Разработка методов проектного обеспечения нормативных характеристик вибрации на судах промыслового флота Дятченко, Сергей Васильевич

Введение к работе

Актуальность темы

Создание конкурентоспособного российского промыслового флота является важнейшей государственной задачей. Концепция развития флота предусматривает финансовую поддержку государством судостроительных предприятий и судовладельческих компаний, а также широкое внедрение инновационных технологий, включающих проектное и технологическое обеспечение судну необходимых качеств на стадиях его жизненного цикла. Приоритетным направлением совершенствования методов определения характеристик и элементов судов различного назначения становится комплексное решение проблемных задач, обеспечивающее новым судам высокий уровень экономической эффективности, мореходных качеств, безопасности мореплавания и условий обитаемости. Значимым фактором, определяющим условия обитаемости на судах, стала проблема сверхнормативной вибрации, которая является причиной нарушения целостности корпусных конструкций, снижения ресурсов оборудования и механизмов, ухудшения здоровья и снижения работоспособности экипажа. Для промысловых судов решение проблемы повышенной вибрации особенно актуально в связи с различными режимами эксплуатации судна и длительным пребыванием экипажа под воздействием вибрации опасной для здоровья. Исследования вибрационного состояния на промысловых судах выявили комплекс технических проблем, связанных с высоким уровнем санитарной вибрации и обусловили необходимость решения проблемных задач направленных на разработку проектного обеспечения норм вибрации. Решать проблему повышенной вибрации необходимо на ранних стадиях проектирования судна, обеспечивая выбор его основных элементов и характеристик с учетом нормативных требований вибрации. Для поддержания проектного вибрационного состояния на последующих стадиях его жизненного цикла должна быть создана современная методическая база прогнозирования и мониторинга. Решение проблемы вибрации на ранних стадиях проектирования судна, тесно связано с решением проблем металлоемкости корпусных конструкций и обеспечения проектных характеристик судна, удовлетворяющих нормам прочности. Анализ состояния нормативной базы, методов проектирования судов, способов определения проектных характеристик вибрации, а также системный анализ характеристик и элементов промыслового судна позволили создать научно- методические основы решения этой проблемы. Сформирован комплекс методов, направленных на обеспечение норм вибрации на стадиях жизненного цикла судна, определена структура и содержание доминантных методов проектного обеспечения норм вибрации на промысловых судах.

Цель работы

Целью работы является создание методов проектного обеспечения нормативных характеристик вибрации на стадиях жизненного цикла промыслового судна с разработкой комплекса методик, включающих прогнозирование параметров общей вибрации, расчетно-инструментальный мониторинг, определение характеристик и элементов судна, отвечающих нормативным требованиям вибрации на ранних стадиях его проектирования или модернизации, определение проектных характеристик антивибрационных покрытий.

Для достижения поставленной цели необходимо рассмотреть и решить совокупность проблемных задач исследования:

1. Создать научно-методические основы проектного обеспечения нормативных характеристик вибрации на судах промыслового флота.

2. Разработать методику прогнозирования параметров общей вибрации промыслового судна на стадиях его жизненного цикла, создав математическую модель и алгоритм прогнозирования, и определить влияние доминирующих проектных факторов на параметры общей вибрации корпуса судна.

3. Разработать методику расчетно-инструментального мониторинга для исследования влияния проектных характеристик и элементов промыслового судна на его вибрационное состояние, выполнить анализ вибрационного состояния БМРТ по результатам натурных исследований и гармоник возмущающих сил, передаваемых на корпус судна от главного двигателя и гребного винта.

4. Разработать методику определения оптимальных проектных характеристик и элементов промыслового судна, обеспечивающую выполнение нормативных требований прочности и вибрации на ранних стадиях его проектирования, создав соответствующие алгоритмы и математические модели, включающие математическую модель конструктивного мидель-шпангоута.

5. Разработать методику определения оптимальных проектных характеристик и элементов промыслового судна, обеспечивающую выполнение нормативных требований прочности и вибрации на ранних стадиях его размерной модернизации, создав соответствующие алгоритмы и математические модели.

6. Разработать методическое обеспечение для определения проектных характеристик полимерных композиционных материалов и покрытий на промысловых судах, включающее определение характеристик рассеяния энергии и динамического модуля упругости этих покрытий в диапазоне частот, регламентируемых санитарными нормами вибрации, и выполнить оценку их демпфирующих характеристик при нормальных и пониженных температурах.

Объектом исследования являются открытая сложная система «Промысловое судно», ее характеристики и элементы на стадиях жизненного цикла судна, методы проектирования и модернизации судов, методы предотвращения вибрации на судах, методы определения вибрационных характеристик корпуса и его конструкций, методы инструментальных исследований вибрации и определения характеристик вибропоглощающих покрытий.

