Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ модели исследуемого объекта
1.1. Влияние целевого назначения 40
1.2. Конкретизация состава модели 47
1.3. Нагрузка. Влияние применяемых материалов 54
1.4. Центровка. Ветробойность, управляемость, устойчивость движения 60
1.5. Остойчивость, взаимосвязь с качкой и критериальное значение крена на циркуляции 67
Глава 2. Структурные характеристики. Анализ архитектурно-компоновочных вопросов
2.1. Анализ проблемы обитаемости и комфортабельности 72
2.2. Оценка необходимых площадей 86
2.3. Разработка эскиза компоновки 91
2.4. Схема оценки непотопляемости 98
Глава 3. Обоснование рациональных форм обводов корпуса в соответствии с режимом движения
3.1. Границы режимов движения. Оценка сопротивления и мощности при двух режимах и их взаимосвязь с параметрами формы корпуса 101
3.2. Примеры теоретических чертежей и рекомендации по их построению 113
3.3. Схема обоснования движительно-двигательного комплекса 117
3.4. Схема предварительного расчета винтов и обоснование оптимальной частоты вращения с позиций оптимальности по ходкости 125
3.5. Выбор двигателей из реальных каталогов 129
Глава 4. Конструктивное проектирование и взаимосвязь со снижением уровней вибрации
4.1. Особенности конструкции и прочности катеров 135
4.2. Схемы мидель-шпангоутов для основных видов материалов 140
4.3. Конструктивное проектирование и взаимосвязь со снижением уровней вибраций 147
4.4 Обоснование оптимальной частоты вращения движителя и двигателя с позиций предотвращения вибрации 157
Глава 5. Формирование методики проектирования, ориентированной на повышение обитаемости и снижения уровней вибрации
5.1. Анализ вопросов оптимизации 161
5.2. Оптимизация общепроектных характеристик 164
5.3. Оптимизация вопросов обитаемости и вибрации 170
Заключение 179
Литература 181
- Нагрузка. Влияние применяемых материалов
- Остойчивость, взаимосвязь с качкой и критериальное значение крена на циркуляции
- Примеры теоретических чертежей и рекомендации по их построению
- Схемы мидель-шпангоутов для основных видов материалов
Введение к работе
Актуальность темы 4
Обзор основных работ 8
Обзор характеристик быстроходных катеров и формирование базы данных. Вывод формул для предварительного проектирования 14
Оценка стоимости и затрат. Формирование критериев оптимизаций 29
Логико-математическая постановка задачи 34
Нагрузка. Влияние применяемых материалов
Для скоростного катера определение нагрузки и вычисление центра тяжести является важнейшим мероприятием, так как эти действия влияют на возможность выхода катера на режим глиссирования.
От назначения катеров и дальности плавания зависят массы провизии, снабжения и топлива. Для патрульных катеров огромное значение имеет обеспечение требуемой энерговооруженности, а для гражданских — общее количество людей и комфорт.
Для определения полной нагрузки массы катера в первом приближении можно воспользоваться следующими способами: 1. Обращение к базе данных. Такая база данных содержит информацию по составляющим полной массы катера, главным размерениям, материалу корпуса, архитектурно-конструктивному типу. 1.а.В случае нахождения близкого прототипа можно воспользоваться значениями прототипа. 1.6.В случае использования данных прототипов сильно отличающегося от проектируемого катера необходимо создать промежуточный вариант разбивки полной массы катера. 2. Обращение к методикам, например, по формулам (1.14 - 1.24). По результатам решения задачи ходкости и выбора двигателя из каталога корректируются значения масс статей «энергетическая установка» Рэу и «топливо, масло» Рт. В связи с уточнением указанных выше статей, необходимо произвести корректировку полной массы. В этом случае удобно применять коэффициент Нормана (1.28). vH = r J,, N (1.28) v dD ) где dPi(D) - измененные массы, dD — приращение полной массы. Корректировку водоизмещения можно произвести через изменение осадки.
