расчетные схемы проектирования малых глиссіфующих лодок и СПК, схемы выбора основных размерений основанные на анализе статистических данных; подробно анажізирует практические вопросы строительства малых глиссирующих судов из различных материалов; в ней приведены схемы проектирования энергетического комплекса малых судов. [С.Щ
Эти положения необходимо расширить на диапазон более крупных судов, обновить статистический материал, дополнить некоторые вопросы.
В Справочнике по малотоннажному судостроению (под редакцией Б.Г. Мордвинова ) изложены следующие вопросы, относящиеся к анализируемой проблеме:
Схемы расчета сопротивления глиссирующего судна (на основе формул Адмиралтейского коэффициента, и на основе обработки результатов модельных испытаний).
Схемы расчета движителя скоростного судна
Рекомендации по выбору форму обводов
Расчет прочности конструкций
Проектирование энергетического комплекса малых судов [СІВ]
С точки зрения проектирования скоростных пассажирских судов, изложенные в Справочнике методики необходимо адаптировать к интервалам характеристик, выходящих за рассмотренные границы.
В учебнике Демешко Г.Ф. "Проектирование судов. Амфибийные суда на воздушной подушке", рассмотрены вопросы проектирования судов на воздушной подушке, позволяющие создать полную математическую модель судна. Подробно рассмотрены вопросы методологии проектирования, начиная от формирования технического задания и заканчивая проектом. [Q.S]
С позиций проектного анализа методологические вопросы необходимо конкретизировать практически для глиссеров, что и проделано в диссертационном исследовании.
Работа Демешко Г.Ф. "Использование метода приращений в расчетах нагрузки скоростных судов", ощ'бликованной в трудах ЛКИ, освещен вопрос использования уравнений нагрузки в дифференциальной форме при модернизации, переоборудовании или незначительном изменении характеристик прототипа. [23]
В статье Демешко Г.Ф , Рении М.В "Архитектурные и компоновочные проблемы при разработке общего расположения скоростных пассажирских и автомобильно-пассажирских однокорпусных судов" в материалах конференции МОРИНТЕХ 99 рассмотрен вопрос о компоновке судна по принципу модульного подхода. На основе обработки статистических данных о построенных судах произведено выделение номенклатуры типовых помещений и объемов, позволяющее производить решение уравнения вместимости.[24]
Затронутые в упомянутых публикациях частные вопросы проектного анализа учтены в общей расчетной схеме проектирования.
Статьи Дробышевского Р.В. "Учет взаимосвязи характеристик посадки и параметров обводов при проектном анализе судов переходного режима движения", "Обоснование выбора энергетической установки при проектном анализе скоростных судов" и его диссертационное исследование "Разработка методики оптимизации обводов корпуса при проектировании судов переходного режима движения" посвящены таким важным вопросам, как оптимизация характеристик формы корпуса по требованиям ходкости (по критерию, учитывающему многорежимность работы судна). В таком же плане рассмотрен вопрос обоснования характеристик энергетической установки. Выведены теоретические зависимости, показывающие зависимость сопротивления, площади смоченной поверхности от посадки судна. Производится выбор варианта энергетической установки для рассчитанных мощностей на минимальных и максимальных скоростях. На основе этого производится оптимизация формы корпуса и размерений по критерию минимума расхода топлива. [26,27]
В статьях Чупайло В.Л., Чупайло И.Л. "Определение основных характеристик малых скоростных судов в начальных стадиях проектирования" и "Проектное обоснование компоновочных схем малых глиссирующих судов" в Трудах ЛКИ разработана схема рационального определения основных характеристик судов путем совместного решения уравнений проектирования судов (нагрузки, вместимости, мореходности (в форме высоты борта); предложено решение уравнения вместимости в форме коэффициента утилизации (с учетом компоновочной схемы); произведена разбивка помещений на группы, выделены компоновочные схемы (в зависимости от положения машинного отделения). [83,84]