Теоретическая база исследования

Теоретической базой диссертационных исследований являются труды отечественных и зарубежных ученых. По общей теории проектирования судов большое практическое и научное значение имеют работы В.В. Ашика, А.В. Бронникова, В.А. Зуева, Л.М. Ногида, В.М. Пашина, Б.А. Царева. Основы теории проектирования сложных технических систем изложены в работах А.И. Гайковича. В области проектирования отдельных типов судов важны работы

Е.М. Грамузова, Г.Ф. Демешко, Н.К. Дормидонтова, Г.В. Егорова, С.И. Логачева, В.И. Любимова, В.И. Поспелова, А.И. Ракова, В.Н. Разуваева, Е.П. Роннова, Г.В. Савинова, Б.М. Сахновского, Н.Б. Севастьянова, А.Н. Суслова, Н.А. Таранухи. Методические основы исследовательского проектирования корабля изложены в работах И.Г. Захарова, Н.В. Никитина, В.В. Родионова, О.В. Третьякова, В.Б. Фирсова, Л.Ю. Худякова, П.А. Шауба. Для обеспечения мореходных качеств судов большое значение имеют работы М.Я. Алферьева, А.Ш. Ачкинадзе, А.М. Басина, Р.В. Борисова, Я.И. Войткунского, Ю.И. Нечаева, А.В. Пустошного, А.А. Русецкого. Обеспечению прочности и надежности корпусов судов посвящены работы Г.В. Бойцова, В.М. Волкова, Я.И. Короткина, В.А. Кулеша, Д.М. Ростовцева, А.А. Родионова, А.И. Максимаджи, В.А. Постнова, В.И Сутырина, О.Я, Тимофеева. Расчетам нагрузки масс водоизмещения судна в его состоянии порожнем посвящены работы Е.В. Маслюка. Методические основы модернизации судов изложены в работах В.В. Ашика и А.А. Гундобина. Проектированию конструкции корпуса посвящены работы Ю.Н. Горбачева, В.Н. Тряскина, О.Ф. Хьюза. Созданию расчетных методик определения параметров вибрации морской техники посвящены работы В.С. Акулаева, Н.Н. Бабаева, И.М. Белова, Э.И. Иванюты, Г.Б. Крыжевича, В.Г. Лентякова, О.М. Палия, С.В. Тананыкина. Для решения проблемы вибрации на судах, практическое и научное значение имеют труды В.Л. Александрова, А.И. Короткина, А.П. Матлаха, В.И. Полякова. Разработке методик исследования свойств полимерных материалов посвящены работы С.В. Буйлова, С.И. Корягина, А.П. Яковлева.

Методы исследования

Для решения проблемных задач, поставленных в работе, использовались методы общей теории проектирования и оптимизации судов, теории колебаний и технической теории вибрации судов, математического моделирования, способы натурных исследований и экспериментальные методы, а также программные продукты и приборное обеспечение для расчетных и натурных исследований.

Научная новизна полученных результатов

В результате исследований получены следующие новые результаты:

6. 1. Созданы научно-методические основы проектного обеспечения нормативных характеристик вибрации промыслового судна.

   2. Разработана методика прогнозирования параметров общей вибрации промыслового судна на стадиях его жизненного цикла, содержащая структурную схему, алгоритм и математическую модель прогнозирования. Созданы расчетные модели для определения параметров вибрации ряда промысловых судов, определены частоты их собственных колебаний с учетом влияния нагрузки масс, деформации сдвига, номера тона и изменения проектных толщин конструкции корпуса. Получены зависимости для учета изменения частоты собственных колебаний корпуса от деформации сдвига и номера тона, а также определения частот высших тонов колебаний корпуса по частоте первого тона применительно ко всему размерному ряду промысловых судов. Определен диапазон изменения частот собственных колебаний корпуса при изменении построечной толщины его листовых элементов.

   3. Разработана методика расчетно-инструментального мониторинга, обеспечивающая повышение точности определения общей вибрации судна и местной вибрации его конструкций. Определены доминантные гармоники возмущающих сил от главного двигателя и гребного винта для РТМС, БМРТ и СРТМ. Выполнен анализ влияния конструкции нерегулярного исполнения и вариации ее элементов (на примере двух палубных перекрытий БМРТ типа «ПРОМЕТЕЙ» в районе жилых помещений) на спектр частот их собственных колебаний. Результаты инструментальных замеров параметров вибрации на УПС «ПРИЗВАНИЕ» позволили впервые оценить влияние проектных факторов (ходовой режим и режим траления, состояние загрузки судна) на распределение уровней вибрации в обитаемых помещениях промыслового судна.

