Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Управляемость буксирной системы
1.1. Общие положения
1.2. Виды буксировок .
1.3. Расчёт управляемости системы, состоящей из буксирующего судна и буксируемого на тросе судна
1.4. Другие подходы к оценке управляемости буксирной системы .
Постановка задач исследования
Глава 2. Построение математической модели для двух объектов ,
2.2. Гидродинамические усилия
2.2.1. Гидродинамические усилия на корпусах объектов
2.2.2. Расчёт гидродинамических параметров и усилий
2.2.2.1. Влияние мелководья
2.4. Аэродинамические воздействия .
2.4.1. Аэродинамические воздействия на корпус судна
2.5. Воздействия на суда морского волнения
2.5.1. Постоянные составляющие воздействия регулярного волнения
2.5.2. Переменные составляющие воздействия от регулярного волнения
2.5.3. Составляющие воздействия нерегулярного волнения на судно
2.5.3.1. Расчёт усилий для глубокой воды
2.5.4. Учёт мелководья при волнении
Глава 3. Исследование процесса буксировки с использованием математических моделей судов
3.1. Естественное движение буксируемого судна
3.1.1. Влияние места крепления буксирного троса 96
3.1.2. Влияние длины буксирного троса 1 100
3.1.3. Численное моделирование автоколебаний буксируемого судна 1 106
3.1.4. Регулирование процесса автоколебаний буксируемого судна 1 114
3.2. Моделирование манёвров судов в ходе буксировки
3.2.1.Усилия, действующие на объекты со стороны буксирной связи..
3.2.2. Результаты моделирования неуправляемого процесса
буксировки
3.3. Управляемое движение буксируемого судна .
Заключение
Список литературы .
- Виды буксировок
- Другие подходы к оценке управляемости буксирной системы
- Аэродинамические воздействия
- Регулирование процесса автоколебаний буксируемого судна
Виды буксировок
Буксировка – одна из наиболее сложных судовых ключевых операций. Несмотря на достаточно большой практический опыт её выполнения, нельзя уверенно говорить об изученности процесса управления буксирной системой «буксирующее судно – буксирная связь – буксируемый объект» с точки зрения его оптимальности, эффективности и, самое главное, безопасности. Примитивность понимания многих сложных проблем, связанных с обеспечением безопасности буксирных операций часто приводит к серьёзным авариям, последствия которых бывают катастрофичными.
Буксирная система представляет собой весьма сложную в управлении структуру. Трудно с уверенностью утверждать, что все детали буксирной операции хорошо изучены и не требуют определённых уточнений и усовершенствований, основанных на глубоком исследовании, например, таких мореходных качеств буксирной системы, как ходкость и управляемость. Известно, что характерной особенностью сложных буксирных операций является высокая вероятность потери ходкости и (или) управляемости буксирной системы, что в свою очередь может стать основной причиной аварий при выполнении буксировки.
Существует достаточно большое количество рекомендаций, наставлений и инструкций, направленных на выполнение норм и требований, способствующих обеспечению безопасности проведения буксирных операций различного вида и назначения. Однако до настоящего времени ни один из нормативных документов, касающихся безопасности выполнения буксирной операции, не содержит более или менее чётких рекомендаций по обеспечению управляемости буксирной системы. В частности, известное «Руководство по безопасной океанской буксировке» (далее – Руководство), разработанное Комитетом по безопасности ИМО, устанавливает только комплекс необходимых технических требований к безопасности буксируемых судов или других плавучих объектов, включая плавучие гидротехнические сооружения, плавучие технические конструкции и буровые платформы, и требований к минимизации опасности мореплавания со стороны буксируемых объектов в случае, если произошёл обрыв буксирного троса и, как следствие, посадка на мель буксируемого объекта или потеря контроля над ним [1]. Государствам – членам ИМО рекомендуется внедрять прилагаемое Руководство в практику мореплавания и довести его до сведения всех сторон, заинтересованных в проведении океанских буксировок. Целями Руководства являются обеспечение безопасности на море, предотвращение травматизма и человеческих жертв, загрязнения окружающей среды путём выполнения рекомендаций по организации и планированию буксировок. Руководство применяется при осуществлении международных океанских операций по буксировке различных объектов из одного государства в другое, но может быть использовано и для любых других видов буксировок.
Несмотря на высокий статус рассматриваемого документа, в его разделе, посвящённом планированию буксирной операции, отсутствуют рекомендации по предварительному расчёту управляемости буксирной системы. По-видимому, это связано с отсутствием разработанной общепринятой методики таких расчётов.