Статьи В.П.Соколова и СВ. Разумова "Выделение области оптимальных значений главных размерений при проектировании глиссирующих судов" и "Учет перегрузок по ускорениям в структуре критерия мореходности при проектировании скоростных судов", (в Трудах ЛКИ) , описывает два варианта методики определения главных размерений по критерию максимума пщродинамического качества, с граничными условиями в форме уравнений устойчивости движения и вместимости. Первый вариант заключается в совместном решении уравнения ходкости и вместимости, а второй в совместном решении уравнений центровки весовой и гвдродинамической (которой соответствует максимальное качество).Также предложены зависимости позволяющие оценить перегрузки на стадии проектного анализа в форме п= f г a h* 3 L ' ' * і ' ]_ і ' о (9) [ V* g~2xV* ) где С -некоторый коэффициент, а-угол атаки, пв-высота волны, V-объемное водоизмещение, L,B - длина и ширина судна,S-скорость. [75,*7в]
В работах Гайковича А.И. "Применение современных математических методов в проектировании судов", Шауба П.А. "Особенности формирования математической модели судна", Шауба П.А., Четвертакова М.М. "Общие принципы разработки математических моделей судов" изложены принципы создания математической модели судна и методы ее оптимизации. [9, $6,87]
Книга И.Т. Егорова, ММ Бунькова, Ю.М Садовникова . "Ходкость и мореходность глиссирующих судов" излагает следующие вопросы:[28]
Расчетные методы определения сопротивления глиссирующих судов двух вариантов (расчет глиссирующей пластины и обобщение результатов серийных модельных испытаний). Для диссертационного исследования в модели проектного анализа используется второй вариант метода расчета, так как он позволяет учитывать влияние основных параметров формы обводов судна, пригоден для оценки сопротивления судна движущегося в переходном режиме движения.
Расчетные методы определения сопротивления глиссирующих судов при движении в условиях волнения. Методика построена на обобщении результатов серийных модельных испытаний на регулярном волнении и пересчете на нерегулярное волнение.
Расчетные методы проектироваши движителей скоростных судов. Данная методика позволяет определять характеристики движителей, количество движителей, построение паспортной диаграммы и его пропульсивный коэффициент.
Оценка остойчивости глиссирующих судов. Остойчивость судов, движущихся в переходном или глиссирующем режиме, определяется обычным образом - / _ тв "~~ Т -метацентрическая высота (10)
Сложность заключается в том, что восстанавливающий момент тв : тв — Шг +тс — в переходном режиме (11)
Ж в — 7ПГ — в глиссирующем режиме
Определение момента тс не представляет труда, а вот момент тг является функцией от трех сил: силы на рулях, сила сопротивления борта и гидродинамическая сила на днище. Данные силы имеют лишь эмпирическое описание, основанное на экспериментальных данных.
5. Оценка гидродинамических перегрузок судов при движении в условиях волнения. Для пассажирских судов уровень перегрузок весьма важен, так как он напрямую связан с уровнем комфорта. В данной методике, на основании систематических испытаний построены графические зависимости, показывающие влияние основных конструктивных параметров на уровень перегрузок. V WL ^WL J n - уровень перегрузок; Fro — число Фруда по водоизмещению; L^l, B-svl ~~ длина и щиріша судна по ватерлинии; Х,в — длина волны.
Оценка гидродинамических давлений при ударе судна о волну. Данная схема расчета давлений основана на теории падения плоской пластины на поверхность жидкости.
Обобщение результатов серийных модельных испытаний глиссирующих судов и построение результирующих графических зависимостей оптимальных, по гидродинамическому качеств)', параметров ,характеризующих: форму обводов, нагрузку и центровку - в функции от числа Фруда
Расчетные методы средств управления гидродинамическими характеристиками несущих поверхностей таких как транцевые плиты, каверны
С позиций исследовательского проектирования эти методические положения необходимо адаптировать к тем этапам проектирования, когда детальная информация еще отсутствует. Именно такая адаптация и выполнена в диссертационном исследовании.
Значительный вклад в развитие методики проектного анализа скоростных судов внесли работы А.В. Шляхтенко " Проектные аспекты создания и направления развития малых высокоскоростных боевых кораблей и катеров". [88J
Из наиболее современных работ важное значение имеет работа С.Н. Рюмина " Обоснование проектных и конструктивных характеристик скоростного судна с учетом нормативных требований".
