Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время в мире происходит коренное изменение теории и практики проектирования судов. Развитие вычислительной техники, САПР и CALS-гехнологий позволяет автоматизировать и принципиально изменить информационное обеспечение проектирования и поддержки жизненного цикла судов. Использование методик проектирования, основанньж на анализе численных имитационных моделей, становится обязательным элементом про-ектно-конструкторских работ, особенно при создании относительно новьж и перспективных судов. В отечественной практике проектирования применение подобных методик ещё не получило достаточного развития.
Для повышения эффективности и конкурентоспособности судна необходимо, прежде всего, повысить его качество и снизить сроки проектирования. Эти требования можно удовлетворить, совершенствуя САПР и расчётное проектирование на базе применения универсальных математических моделей, эффективных численных методов и вычислительного эксперимента.
Вычислительный эксперимент постепенно начинает составлять всё более серьёзную конкуренцию эксперименту физическому. Наиболее показательным является развитие методик проектного анализа прочности конструкций на основе применения метода конечньж элементов.
В задачах проектирования, связанньж с гидродинамикой и анализом внешних сил на корпус судна, применение вычислительного эксперимента внедряется менее быстрыми темпами. Это объясняется большей математической сложностью и большими вычислительными затратами при их решении. Следствием этого является применение упрощённых математических моделей, которые иногда оказываются неадекватными реальным физическим процессам. Степень изученности проблемы внешних сил и, как следствие, проблем нормирования мореходньж качеств и прочности корабля не позволяет в настоящее время проектировать корпус судна на основе полного учёта всех существенных параметров.
Одна из основньж проблем состоит в определении гидродинамических и гидроупругих взаимодействий, обусловленньж движением судна и волнением моря. Спектр таких задач довольно широк. Он включает: моделирование морского волнения; расчеты нелинейной качки, динамической остойчивости и ходкости на волнении большой амплитуды; определение внешних сил при качке и слеминге судна в задачах прочности; анализ гидроупругой вибрации и др. Особенно следует отметить трудности в решении связньж задач, в которьж нельзя пренебречь влиянием друг на друга внешних и внутренних сил или взаимодействием объектов. Осложняет решение задач нестационарный и пространственный характер многих динамических процессов.
При проектировании проблема состоит не только в определении внешних сил и динамики судна, но также в определении таких параметров корпуса, которые приведут к наименьшим гидродинамическим реакциям. &ш проблемы являются предметом изучения данной работы.
Целью данной работы является повышение эффективности проектирования и поддержки жизненного цикла морской техники на основе развития методологии и численных моделей проектного анализа гидродинамических нагрузок и динамики судна и его конструкций.
Для достижения цели сформулированы следующие основные задачи.
Формирование и реализация обобщённой математической модели движения судна на волнении большой амплитуды (без линеаризации уравнений движения и использования гипотезы о плоском обтекании).
Развитие математических моделей, численных методов и разработка эффективных численных алгоритмов решения задач слеминга и гидроупругой вибрации корпуса судна.
Разработка методик, алгоритмов и программного обеспечения автоматизированного проектирования элементов корпуса судна по критериям гидродинамических нагрузок.
Проведение и анализ результатов вычислительных экспериментов.
Разработка методик и рекомендаций по применению полученных результатов в задачах проектирования корпуса судна и его конструкций.
Методы исследований. Решение краевых задач гидродинамики идеальной жидкости основано на применении метода граничных элементов (МГЭ). Моделирование упругого корпуса судна и его конструкций производится с применением методов конечных и модуль-элементов (МКЭ, ММЭ). Для решения нестационарных уравнений движения судна и жидкости использованы методы конечньж разностей и Рунге-Кутта. Анализ и обобщение результатов исследований производились с привлечением данных литературных источников, модельных экспериментов и эксплуатации судов.
Научная новизна:
Для применения при автоматизированном проектировании корпуса судна и его элементов предложена методология численного имитационного моделирования гидродинамики и гидроупругости корпуса судна. Она основана на вероятностно-детерминированном подходе при декомпозиции системы «корпус судна в море», преобразовании обобщённых координат к наиболее информативному виду, конденсации лишних узловьж неизвестных. При этом допускается управление переменными проектирования в процессе моделирования движения.
Предложены математические модели и численные методики:
- анализа пространственного нестационарного движения судна на
волнении конечной высоты и произвольной формы;
определения гидродинамических коэффициентов в задачах качки судна и гидроупругости гибких конструкций в пространственной постановке;
расчёта течений и гидродинамических сил в пространственных нестационарных и стационарных задачах о поступательном движении судна;
анализа ударного погружения тела в жидкость с моделированием свободной поверхности, захвата воздуха, с учётом гравитационных сил;
анализа свободной и вынужденной гидроупругой вибрации корпуса судна, основанные на сочетании ММЭ и МГЭ.
Предложены методики проектирования элементов корпуса судна по критериям мореходности и нагрузок при слеминге, основанные на численном имитационном моделировании процессов качки и ударного погружения.
На основе анализа серии численных расчётов получены формулы для определения расчетньж давлений при проектировании конструкций днища глиссирующих судов.
Предложены методики проектирования отдельных конструкций корпуса судна, контактирующих с жидкостью, по критериям свободной и вынужденной вибрации.
Достоверность результатов. Разработанные методики и алгоритмы решения задач опираются на апробированные численные методы, на решения тестовых задач. Решения тестовых и прикладных задач проверены путём сопоставления с аналитическими и численными решениями, полученными другими авторами, а также с данными экспериментов. Результаты расчётов не противоречат физическим представлениям, практике эксплуатации судов и их конструкций, а также результатам решения подобньж задач.