При детальной разработке проекта на начальной стадии (выбора формы корпуса, расстановки переборок, определения конструктивных характеристик) определяется масса корпуса и масса надстройки с учетом массы обшивки, продольного и поперечного набора корпуса, поперечных переборок. 1.4. Центровка. Ветробойность, управляемость, устойчивость движения
По мере прорисовки эскиза и распределения нагрузки необходимо определять расположение центра тяжести, благоприятное положение которого позволит избежать таких нарушений движения на курсе, как рыскливость — уход судна влево или вправо от заданного курса при неподвижном положении руля в диаметральной плоскости; дельфинирование - неустойчивое движение глиссера с плавным периодическим раскачиванием вокруг поперечной оси; рикошетирование - режим движения, при котором поддержание катера осуществляется нестационарными силами, идентичными силам при косом ударе тел о воду. [14]
Остойчивость, взаимосвязь с качкой и критериальное значение крена на циркуляции
Остойчивость характеризует мореходные свойства судна. Мерой начальной остойчивости судов является поперечная и продольная метацентрические высоты. Поперечная метацентрическая высота совместно с водоизмещением определяет восстанавливающий момент при малых наклонениях судна [13].
Оценка остойчивости для быстроходных катеров отличается от таковой для обычных водоизмещающих судов. В первую очередь это различие связано с появлением дополнительных восстанавливающих сил и моментов. Во-вторых, разница заключается в возможности развития парусности и достижения высоких значений коэффициента ветробойности.
Динамической поперечной остойчивостью определяется мореходность быстроходных катеров. Из-за недостатка динамической поперечной остойчивости некоторые глиссирующие катера могут раскачиваться с борта на борт, соответственно снижая скорость глиссирования.
Из-за высокой развитости верхних надстроек важно анализировать остойчивость на больших углах крена, используя данные по ветробойности из раздела 1.4. Площадь парусности войдет в выражение кренящего момента Мкр = рпгл (1.44)
На ранних этапах проектирования скоростных катеров важно определить начальную остойчивость, которая в свою очередь влияет на свойства качки в режиме плавания.
Период свободных колебаний катера зависит от нескольких факторов (1.45) таких как: - форма обводов корпуса; - взаимодействие катера со встречными волнами; - размеры катера; - метацентрическая высота.
Стоит отметить, что при получении неблагоприятных значений периодов качки, т. е. соответствующих действию резонанса 0,7-г1,25 от периода возмущающих сил корректировка форм корпуса не возможна. Так как период собственных колебаний связан с метацентрическои высотой, то изменение последней отрицательно скажется на метацентрическои высоте, влияющей на крен при циркуляции.
Вопросы качки быстроходных катеров решаются по иному, чем у обычных судов. Практически их мореходность по достижимой скорости исчерпывается раньше, чем по остойчивости. Заметная качка катеров связана с их водоизмещающим положением.
При более детальных оценках ускорений при качке следует исходить из того, что нормативы допустимых перегрузок для катеров принимаются обычно в 2.5 раза больше, чем для обычных судов, а именно [14]: для обычных судов z O.lg для быстроходных катеров ї 0.25g.
На рисунке 1.13 показана схема действия гидродинамических сил во время циркуляции. В том случае, если результирующая гидродинамических сил проходит выше ЦТ, то катер кренится внутрь циркуляции и наоборот. Крен во внутреннюю сторону циркуляции характеризует хорошую динамическую поперечную остойчивость, а крен во внешнюю сторону - плохую, так как в последнем случае возрастает сила сопротивления дрейфа, которая вместе с центробежной силой создает пару сил, опрокидывающую судно во внешнюю сторону.
Главными параметрами, определяющими динамическую поперечную остойчивость катера на циркуляции является форма корпуса и положение центра тяжести по высоте. Ниалучшими будет считаться та форма днища в кормовой части корпуса, которая допускает свободное подскальзывание (дрейф) во внешнюю сторону циркуляции и ЦТ корпуса будет расположен низко. Выводы по главе 1:
Выявлены функциональные особенности для трех групп катеров. Сформирован комплекс задач при решении оптимизационной задачи проектирования малого судна или катера. Для решения этой задачи необходимо сформировать базу данных по существующим проектам катеров, для того чтобы принимаемые решения были в области правильных значений. Схема определения нагрузки катера показана на рисунке 1.14.
Примеры теоретических чертежей и рекомендации по их построению
Среди существующих способов построения теоретического чертежа судна применительно к катеростроению можно выделить следующие построение теоретического чертежа по таблицам и графикам ординат обводов серийных моделей; аффинное перестроение чертежа прототипа; интерполяционный способ построения теоретического чертежа.