В работах Мирохина Б.В. и др. "Теория корабля" и методических указаниях Мирохина Б.В., Жинкина В.Б., Зильман Г.И. "Расчеты по теории корабля" изложены вопросы расчетов сопротивления движению, расчеты гребных винтов, расчеты остойчивости, непотопляемости, управляемости обычных морских судов. [48,49]
Статья D,R.Lavis,B,G.Forstekk . "Computer-aided conceptual design of surface-effect ships" рассматривает автоматизированную модель проектирования судов на воздушной подушке. Особенностью модели является полномасштабное математическое описание объекта проектирования. [ШЗ] Такой подход целесообразен и для глиссирующих судов. B3.2. Формулирование задач, вытекающих из обзора публикаций.
Проанализировав вопросы, актуальные для методик проектирования глиссирующих судов, можно выявить следующие недостаточно разработанные вопросы.
Методы определения основных размерений: определение основных размерений на основе обработки статистических данных по построенным судам или на основе решения уравнений теории проектирования судов - достаточно развиты для СПК и СВП, но почти не освещены для глиссеров.
Определение нагрузки: вопрос об определении составляющих нагрузки проработан достаточно глубоко, лишь применительно к СПК. Для глиссеров, которые раньше имели незначительные размеры, такие проработки не публиковались.
Обоснование компоновочных характеристик: по компоновке пассажирского салона СПК разработаны детальные схемы. Указаны рекомендации по определению площадей вспомогательных помещений, бытовых, служебных И.Т.Д. По глиссерам материалов мало. Кроме этого, должен быть усилен компьютерно-математический аспект методики компоновочного проектирования.
Расчеты, связанные с ходкостью и энергетикой: определение мощности на начальной стадии проектирования (на основе обработки статистических данных по построенным судам, а также с помощью формул Адмиралтейского коэффициента), энерговооруженности, пропульсивного коэффициента; определение мощности на основе расчета сопротивления; расчеты движителей; расчеты рулевого комплекса. Все это вопросы требуют конкретизации для крупных глиссируюгщгх судов.
Оценка условий мореходности: определение добавочного сопротивления при движении судна на волнении; определение уровня гидродинамических перегрузок при движении судна на волнении; определение ударных нагрузок при движении судна на волнении. По этим вопросам схемы расчетов есть, но конкретные данные для крупных глиссеров отсутствуют.
Расчеты мореходных качеств, связанных с безопасностью (расчеты остойчивости, расчеты непотопляемости) требуют более четкого применения нормативов и их обоснования.
Вопросы проектирования корпуса скоростного судна: расчет и проектирование связей и перекрытий подробно изложен в рассмотренных работах только для стадий, когда имеется достаточно полная информация о судне. На основе работы С.Н Рюмина необходимо формировать способы таких оценок конструктивных параметров, которые были бы удобны для начальных этапов проектного анализа.
8, Вопросы определения строительной стоимости судна: расчет трудоемкости и строительной стоимости судна подробно изложены для случаев, когда имеется полная информация о нагрузке. Очень важно производить такие расчеты по укрупненной нагрузке, а также отслеживать изменение нагрузки по ходу проектирования.
Более детальной разработки требуют в диссертационном исследовании следующие вопросы:
Обновление статистических данных по построенным судам
Доработка уравнения вместимости с учетом специфики глиссирующих судов пассажирского назначения.
Проработка вопроса оценки массы корпуса скоростного судна, на основе приспособления методик определения конструктивных параметров с учетом факторов прочности.
Создание единой взаимосвязанной модели проектного анализа, включающей в рассмотрение наиболее важных из изложенных вопросов.