   4. Разработана методика определения оптимальных проектных характеристик и элементов промыслового судна на ранних стадиях его проектирования, общий алгоритм и математическая модель которой обеспечивают нормы прочности и вибрации. Созданы расчетные алгоритмы и математические модели, позволяющие определить характеристики прочности и вибрации при вариации главных элементов судна и выполнить оптимизацию подсистем «корпус-двигатель- движитель» для исключения резонансных режимов корпуса. Получены расчетные формулы для определения моментов инерции конструктивного мидель-шпангоута и аппликаты нейтральной оси для РТМС, БМРТ и средних промысловых судов. Получены расчетные формулы для определения частот собственных колебаний корпуса для всего размерного ряда промысловых судов.

   5. Разработана методика определения оптимальных проектных элементов и характеристик промыслового судна на ранних стадиях его размерной модернизации, общий алгоритм и математическая модель которой обеспечивают нормы прочности и вибрации. Созданы расчетный алгоритм и математическая модель, позволяющие определить характеристики прочности и вибрации при вариациях расчетной длины судна. Получены расчетные формулы для проектного определения частот собственных колебаний корпуса по первому тону и нормальных напряжений в связях конструктивного мидель-шпангоута на ранних стадиях размерной модернизации РТМС и БМРТ.

   6. Разработано методическое обеспечение для определения проектных характеристик полимерных композиционных материалов и вибропоглощающих покрытий на судах, включающее методы исследования и определения характеристик рассеяния энергии и динамического модуля упругости материалов при колебаниях в диапазоне частот, регламентируемых санитарными нормами вибрации (получены авторские свидетельства). Получены авторские свидетельства на технические решения, связанные с исследованием адгезионной прочности клеевых композиций и оценки прочности полимерных покрытий при воздействии ударных нагрузок.

   Практическая значимость

   Практическая значимость диссертационного исследования заключается в применении разработанных диссертантом методик, способов, технических решений и изобретений для решения проектных задач организациями и предприятиями, связанными с судостроением и судоремонтом. Основные результаты, имеющие практическую значимость, включают следующие позиции:

   6. 6. 1. Разработаны и проверены на практике методы проектного обеспечения нормативных характеристик вибрации на судах промыслового флота, которые имеют существенную научно-техническую, экономическую и социальную значимость.

         2. Внесен существенный вклад в решение важной народно-хозяйственной задачи, связанной с разработкой методики определения оптимальных элементов и характеристик судов промыслового флота, позволяющей обеспечить нормативные характеристики прочности и вибрации на ранних стадиях проектирования судна.

         3. Предложена и внедрена методика определения оптимальных проектных элементов и характеристик промыслового судна, с обеспечением нормативных требований прочности и вибрации при его размерной модернизации, которая имеет важное практическое значение для судовладельческих компаний.

         4. Разработана методика прогнозирования, позволяющая определить изменения параметров общей вибрации промыслового судна на стадиях его жизненного цикла. Методика может быть использована и для других типов судов.

         5. Разработана методика расчетно-инструментального мониторинга для судов промыслового флота. Результаты инструментальных замеров параметров вибрации на УПС «ПРИЗВАНИЕ» и СРТМ пр. 502 вошли в Атлас вибрационной обстановки на судах флота рыбной промышленности.

         6. На основе проведенных исследований для БМРТ типа «ПРОМЕТЕЙ» были разработаны рекомендации по улучшению их вибрационной обстановки, которые были использованы на судах этой серии.

         7. Разработан комплекс методов, защищенных авторскими свидетельствами, для определения проектных характеристик полимерных материалов и вибропоглощающих покрытий. Исследованы прочностные и демпфирующие характеристики полиэфирных и эпоксидных клеевых композиций и покрытий на их основе и даны рекомендации по их применению.

         Достоверность полученных результатов подтверждается: анализом состояния современных достижений и тенденций в области проектирования, модернизации и борьбы с вибрацией на судах, результатами натурных исследований их вибрационных условий обитаемости, использованием известных методов и компьютерных программных продуктов для определения частот собственных колебаний корпуса и его конструкций, оценкой погрешностей расчетов, авторскими свидетельствами на изобретения.

         На защиту выносятся следующие основные результаты работы:

         1. Научно-методические основы проектного обеспечения нормативных характеристик вибрации промыслового судна, определяющие: проблемы связанные с повышенной вибрацией, цели, задачи и методы решения этих задач, основные направления, последовательность и этапы решения проблем вибрации, структуру методов обеспечивающих выполнение норм вибрации на стадиях жизненного цикла судна и их обоснование.