Аффинное перестроение (или частичное геометрическое подобие) теоретического чертежа прототипа заключается в изменении главных размерении L, В, Т при этом коэффициенты полноты 8, а, Р, ф, % остаются неизменными. Водоизмещение, положение центра величины, метацентрические радиусы и другие элементы чертежа вычисляются по формулам, основанным на частичном подобии получаемой формы судна его исходной форме.
В общем случае изменения L, В и Т, ординаты у изменяются пропорционально b=Bi/B0, расстояния между ватерлиниями - пропорционально t=Ti/To и расстояния между теоретическими шпангоутами — пропорционально l=Li/L0. Коэффициенты полноты остаются неизменными. Соответственно главные характеристики проектируемого катера будут вычисляться по формулам: Объемное водоизмещение: Vx =lbtV0, (3.12) Площади ватерлиний: SA = lbSJ0 (3.13) Площади шпангоутов: SA= btSJ0 (3.14)
В отличии от аффинного перестроения, обязательным условием выполнения которого является постоянство коэффициентов полноты, интерполяционный способ подразумевает наличие двух близких теоретических чертежей прототипов: один с коэффициентом 8г, большим 6 проекта; другой с коэффициентом бь меньшим 5 проекта .
При построении теоретического чертежа описанными выше способами довольно просто и всегда достаточно надежно можно решить вопрос об обеспечении водоизмещения и остойчивости; Обеспечение же ходкости является более сложной задачей. Поэтому стали использоваться серии теоретических чертежей с последовательно изменяющимися элементами, модели которых испытывали в бассейне. Построение теоретического чертежа по таблицам и графикам ординат обводов серийных моделей позволяет получить теоретический чертеж, отвечающий заданным требованиям ходкости и уменьшает время разработки чертежа.
На сегодняшний день очевидна одна из тенденций развития рынка рассматриваемых катеров - стремление к увеличению скорости, соответственно к изменению форм обводов корпуса и более высоким показателям энерговооруженности, и энергонасыщенности. Под показателем энерговооруженности понимают соотношение суммарной мощности агрегатов энергетической установки к массе катера. [98]
Статистические данные, предствленные в п. В.З, показывают, для данной группы катеров свойственно применение двухвальных установок (83 %), что обуславливает лучшую маневренность. На рисунке 3.9 представлен корпус скоростного катера, оборудованный современным пропульсивным комплексом. Понятие пропульсивного комплекса-шире понятия движительно-двигательного комплекса тем, что в нем учтен несущий комплекс. На приведенном рисунке этот несущий комплекс представлен системой поперечных и продольных реданов, а также носовыми наделками.
Раскрывая вопрос применения различных движителей на скоростных катерах, нельзя не отметить использование приводов с подсосом воздуха. Наиболее известными приводами являются привод Арнессона (рисунок 3.13), привод Тримакс (рисунок 3.14). [38]
Использование приводов с подсосом воздуха позволяет повысить эффективность винто-рулевого комплекса в целом, и уменьшить габаритную осадку. Безусловно, одни из достоинств, перечисленные авторами разработчиками приводов являются снижение шума и вибрации от винтов, так как их расположение определено на некотором расстоянии от транца.
Привод «Тримакс» имеет отдельное перо руля и фиксированное в горизонтальной плоскости положение ЧПВ. Привод включает в себя универсальный шарнир с ограничителем, причем этот ограничитель вмонтирован так, что вертикальный угол наклона гребного вала поддается регулировке. Однако это можно сделать только на суше, после чего вал закрепляется, и его угол наклона регулировать на ходу нельзя. Дифферентовка катера на ходу осуществляется триммерами - управляемыми гидравликой транцевыми плитами.
Решением проблемы медленного выхода на глиссирование для приводов «Тримакс» с ЧПВ является вентиляция верхней части винта воздухом. Рулевое устройство и кронштейн гребного вала имеют каналы для подачи атмосферного воздуха к винту, что «создает скольжение на малой скорости» и позволяет увеличивать обороты двигателя значительно быстрее. На режиме глиссирования, когда винт выходит из воды, воздух уже не влияет на эффективность винта.