Предварительная проработка проекта
В монографии А-Пишки "Проектирование катеров" освещены методические положения, связанные с проектированием глиссеров: Общая методика определения основных характеристик судна на основе анализа статистических данных по построенным судам, особое внимание уделено проектированию формы корпуса и оконечностей. Разработана схема определения массы корпуса. Метод основан на определении измерителя массы корпуса как функции главных размерений (L,B,H) и конструктивных особенностей судна, которые сведены в типовые группы, в совокупности содержащие 295 вариантов. Оценка мощности судна с использованием формул Адмиралтейского коэффициента. Практические вопросы постройки скоростных судов [61] Хотя рекомендации А Пшики с позиций проектного анализа требуют изменения количественного диапазона судов, учета вновь применяемых материалов, обновления статистических данных, они представляют собой большую методическую ценность. Монография JI.JL Романенко и Л.С. Щербакова. "Моторная лодка" рассматривает расчетные схемы проектирования малых глиссіфующих лодок и СПК, схемы выбора основных размерений основанные на анализе статистических данных; подробно анажізирует практические вопросы строительства малых глиссирующих судов из различных материалов; в ней приведены схемы проектирования энергетического комплекса малых судов. [С.Щ Эти положения необходимо расширить на диапазон более крупных судов, обновить статистический материал, дополнить некоторые вопросы. В Справочнике по малотоннажному судостроению (под редакцией Б.Г. Мордвинова ) изложены следующие вопросы, относящиеся к анализируемой проблеме: Схемы расчета сопротивления глиссирующего судна (на основе формул Адмиралтейского коэффициента, и на основе обработки результатов модельных испытаний). Схемы расчета движителя скоростного судна Рекомендации по выбору форму обводов Расчет прочности конструкций Проектирование энергетического комплекса малых судов [СІВ] С точки зрения проектирования скоростных пассажирских судов, изложенные в Справочнике методики необходимо адаптировать к интервалам характеристик, выходящих за рассмотренные границы. В учебнике Демешко Г.Ф. "Проектирование судов. Амфибийные суда на воздушной подушке", рассмотрены вопросы проектирования судов на воздушной подушке, позволяющие создать полную математическую модель судна. Подробно рассмотрены вопросы методологии проектирования, начиная от формирования технического задания и заканчивая проектом. [Q.S] С позиций проектного анализа методологические вопросы необходимо конкретизировать практически для глиссеров, что и проделано в диссертационном исследовании. Работа Демешко Г.Ф. "Использование метода приращений в расчетах нагрузки скоростных судов", ощ бликованной в трудах ЛКИ, освещен вопрос использования уравнений нагрузки в дифференциальной форме при модернизации, переоборудовании или незначительном изменении характеристик прототипа. [23] В статье Демешко Г.Ф , Рении М.В "Архитектурные и компоновочные проблемы при разработке общего расположения скоростных пассажирских и автомобильно-пассажирских однокорпусных судов" в материалах конференции МОРИНТЕХ 99 рассмотрен вопрос о компоновке судна по принципу модульного подхода. На основе обработки статистических данных о построенных судах произведено выделение номенклатуры типовых помещений и объемов, позволяющее производить решение уравнения вместимости.[24] Затронутые в упомянутых публикациях частные вопросы проектного анализа учтены в общей расчетной схеме проектирования. Статьи Дробышевского Р.В. "Учет взаимосвязи характеристик посадки и параметров обводов при проектном анализе судов переходного режима движения", "Обоснование выбора энергетической установки при проектном анализе скоростных судов" и его диссертационное исследование "Разработка методики оптимизации обводов корпуса при проектировании судов переходного режима движения" посвящены таким важным вопросам, как оптимизация характеристик формы корпуса по требованиям ходкости (по критерию, учитывающему многорежимность работы судна). В таком же плане рассмотрен вопрос обоснования характеристик энергетической установки. Выведены теоретические зависимости, показывающие зависимость сопротивления, площади смоченной поверхности от посадки судна. Производится выбор варианта энергетической установки для рассчитанных мощностей на минимальных и максимальных скоростях. На основе этого производится оптимизация формы корпуса и размерений по критерию минимума расхода топлива. [26,27]
В статьях Чупайло В.Л., Чупайло И.Л. "Определение основных характеристик малых скоростных судов в начальных стадиях проектирования" и "Проектное обоснование компоновочных схем малых глиссирующих судов" в Трудах ЛКИ разработана схема рационального определения основных характеристик судов путем совместного решения уравнений проектирования судов (нагрузки, вместимости, мореходности (в форме высоты борта); предложено решение уравнения вместимости в форме коэффициента утилизации (с учетом компоновочной схемы); произведена разбивка помещений на группы, выделены компоновочные схемы (в зависимости от положения машинного отделения). [83,84]