Известно, что ни одна буксирная операция не проводится в идеальных условиях (особенно это относится к океанским буксировкам). В то же время методика предварительных расчётов, выполняемых для обеспечения безопасности буксирной операции в сложных гидрометеорологических условиях, далека от совершенства и по многим позициям не отвечает требованиям обеспечения безопасности при управлении буксирной системой. Тем не менее эту методику продолжают использовать, несмотря на то, что уже давно разработаны более современные и достаточно надёжные способы расчётов ходкости и управляемости буксирной системы, в частности, с учётом динамики бук 12
сирной связи, что особенно важно при оценке управляемости буксирной системы. Однако необходимо отметить, что эти методики расчётов не имеют экспериментального подтверждения их адекватности и требуют детального изучения и анализа на основе результатов глубоких научных исследований. Эти исследования, на наш взгляд, должны выявить как недостатки, так и преимущества указанных методик, которые в конечном итоге должны способствовать повышению надёжности, эффективности и безопасности выполнения буксирных операций с учётом технических и технологических особенностей буксирных систем.
Следует заметить, что даже самая совершенная методика расчётов ходкости и управляемости буксирной системы при выполнении буксировки в сложных гидрометеорологических условиях не является единственным средством, способствующим повышению безопасности буксирной операции. Поэтому возникла необходимость разработки современных инновационных методов и способов управления как всей буксирной системой, так и буксирующим и буксируемым судном в отдельности. Разработка указанных методов и способов управления буксирной системой должна базироваться на использовании современных технологий управления сложными техническими структурами с применением высокотехнологичного оборудования, средств измерения параметров движения судов и навигации. Новейшие информационные технологии, современное компьютерное оборудование, а также навигационные комплексы последнего поколения позволяют создать автоматизированные системы управления движением буксирной системы. Это сложная, многоуровневая задача, решение которой потребует достаточно много времени, однако уже сегодня следует искать пути её решения, используя результаты уже выполненных научных исследований для разработки и создания современных способов и методов управления буксирной системой.
Другие подходы к оценке управляемости буксирной системы
Как следует из вышесказанного, что при подготовке к буксирным операциям расчёты, связанные с управляемостью буксирной системы, выполняются с большим количеством допущений либо вообще отсутствуют, и, как следствие, наблюдается рост аварийности мирового транспортного флота при осуществлении буксирных операций и связанных с ней убытков. Это свидетельствует о том, что проблема безопасного проведения буксирных операций до сих пор не решена и необходимы новые идеи, исследования для обеспечения более высокого уровня безопасности буксировки судов. Поэтому весьма актуальными являются исследования в области управляемости буксирной системы. При разработке одного из способов безопасного управления буксирной системой нами был получен патент на изобретение.
Необходимо напомнить, что в настоящее время широко используется способ управления траекторией движения буксируемого судна, основанный на перекладке руля направления по величине поперечного смещения буксируемого судна от кильватерной струи буксирующего судна, определяемого визуально на буксируемом судне [26], [30], [31]. Однако при буксировке данным способом не учитывается фактор невозможности визуального определения направления кильватерной струи буксирующего судна при определённых обстоятельствах, в частности при выполнении буксирной операции в условиях: – ограниченной видимости (ночное время суток, плотные атмосферные осадки, туман и др.); – сильного ветра и волнения, когда кильватерная струя буксирующего судна существенно отклоняется от его диаметральной плоскости и перестаёт быть ориентиром для буксируемого судна.
Чтобы удержать буксируемое судно на заданной траектории движения относительно буксирующего судна, необходимо вычислить отклонения носовой и кормовой точек буксируемого судна от линии ДП буксирующего судна, проведённой через носовую и кормовую точки последнего. Затем по результатам вычислений следует определить величину сигнала управления и в соответствии с его значением произвести перекладку руля на буксируемом судне.
Сущность данного способа заключается в следующем: в случае буксировки одного судна другим буксирующее судно 1 является задатчиком траектории движения для буксируемого судна 2 и любое изменение его движения по курсу влечёт изменение траектории движения буксируемого судна (рис. 1.8). На буксирующем судне в пределах его контура, в его ДП, выбираются две точки, одна из которых расположена к носу судна (точка А1 на фигуре 1), а другая – к его корме (точка В1 на рис. 1.8) относительно плоскости мидель-шпангоута. Расстояние между точками А1 и В1 выбирается в зависимости от технической возможности размещения в этих точках приёмных антенн спутниковой навигационной системы (СНС). Чем больше это расстояние, тем качественнее работа системы управления движением буксируемого судна. Координаты этих точек определяются непрерывно с высокой точностью (± 1,0 м), что стало возможным с введением в СНС береговых станций, вычисляющих и передающих на судно дифференциальные поправки.