Привод Леви, разработанный Ренато (Сонни) Леви как целостная «навесная» система, включающая руль - поворотную верхнюю половину кольцевой насадки. При выходе на глиссирование двумя рулями служат нижние части насадки. Привод Леви (в настоящее время называется "Sea Rider") выпускается в основном для патрульных, пассажирских и прогулочных катеров.
Схемы мидель-шпангоутов для основных видов материалов
Определение конструктивных связей корпуса катера позволяет решить задачу прочности корпуса. Выполнение данного расчета начинается с проектирования поперечного сечения, а именно с выбора необходимых толщин.обшивки, выбора основных продольных связей корпуса и определения нормальных напряжений от общего изгиба корпуса.
Каждому типу судов характерны геометрические особенности конструктивных связей в соответствии с нагрузкой, на которую они рассчитываются. Создание базы данных по схемам мидель-шпангоутов может помочь проектанту при разработке конструктивных связей мидель шпангоута проектируемого катера. Для удобства использования и применения характеристик базы данных по схемам мидель шпангоутов необходимо привести их к общему виду. [8, 24, 28, 35, 98, 112]
Предлагается рассматривать конструктивный мидель шпангоут проектируемого катера из базы данных в соответствии с разбивкой на конструктивные связи, показанные на рисунке 4.3.
Обработка подбазы данных конструктивных характеристик мидель-шпангоутов позволила выявить зависимость приведенной толщины А от длины корпуса для легких сплавов. Зависимости для других материалов взяты из работы Царева Б. А. «Оптимизационное проектирование скоростных судов». Данные зависимости показаны на рисунке 4.5. В первую очередь полученные приближенные значения приведенных толщин используются для расчета проверки прочности катера, далее для оценки собственных частот колебаний катера. В оценку прочности корпуса катера входит определение характеристик эквивалентного бруса, таких как площадь поперечного сечения, положение нейтральной оси, момент инерции площади эквивалентного бруса и момент сопротивления.
Под вибрацией понимают периодические небольшие упругие изменения формы конструкции. Такие колебания упругой системы возникают при стремлении системы вернуться в положение равновесия после выведения этой системы из положения ее устойчивого равновесия периодическими возмущающими усилиями. Так как при обратном движении, система, обладающая массой, накапливает кинетическую энергию и, соответственно, не может остановиться в положении равновесия, она будет совершать периодические колебания около этого положения. Такие колебания называются собственными, или свободными колебаниями системы [103].
Источниками вибрации на судне являются работающие механизмы и гребные винты, вызывающие дополнительные динамические и инерционные нагрузки. На рисунке 4.5 изображена схема усилий, действующих в кормовой оконечности судна.
Применительно к катерам можно рассматривать следующие виды нагрузок, вызывающих вибрацию [45, 63, 80, 85]: - силы, меняющиеся во времени, которые появляются в результате неточностей при монтаже механизмов, валопроводов, гребных винтов; - нагрузки от работы гребного винта, т. е. силы, возникающие в результате взаимодействия с корпусом судна и попутным потоком, существующим за судном; - волновые нагрузки, периоды которых может совпадать с периодами собственных колебаний.
Вынужденные колебания системы отличаются от собственных в том, что они будут непрерывно периодически повторяться, и происходить с определенным периодом и амплитудой.
Рассмотрим, служебный катер, со следующими характеристиками: длина корпуса - 20,3 м, ширина корпуса - 5,65 м, осадка - 1,4 м, полная масса - 64 т, материал корпуса - сталь; энергетическая установка состоит из двух двигателей марки Caterpillar 3412В агрегатной мощностью 615 кВт, рабочая частота двигателя составляет 2100 об/мин. Момент инерции площади эквивалентного бруса равен 0,055 м4.
Частота собственных колебаний первого тона составляет 102,6 1/с или 16,3 Гц. Вторая частота собственных колебаний равна 282,8 1/с или 45 Гц. Возмущающая частота - рабочая частота двигателя равна 2100 об/мин, соответственно 219,8 1/с или 35 Гц.
На рисунке 4.9 показаны зоны резонанса для первых двух частот и пунктиром обозначено значение рабочей частоты двигателя.
Данный пример показывает, что для быстроходных катеров, изучение и принятие мер по предотвращению резонансной вибрации является актуальным мероприятием. Ввиду упрощенности представленного расчета стоит отметить, что для реальных катеров необходимо использовать реальное распределение весовой нагрузки и момента инерции площади по длине.