Статьи В.П.Соколова и СВ. Разумова "Выделение области оптимальных значений главных размерений при проектировании глиссирующих судов" и "Учет перегрузок по ускорениям в структуре критерия мореходности при проектировании скоростных судов", (в Трудах ЛКИ) , описывает два варианта методики определения главных размерений по критерию максимума пщродинамического качества, с граничными условиями в форме уравнений устойчивости движения и вместимости. Первый вариант заключается в совместном решении уравнения ходкости и вместимости, а второй в совместном решении уравнений центровки весовой и гвдродинамической (которой соответствует максимальное качество).Также предложены зависимости позволяющие оценить перегрузки на стадии проектного анализа в форме
Предварительное разделение судна на отсеки
Подсистема корпус является второй по значимости подсистемой после подсистемы гадродішамический комплекс. Данная подсистема также является сложной подсистемой, которая включает в себя комплекс расчетов. На рис. 55 представлена схема оптимизации данной подсистемы. Алгоритм построен по следующей схеме:
Определение или выбор характеристик первой группы - материал и технология изготовления. Материал (и его механические характеристики) принимаются исходя из проработки технического задания. Допускаемые напряжения определяются по нормативным документам в соответствии с выбранным материалом. Для возможности расчета трудоемкости постройки производится разбивка судна на типовые строительные элементы. Существует два варианта разбивки в соответствии с основными вариантами технологии постройки - секционно-блочным и узловым в стапель-кондукторе по каркасу. Выбираются также такие показатели как применяемость агрегатно-модульных подходов к монтажу оборудования. Выбор гфинцигоіальной технологии производится на основании проработки технического задания. В принципе возможен оптимгоационный выбор и технологии и материала, исходя из локального экономического критерия. После выбора основных характеристик определяются характеристик второй группы (расчетные). Рассчитываются площади поверхностей всех конструкций (борт, палуба, днище, конструкции надстройки, рубки...). Подробнее о расчете поверхностей см. п.3.3. Основные размерения судна и весовые характеристики статей нагрузки, количество переборок, протяженность выгородок, фундаментов определяются при расчете и оптимизации главных характеристик. Рассчитываются такие переменные параметры как допускаемые напряжения. Характеристиками третьей группы являются условно постоянные величины, такие как стоимость материалов, стоимость нормочаса, коэффициент переработки норм, степень подготовки поверхности под окраску, характеристики завода-изготовителя (сборочная оснастка и оборудование, производственные площади и грузоподъемность кранового оборудования). Эти характеристик необходимы для внутренней оггошизации по критерию минимума трудоемкости изготовления построечного элемента. В целях упрощения алгоритма введены еще дополнительные неоптимизируемые исходные данные, такие как тип днищевого перекрытия (варианты перекрытий см. рис. 51-60) и степень участия надстройки в общем изгибе корпуса. Производится прочностной расчет корпусных конструкций перекрытий параллельно с расчетом трудоемкости изготовления типовой секции данной корпусной констр тщии. Совместный расчет производится для возможности оптимизации построечного элемента по критерию минимальной стоимости. Подробнее и расчетах см ниже. Расчет производится в виде оптимизационной процедуры. Оптимизируемыми параметрами является шпация набора (продольная и поперечная), каждой из них соответствуют определенные толщины, согласованные с дискретными значениями сортаментов. Шпация наиболее заметно влияет на массу конструкций и трудоемкость постройки при заданных размерениях, и водоизмещении судна, материале корпуса, технологии постройки, учете надстройки в общем изгибе, типе днищевого перекрытия. Шпация рамных балок (стрингеров, карлингсов...) оптимизируется локально внутри процедуры, по критерию минимума массы перекрытия. Внутри процедуры расчета каждого перекрытия производится оптимизация элементов балок набора по критерию минимума площади поперечного сечения, балки. Также неявно оптимизируемыми конструкционными и технологическими характеристиками являются: о Материал корпуса о Тип днищевого перекрытия о Учет надстройки в общем изгибе или ее отключение о Применение модульного подхода монтажа оборудования при постройке. о Принципиальная технология постройки. Эти характеристик задаются как начальные. При доработке расчетной схемы возможна полная оптимизация с учетом также и указанных параметров. При расчете трудоемкости может также оптимизироваться ряд технологических характеристик (такие как вид применяемой оснастки и оборудования, методы изготовления элементов секции), подробнее см. ниже. После расчета основных перекрытий, характеристики которых зависят от шпации набора, производится определении масс и трудоемкости изготовления выгородок, фундаментов и определении трудоемкости изготовления блоков, достроечных и монтажных работ. Затем данные показатели суммарной массы конструкций и трудоемкости работ переводятся в стоимостную форму. Выбирается директивно критерий оптимизации: или: стоимость (материала и затрат на постройку), или масса корпуса. Согласно назначенному критерию определяется вариант, который участвует в дальнейшем проектном анализе.