Значения координат точки А1( ХА1 ,YА1 ) и точки В1( ХB1 ,YB1 ) позволяют непрерывно вычислять положение линии ДП буксирующего судна и передавать его на буксируемое судно.
На буксируемом судне в пределах его контура, в его ДП, выбираются две точки, одна из которых расположена к носу буксируемого судна (точка А2), а другая – к его корме (точка В2) относительно плоскости мидель-шпангоута. Расстояние между точками А2 и В2 выбирается в зависимости от технической возможности размещения в этих точках приёмных антенн СНС. Чем больше это расстояние, тем качественнее работа системы управления движением буксируемого судна. Координаты этих точек определяются непрерывно с высокой точностью (±1,0 м). Непрерывное определение значений координат точек А2( ХА2 ,YА2 ) и В2 ( ХB2 ,YB2 ) буксируемого судна позволяет непрерывно вычислять поперечные смещения точки А2 (dA2 ) и точки В2 (dB2 ) от текущего положения линии ДП буксирующего судна. При этом поперечное смещение точки А2 или В2 от линии ДП буксирующего судна считается положительным, если точка А2 или В2 смещается вправо, и отрицательным, если она смещается влево относительно линии ДП буксирующего судна. Возникающие поперечные смещения точек А2 и В2 буксируемого судна относительно текущего положения линии ДП буксирующего судна вырабатывают сигнал на отклонение рулевого органа, например руля буксируемого судна, по закону = -kAdA+kBdB, (118) где кА, кв - коэффициенты усиления по поперечным смещениям носовой и кормовой точек буксируемого судна от линии ДП буксирующего судна. Это положительные величины, причём численное значение коэффициента кА больше численного значения коэффициента кВ.
Угол перекладки руля а считается положительным при его перемещении в сторону правого борта. На рис. 1.9 и 1.10 изображены варианты возможных отклонений буксируемого судна от ДП буксирующего судна при перекладке руля. Например, на рис. 1.9 ДП буксирующего судна пересекает линию ДП буксирующего судна под некоторым углом, величина которого характеризуется значениями поперечных смещений точки А2 (dA2) и точки В2 (dB2), причём J больше 0, dB меньше 0 и dA меньше 0, dB больше 0 (рис. 1.10). В первом случае согласно закону (1.18) угол отклонения руля буксируемого судна будет иметь отрицательное значение, т. е. руль будет переложен на левый борт и судно начнёт вращение влево, что приведёт к уменьшению dA и dB и к выходу буксируемого судна на линию ДП буксирующего судна; во втором случае согласно закону (1.18) угол отклонения руля буксирующего судна будет иметь положительное значение, т. е. руль будет переложен на правый борт и буксируемое судно начнёт вращение вправо, что приведёт к уменьшению dA и dB и к выходу судна на линию ДП буксирующего судна.
Аэродинамические воздействия
Морское волнение – очень важный фактор, учёт которого необходим, поскольку он существенно влияет на поведение обоих швартующихся судов. Величина гидродинамических сил и моментов, возникающих при воздействии волнения на корпусах судов, зависит от частоты и высоты волн, а также от направления их преимущественного распространения; при этом скорости судов влияют на результат расчёта, так как они определяют частоту волнового воздействия.
В соответствии с традиционным подходом воздействия от волнения разделим на детерминированные и случайные, а детерминированные, в свою очередь, – на постоянные и переменные. Детерминированные воздействия являются следствием действия регулярного морского волнения, случайные происходят от нерегулярного волнения, и их можно оценить статистически, используя обычные характеристики – средние значения и дисперсии силовых воздействий.
Постоянные составляющие вычисляются с помощью трёх формул, структурно похожих на формулы для расчёта гидродинамических или аэродинамических усилий: – коэффициенты продольного и поперечного воздействий и момента. Эти коэффициенты должны определяться экспериментально на натуре или на моделях и затем переноситься на конкретное судно в соответствии с принципами теории подобия. Однако данных таких экспериментов известно крайне мало, поэтому в подобных расчётах обычно используются результаты для судна объёмным водоизмещением 17 900 м3 и полнотой водоизмещения 0.58 [30, с. 60]. Эти результаты приведены только для курсовых углов набегания волны qw от 0 до 90 от ДП в направлении от кормы к носу, так как указанное движение судна относительно волнения наиболее опасно в плане его управляемости. Мы пересчитаем углы набегания волны к привычному для нас отсчёту угла от ДП в направлении от носа к корме, делая этот отсчёт единым для всех воздействий. Кроме того, распространим результаты на диапазон углов от 0 до 180 по принципу симметричного отражения относительно миделя поперечного усилия и асимметричного для продольного усилия и момента. Однако заметим, что для конкретной буксировки почти всегда можно выбрать такое направление движения судов, которое обеспечит её максимальную безопасность.