Практическая ценность работы связана с решением актуальной научно-технической проблемы развития расчетньж методов численного анализа и их объединения с автоматизированным проектированием судов. Разработанные методики и программное обеспечение анализа динамического поведения судна при движении на волнении, слеминге и вибрации являются средством решения практических задач расчётного проектирования судна. Возможность численного моделирования нестационарньж, пространственных движений судна, учёта гидроупругих взаимодействий, воздействия волнения конечной амплитуды и произвольной формы и других особенностей позволяет повысить качество расчетньж моделей, расширить область применения вычислительного эксперимента в задачах проектирования и выявить резервы совершенствования элементов корпуса судна.
Отметим некоторые частные результаты, подтверждающих практическое значение разработанньж численньж моделей и методик:
на основании результатов численных экспериментов выведены зависимости для расчётных давлений на днище глиссирующих катеров, которые могут быть применены при проектировании конструкций;
на основании результатов численных экспериментов разработаны рекомендации по снижению нагрузок от днищевого слеминга судна, суть которых заключается в применении гофрированной или вогнутой поверхности днища в носовой оконечности;
применение методики проектирования формы поверхности судна по критериям нагрузок при погружении позволяет добиться существенного снижения ударных сил при бортовом слеминге, что продемонстрировано численным примером;
применение методики вибрационного проектирования конструкций позволило выявить резервы совершенствования динамических свойств обшивки переборок, контактирующих с жидкостью, путём придания пластинам начальной погиби.
На защиту выносятся следующие основные результаты работы.
Методология численного моделирования гидродинамики и гидроупругости судна и его элементов для ряда задач проектирования.
Математическая модель и методика численного анализа движения судна на волнении конечной амплитуды и произвольной формы.
Методика определения гидродинамических коэффициентов в задачах качки судна в пространственной постановке.
Методики численного моделирования ударного погружения и проектирования элементов формы корпуса судна по критериям нагрузок при слеминге.
Методика численного моделирования пространственных течений и гидродинамических сил при поступательном движении судна.
Методики численного моделирования гидроупругой вибрации судна.
Методики вибрационного проектирования корпусных конструкций, контактирующих с жидкостью.
Результаты численных исследований по предлагаемым методикам
Предложения по проектированию элементов формы и конструкций корпусов судов.
10. Алгоритмы и компьютерные программы автоматизации проектирова
ния и анализа динамики корпуса судна на волнении, при ударе о воду и
гидроупругой вибрации.
Полученные результаты внедрены: на КнААПО им. ЮА. Гагарина - при проектировании и расчётном обосновании конструктивных изменений глиссирующих катеров; в лаборатории проблем кораблестроения ИМиМ ДВО РАН - при проведении исследований средств уменьшения ударных нагрузок на корпус и повышения мореходности судов; в Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете - при
проведении исследований средств повышения эффективности и надёжности судов на основе численного моделирования их гидродинамики и динамической прочности; на АО «Амурский судостроительный завод» и ОАО «Судоремонтный комплекс - Приморский завод» - при расчётном обосновании технического состояния и модернизации конструкций буровой платформы и плавучего дока.
Математические модели, методики расчётов и программные средства разрабатывались и использовались при выполнении госбюджетных и хоздоговорных научных работ КнАГТУ, ИМиМ ДВО РАН и ДВГТУ.
Отдельные результаты работы нашли отражение в учебных пособиях и используются в учебном процессе КнАГТУ: по курсам «Проблемы гидромеханики и теории корабля», «Конструкция корпуса корабля», «Специальные компьютерные технологии», «Компьютерный дизайн», «Численные методы»; в курсовых и дипломных работах; магистерских диссертациях.
Апробация работы. Результаты работы представлялись и обсуждались: на всесоюзных НТК: «Совершенствование технической эксплуатации корпусов судов» (Калининград, 1989); «Опыт проектирования и модернизации судов для Дальневосточного бассейна с учётом их эксплуатации» (Владивосток, 1989, 1995); «Повреждения и эксплуатационная надёжность судовых конструкций» (Владивосток, 1994); на международных НТК: «Механика строительных конструкций из новых материалов и проблемы практического внедрения в производство» (Комсомольск на Амуре, 1993); «Проблемы механики сплошной среды» (Комсомольск на Амуре, 1997, 2003); «The Centenary of the Krilov Shipbuilding Research Institute» (Санкт-Петербург, 1994); «Проблемы прочности и эксплуатационной надежности судов» (Владивосток, 1996, 1999); «Проблемы транспорта Дальнего Востока» (Владивосток, 1997); «Математическое моделирование в механике деформируемых тел. Методы конечньж и граничных элементов» (Санкт-Петербург, 1999, 2000, 2001); «Кораблестроение и океанотехника. Проблемы и перспективы» (Владивосток, 1998, 2001); «МОРИНТЕХ-99» (Санкт-Петербург, 1998); «TEAM» (Владивосток, 2000, 2004; Chochiwon, Korea, 2001); «PACOMS-2004» (Владивосток, 2004); на специальных научно-технических семинарах в институте машиноведения и металлургии ДВО РАН (Комсомольск на Амуре, 1995), кафедр проектирования, конструкции корпуса и механики деформируемого твёрдого тела ДВГТУ (Владивосток, 1997, 1999, 2001), кафедры кораблестроения КнАГТУ (Комсомольск на Амуре, 1997,1999, 2001, 2004).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 50 научных работ (23 в соавторстве), в том числе 1 монография, 40 статей, 5 тезисов докладов. Зарегистрировано 4 программы для ЭВМ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Она содержит 333 страницы текста, 137 рисунков, 8 таблиц и список литературы из 325 наименований. Приложения объёмом 94 страницы содержат описания программного обеспечения, поясняющие схемы и рисунки, результаты расчётов и акты внедрения.