Работы Гарина Э.Н. "Конструкция корпуса судов на подводных крыльях" и " Конструкция корпуса судов на воздушной подушке" [15,16], Локшина А.З. "Расчетное проектирование связей корпуса судна на подводных крыльях"[4?], Маттес Н.В., Уткина А.В. "Прочность судов на подводных крыльях" [51], статье Бойцова Г.В. "О прочности корпусов на подводных крыльях" [5], статье Кузовенкова Б.П. "Весовые характеристики корпусов и крыльевых устройств судов на подводных крыльях" [39]- рассматривает методы расчета корпусных конструкций скоростных судов из легких сплавов и весовые характеристики корпусов, Данные по СПК могут быть использованы как аналоги для формулирования рекомендаций для глиссеров. Помимо этого большинство СПК имеют глиссирующие формы корпуса и актуальна часть данных по СПК при скоростях, составляющих 40-60% от расчетной.
В книгах Короткина Я.И. и др. "Изгиб и устойчивость стержней и стержневых систем" [C.16J, Короткина Я.И., Постнова В. А., Сиверса Н.Л. "Строительная механика корабля и теория упругости" [С. 17] ПапковичаП.Ф. "Строительная механика корабля"[С.28]; Постнова В.А., Ростовцева Д.М. и др. "Строительная механика корабля и теория упругости" [63], Справочнике по строительной механики корабля под ред. Ю.А. Шиманского [С.45] Справочнике по строительной механике корабля под ред.О.ОД. Палия[С.44]Феодосьева В.И. "Сопротивление материалов" [С.47] изложены методики расчетов стержней и стержневых систем, расчета рам, пластин, перекрытий, проектировании профилей, расчетах устойчивости и др.
В работе Лазарева В.Н., В.А. Курдюмова, Ю.А. Смирнова, В.Н. Тряскина "Определение изгибающих моментов на тихой воде и на волнении" [4Щ изложены методики расчета нагрузок действующих на корпус морских судов и способы построения эпюр нагрузок.
Выбор характеристик конструкций, использующих трехслойные полуфабрикаты
В существующей практике проектирования корпусов применяется соответствующая система набора составляющих его балок, содержащая значительное число пересечений. При их соединении приходится прибегать к неавтоматическим режимам сварки. В результате корпус содержит много конструктивных и технологических концентраторов, являющихся источником распространения трещин и водотечности. Наличие пересекающихся балок является источником содержания влаги, что приводит к коррозии металла.
Этот традиционный способ конструирования не позволяет в достаточной степени стандартизировать конструкции, в результате этого усложняется их ремонт, трудно осуществлять более надежно и качественно защиту корпуса от коррозии. Существенные затруднения при традиционном проектировании приходится преодолевать при решении вопросов тепло и звукоизоляции, прокладки различного рода трасс.
Несмотря на присущие этому способу конструирования недостатки, существующие технические материалы, обеспечивающие проектирование корпуса, позволяют на базе имеющегося большого опыта эксплуатации таких конструкций обеспечить создание достаточно надежных корпусов.
Дальнейшее совершенствование традиционных конструкций и методов их расчета представляет собой длительный процесс, обладающий ограниченными возможностями получения существенного экономического эффекта.
Внедрение в строительство корпусов судов материалов повышенной прочности может существенно изменить показатели конструкции, если при этом окажется возможным повысить усталостные характеристики этих материалов и выполненных из них узлов конструкций. Опыт проектирования показывает, что удовлетворение требованиям усталостной прочности приобретает большое значение для скоростных судов, эксплуатация которых сопровождается воздействием значительных и часто повторяющихся нагрузок от слеминга. В существующих рекомендациях по строительству скоростных судов, конструкции из более прочных сплавов имеют относительные величины допускаемых напряжений более высокие, по сравнению с аналогичными конструкциями из менее прочных сплавов,
Учитывая ограниченные возможности совершенствования традиционных конструкций корпуса, в судостроении ведется поиск иных конструктивных решений, устраняющих несовершенства ранее используемых конструкций. Одним из результатов такого поиска являются безнаборные конструкции, использующие полые панели. Такие конструкции обладают хорошими звукоизолирующими и вибродемпфирующими свойствами. Перекрытия из таких конструкций можно создавать, используя преимущественно набор только одного направления, получая при этом выигрыш в массе по сравнению с обычной конструкцией. Дополнительным положительным качеством является уменьшение затрат на сборку и сварку секций и блоков из таких конструкций.