         6. 6. 7. 1. Системный анализ основных элементов судна и его конструкции корпуса и оценка их влияния на величины моментов инерции конструктивного мидель - шпангоута РТМС, БМРТ и средних промысловых судов. Математические модели для проектного определения моментов инерции и аппликаты нейтральной оси конструктивного мидель-шпангоута РТМС, БМРТ, СРТ и СТМ.

                  2. Методика прогнозирования параметров общей вибрации промыслового судна на стадиях его жизненного цикла, включающая математическую модель и алгоритм прогнозирования. Расчетные модели для исследования параметров вибрации промысловых судов и результаты расчета частот их собственных колебаний, учитывающих влияние деформации сдвига, нагрузки масс, номера тона и проектных толщин конструкции корпуса. Функциональные зависимости изменения частот собственных колебаний корпуса от влияния деформации сдвига и номера тона для РТМС, БМРТ, СРТ и МРТР. Функциональные зависимости, позволяющие определить частоты высших тонов собственных колебаний корпуса по частоте первого тона для всего размерного ряда промысловых судов.

                  3. Методика расчетно-инструментального мониторинга, включающая логико- математическую модель и алгоритмы расчетных и натурных исследований. Результаты расчетов частот собственных колебаний палубных перекрытий БМРТ типа «ПРОМЕТЕЙ», анализа доминантных гармоник возмущающих сил на промысловых судах и инструментальных замеров параметров вибрации в жилых помещениях УПС «ПРИЗВАНИЕ» (для режимов траления и свободного хода при двух вариантах загрузки масс) и СРТМ пр. 502 (для режима свободного хода).

                  4. Методика определения оптимальных проектных характеристик и элементов промыслового судна, обеспечивающая нормативные характеристики прочности и вибрации на ранних стадиях его проектирования, включающая общую математическую модель и алгоритм проектирования. Математическая модель и алгоритм определения характеристик прочности при вариациях главных размерений и параметров конструкции корпуса. Математическая модель и алгоритм оптимизации подсистем «корпус-двигатель-движитель» для исключения резонансных режимов колебаний корпуса. Алгоритм оптимизации конструкции корпуса и формулы для определения частот его собственных колебаний.

                  5. Методика определения оптимальных проектных характеристик и элементов промыслового судна, обеспечивающая нормативные характеристики прочности и вибрации на ранних стадиях его размерной модернизации, включающая математическую модель и алгоритм проектного обеспечения. Математическая модель и алгоритм определения характеристик прочности и вибрации при вариациях длины судна и расчетные формулы для определения частот собственных колебаний его корпуса по первому тону.

                  6. Методики исследования и определения характеристик рассеяния энергии и динамического модуля упругости клеевых композиций и покрытий на их основе в диапазоне частот, регламентируемых санитарными нормами вибрации. Результаты исследования демпфирующих характеристик клеевых композиций и покрытий при нормальных и пониженных температурах, с оценкой их прочности.

                  Внедрение результатов работы

                  Результаты исследований нашли отражение и внедрены:

                  6. 6. 7. 6. 1. В проектно-конструкторской практике ЗАО «ПКЦ-ФЛОТ» для проектного обеспечения нормативных характеристик прочности и вибрации на судах промыслового флота;

                              2. В проектно-конструкторской практике и совершенствовании технологии постройки судов на предприятии ОАО «ПСЗ «ЯНТАРЬ»;

                              3. В проектно-конструкторской практике и совершенствовании технологии ремонта судов на предприятиях ООО «Судоремонтное предприятие Преголь» и ООО «Судоремонт-Балтика»;

                                 1. В «Атлас вибрационной обстановки на судах ФРП»;

                                 2. В отраслевой документ - «РЕКОМЕНДАЦИИ по улучшению виброакустической обстановки на супертраулерах типа «ПРОМЕТЕЙ».

                                 3. В технологических инструкциях «Методы ремонта корпусных конструкций с применением полимерных композиционных материалов» и «Временная технологическая инструкция по ремонту корпусов и механизмов судов с применением армированных полимерных покрытий на основе клеевых композиций»;

                                 4. В практике ремонта на промысловых судах, судах Московского речного пароходства и Азовского пароходства;

                                 5. В «Методике проектного обеспечения нормативных характеристик прочности и вибрации на судах промыслового флота»;

                                 6. В учебном процессе, при чтении курсов «Теория колебаний» и «Ремонт корпусных конструкций с применением полимерных материалов», в дипломном проектировании ФГБОУ ВПО «Калининградский государственный технический университет»;

                                 7. В учебном процессе, при чтении курса «Проектирование судов различных типов», в курсовом и дипломном проектировании на кораблестроительном факультете ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева».