Такая панель имеет металлические нижнюю и верхнюю поверхности, а также металлический каркас. Внутренние объемы полой панели могут содержать заполнители. Несущие металлические элементы изготавливаются из стали или легких сплавов. Наличие внутреннего заполнителя обеспечивает тепло и звукоизоляцию, а также повышает жесткость конструкции. При этом облегчается сборка конструкций, появляются большие возможности для их стандартизации и применения более надежных видов сварки, обеспечивающих соединение тонких листов металла.
Для применения таких панелей в корпусных конструкциях разработан программный комплекс, позволяющий проектировать и оптимизировать характеристики панели и подкрепляющие балки набора.
Такие панели выгодно использовать в конструкциях с высокой местной нагрузкой, где они дают наибольший выигрыш в весе.
Для таких конструкций был разработан типоразмерный ряд для алюминиевых и титановых панелей, проработаны узлы соединения панелей и набора с помощью закладных деталей, оценен прирост веса за счет применения закладных деталей соединения.
Конструктивное оформление узлов во многом определяет прочность, работоспособность, долговечность, технологичность, ремонтопригодность элементов корпуса. Поэтому рациональное проектирование узлов имеет большое значение. При использовании традиционных конструкций в местах пересечения балок разного направления необходимо обеспечить восприятие усилий в виде опорных реакций, передаваемых балками меньшей высоты на балки большей высоты.
Вопросам повышения надежности узлов пересечения балок набора уделяется много внимания, так как в узлах всегда наблюдаются многочисленные повреждения. При использовании безнаборных и полубезнаборных конструкций (конструкции с использованием трехслойных панелей подкрепленных только балками одного направления) такая проблема стоит менее остро, так как количество узлов намного уменьшается. При использовании конструкции в виде пластины подкрепленной балками одного направления, такая проблема тоже не стоит, но такие конструкции примерно на 40-60 % тяжелее обычных и при использовании листового проката большой толщины возникают проблемы технологического характера.
Для любых судов, а особенно для скоростных, проблема вибрации и шума стоит очень остро. Применение расчета вибрации на начальной стадиях проектирования позволит заложить в проект судна необходимые меры борьбы с вибрацией, тем самым уменьшит возникающие проблемы в период постройки и сдачи судна в эксплуатацию. Конструкции, включающие полые панели (особенно с заполнителем), обладают хорошими звукоизоліфующими и вибродемпфирующими свойствами. Шумопоглащаюгцие свойства таких панелей обусловлены наличием замкнутых полостей, благодаря которым происходит многократное отражение и затухание звуковых волн внутри полостей. При использовании заполнителя энергопоглощающие свойства панелей существенно повышаются, что приводит к интенсивному затуханию как звуковых, так и вибрационных процессов.
В качестве материалов панелей рассматриваются алюминиевые, титановые сплавы, углеродистые и низколегированные стали, стеклопластик. Панель предполагается изготавливать с использованием электронно-лучевой сварки. При ее применении возможно получение тонкостенных панелей (менее 2 мм), представляющих большой интерес при создании высокоскоростных судов малого водоизмещения. Рассматривался также вариант применения клепаных панелей.
Для оптимизации таких панелей по критерию минимума массы разработана специализированная компьютерная программа, с помощью которой созданы типоразмерные ряды панелей с заполнителем и без него.
Ниже приведен схематичная методика расчета таких панелей. Согласно данных ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова допускаемые напряжения могут быть приняты такие же, как и при расчете обычных конструкций.
Применение упрощенного теоретического чертежа
В общем случае ускорения фигурируют при таких расчетах, как расчет инерционных перегрузок при движении судна на волнении, расчет ходкости при движении судна на волнении и расчет динамических общих и местных прочностных нагрузок. Эти расчеты являются определяющими при выборе формы обводов шпангоутов скоростных судов.
Решение задачи по расчету мореходных качеств тесно связано с алгоритмической подсистемой «гидродинамический комплекс. На начальной стадии проектирования, когда происходит принципиальный выбор основных характеристик, особенно важно учесть, при наличии минимума информации, наиболее значимые ограничения.