                                 Апробация

                                 Результаты работы докладывались и получили положительную оценку:

                                 6. 6. 7. 6. 3. 7. 1. На всесоюзной конференции «Всесоюзная конференция по вибрационной технике», г. Тбилиси (1987);

                                                   2. На 14-й республиканской научной конференции «Рассеяние энергии при колебаниях механических систем», г. Чернигов (1987);

                                                   3. На 15-й республиканской научной конференции «Рассеяние энергии при колебаниях механических систем», г. Каменец-Подольский (1989);

                                                   4. На всесоюзном научно-техническом симпозиуме «Динамика и прочность автомобиля», г. Москва (1988);

                                                   5. На 1, 3 и 4-й научно-технической конференции «Совершенствование эксплуатации и ремонта корпусов судов», г. Калининград (1979, 1984, 1986);

                                                   6. На международной НТК «Балттехмаш-98» Прогрессивные технологии, машины и механизмы в машиностроении», г. Калининград (1988);

                                                   7. На 17-й межвузовской научно-технической конференции профессорско- преподавательского состава, научных инженерно-технических работников, аспирантов калининградских вузов Минрыбхоза СССР, г. Калининград (1989);

                                                   8. На 4-й научно-технической конференции «Вибрация - 2003. (Вибрационные машины и технологии)», г. Курск (2003);

                                                   9. На международной научной конференции «Инновации в науке и образовании», г. Калининград (2003-2010);

                                                   10. На международной научно-технической конференции «EXPLO-SHIP» и «OMiUO 2005» г. Щецин (2004,2005,2009);

                                                   11. На всероссийском научно-техническом форуме «Технологическое и кадровое обеспечение развития судостроительной отрасли», г. Санкт-Петербург (2005г.);

                                                   12. На международной научно-технической конференции «EXPLO-SHIP 2006», г. Свиноустье (2006);

                                                   13. На всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии в кораблестроительном и энергетическом образовании, науке и производстве», г. Нижний Новгород (2006, 2009);

                                                   14. На конференции по строительной механике корабля, посвященной памяти профессора П.Ф. Папковича, СПб. (2009).

                                                   Публикации

                                                   По теме диссертации использованы 61 публикация, в том числе девять в изданиях, входящих в перечень ВАК. В число публикаций входят 47 статей, восемь изобретений, три депонированных отчета, одни отраслевые рекомендации и два учебных пособия с грифом УМО по образованию в области кораблестроения и океанотехники для студентов вузов.

                                                   Структура и объем работы

                                                   Похожие диссертации на Разработка методов проектного обеспечения нормативных характеристик вибрации на судах промыслового флота

                                                   

                                                   Разработка теоретических основ и практических методов оптимизации количественного и качественного состава флота судов обслуживания морских буровых установокМакеев Глеб Анатольевич

                                                   

                                                   Проектное обоснование характеристик и элементов средних рыболовных траулеров для Вьетнама с обеспечением норм вибрацииЛыонг Нгок Хунг

                                                   

                                                   Экспериментальные и проектные исследования и разработка методов определения рациональных технических параметров высокоскоростных судов с динамическими принципами поддержания новых типовАфрамеев Эдуард Аркадьевич

                                                   

                                                   Разработка методов технико-экономического анализа и комплексной оценки экономической эффективности высокоскоростных судовАбрамовский Анатолий Валентинович

                                                   

                                                   Разработка теории и создание практических методов расчета ледовой ходкости, выбора формы корпуса и основных элементов речного ледокола, ориентированных на условия его эксплуатацииГрамузов Евгений Михайлович

                                                   

                                                   Проектное обоснование характеристик и элементов маломерных рыболовных судов Вьетнама с позиций обеспечения мореходных качествМай Куок Чыонг

                                                   

                                                   Исследование и разработка методов диагностирования технического состояния пневматических систем управления главными дизелями судов речного флота Колесов Александр Григорьевич

                                                   

                                                   Исследование и разработка методов обеспечения качества передачи речи в конвергентных сетях при неточной информации о сетевых характеристикахСамсонов Михаил Юрьевич

                                                   

                                                   Разработка способов и методик учета влияния террористических угроз на безопасность эксплуатации судов рыбопромыслового флотаГордеев Сергей Станиславович

                                                   Исследование и разработка методов и средств оперативного контроля состояния моторных масел в судовых дизельных установкахРусаков, Сергей Михайлович