В общем случае при проектировании судна оценку перегрузок на волнении производится на стадии, когда основные размерения уже выбраны. Поэтому использование приближенной зависимости оценки ускорений на стадии исследовательского проектирования, когда анализируется некоторое количество вариантов по размерениям, позволяет более обосновано выбирать для дальнейшего рассмотрения тот или иной вариант.
Для возможности создания приближенной зависимости была проанализирована расчетная методика расчета гадродинамических ускорений, используемая при расчетах скоростных судов по Правилам Морского Регистра[С.ЗЗЭта методика была разработана на основании приближенных зависимостей, характеризующих влияние основных конструктивных параметров (соотношений главных размерений) и эксплуатационных факторов на величины внешних нагрузок и вертикальных ускорений, осуществлялось на основе расчетных исследований. При их выполнении выполнялось интегрирование уравнений продольной качки глиссирующего судна на волнении и последующее вычисление местных гидродинамических давлений, определяющих прочность днищевых конструкций. При разработке математической модели качки принимались во внимание: силы веса конструкций судна и перевозимых им грузов; силы инерции масс корпуса и грузов; вертикальные гидродинамические нагрузки, обусловленные глиссированием несущих поверхностей судна и погружением клиновидных поперечных сечений в воду; гидростатические нагрузки, определяемые величиной погруженного в воду объема корпуса.
На основании вариантных расчетов инерционных перегрузок по установленным нормативам . ЗЗД найдены приближенные зависимости, связанные с выбором соотношения размерений L/B. Выбор этого соотношения производится для следующих заданных параметров: водоизмещения D, коэффициента нагрузки С , скорости &, уровня мореходности Из%, положения центра тяжести по длине Xg/L, предполагаемого угла килеватости в носовой оконечности р.При этом обеспечиваются ускорения в носовой части на допускаемой уровень, который принят для носовой части судна 0,25g..
Анализ производился на основании методики , изложенной в [&].С увеличением относительного удлинения L/B гидродинамического подъемная сила снижается, что и приводит к снижению перегрузок. Данные зависимости показывают, что с увеличением угла килеватости днища р З меньшаются гидродинамические силы, препятствующие входу катера в волну в момент удара, что приводит к более плавному торможению.
Вовлечение в проектный анализ глиссирующих судов уравнений мореходности (определяющих потерю скорости на волнении, инерционные перегрузки) позволит более обоснованно производить выбор основных характеристик судна. Для этого и разработана расчетная схема учета влияния волнения на характеристики судна. Для возможности учета перегрузок произведена адаптация существующей расчетной схемы в форму проектного ограничения по L/B. На основе расчетов разработаны графики, облегчающие выполнение конкретных обоснований. 4.3.3. Выбор минимального надводного борта.
В данном блоке на основе оценки условий непотопляемости будет проводиться выбор минимальной высоты надводного борта (при условии затоплении наибольшего отсека). Самым большим обычно является энергетический отсек, кроме этого, он расположен в корме, что вызывает наихудшее положение судна.
Требования непотопляемости сводятся к обеспечению положительной величины надводного борта при затоплении эквивалентного отсека, положительной остойчивости и угла крена, не превышающего величину регламентируемую нормативными документами.
При затоплении большого отсека происходит значительное изменение осадки и углов крена и дифферента. В этих условиях не работает допущение о прямостенности бортов и возможности применения метацентрических формул[С.46]Доэтому используется информация по теоретическому чертежу.
На рисунке и далее в формулах: Зщці щці+і - площади шпангоутов ограничивающих отсек по действующей ватерлинии с учетом дифферента; Xs - центр тяжести потерянной действующей ватерлинии; Xf - центр площади действующей ватерлинии; Xv - абсцисса центра тяжести объема затопленного отсека; Yv - ордината центра тяжести объема затопленного отсека; (р -угол дифферентаж Ку,Кс,Кх,К(р - переменные коэффициенты; Bi(T),Bi+i(T) - ординаты шпангоутов, ограничивающих отсек по уровню действующей ватерлинии; S - площадь действующей ватерлинии после затопления отсека; S - потерянная площадь действующей ватерлинии; VOTC - объем затопленного отсека; 1отс — длина отсека; оотс — площадь отсека; ДТ - приращение осадки на мидделе
Похожие диссертации на Разработка методики проектного оптимизационного анализа скоростных пассажирских судов и катеров