Экспериментальные кривые были оцифрованы и аппроксимированы кубическими полиномами в среде MathCad. Результаты аппроксимации даны в виде коэффициентов А, В, С, D при степенях относительной длины волны X = X/L [2.12] (табл. 2.13 - 2.15).
В формулах (2.26) zc - погружение центра величины под ватерлинией, а редукционные коэффициенты Хікр и Х2кр находятся с помощью формул А.Н. Крылова как функции параметра ц = &Lcos(grw) = 2TC(L/A,)COS( W) или параметра р = (2TC/A,)COS( W). Эти формулы носят интегральный характер, под интегралом в них используется зависимость площади шпангоутов со(х) от продольной координаты х:
Для того чтобы можно было воспользоваться этими формулами, следует с помощью теоретического чертежа судна получить так называемую строевую по шпангоутам со(х) (со - площадь шпангоута). С этой целью координаты шпангоутов, взятые из теоретического чертежа танкера при различных состояниях его загрузки, оцифрованы и использованы для расчёта их площади. В свою очередь, значения площадей шпангоутов в среде MathCad были аппроксимированы степенной функцией - полиномом пятой степени координаты шпангоутов х для т/к типа «Астрахань»:
Теперь в среде MathCad можно реализовать интегральные формулы (2.27) для редукционных коэффициентов Хікр и Х2кр, поскольку эта среда имеет встроенные значения функций Бесселя. В результате таких расчётов получаем две зависимости для коэффициентов Хікр и Х2кр отдельно для танкера в грузу и порожнем, а затем аппроксимируем эти зависимости функцией вида ікр(2кр)(/?)= і е 2Х cos(k3x2 + к4\ которая содержит четыре параметра к\-к4. Используя механизм аппроксимации MathCad, находим данные параметры для всех четырёх вариантов. Полученные результаты представим в виде комплексной таблицы на рис. 2.6. После вычисления редукционных коэффициентов можно определить поперечное усилие (рис. 2.7) и вращающий момент (рис. 2.8). Их значения для волны высотой 1.9 м, длиной 36 м, частотой 1.3, вызванной действием ветра со скоростью 10 м/с, приведены как функции угла набегания волны.
В произведённых расчётах учтено движение судов при буксировке. Для этого использовалась формула определения кажущейся частоты набегающей волны
В нашем случае при максимальной скорости буксировки и = 2.5 м/с и нулевом значении курсового угла имеем 11 %-е увеличение поперечного усилия и 9 %-е увеличение момента (в других случаях это увеличение ещё меньше).
Особую проблему представляет определение продольного усилия от действия волны в направлении ДП судна (ось ОХ). В ряде источников [35], [36] приводятся различные формулы для вычисления этого усилия. Выберем формулу, предложенную М.Д. Хаскиндом [35],[36] достоинство которой заключается в возможности найти осевое усилие для всех направлений набегающей волны pw. Кроме того, по своей структуре она подобна формулам А. Н. Крылова и сохраняет стереотипность вычислений. Согласно этой формуле
Здесь кроме известных величин фигурируют два редукционных коэффициента: xd - коэффициент влияния осадки d; %L - коэффициент влияния длины судна L. Оба коэффициента оперируют относительными величинами осадки и длины судна по сравнению с длиной регулярной волны X. Коэффициент jj зависит от вертикальной полноты судна х и определяется по формуле
Регулирование процесса автоколебаний буксируемого судна
Результаты ещё одного варианта набора характеристик буксировки показаны на рис. 3.8, а именно Т = 300 кН, xT = 0.4, = 3 м/с, l = 2L. Здесь изменены и скорость буксировки, и длина буксирного троса. При таком наборе процесс изменения переменных параметров переходит в режим автоколебаний при буксировке.
Развитие колебаний первых производных параметров т/к типа «Астрахань» в грузу для Т = 300 кН, хт = 0.4, и = 3 м/с, / = 2L Анализ представленных результатов позволяет сделать вывод о том, что автоколебания т/к типа «Астрахань» в грузу вызывают: - уменьшение плеча буксирного троса; - уменьшение длины троса; - уменьшение напряжения в тросе.
Представим результаты для т/к типа «Астрахань» в балласте графически. На рис. 3.9-3.11 изображены процессы развития колебаний параметров для различных значений натяжения в тросе: 500, 300 и 100 кН. Относительное значение абсциссы точки крепления буксирного троса на буксируемом судне выбрано равным 0.5, длина троса - ЪL, скорость буксировки - 4 м/с. Как следует из графиков, поведение нашего танкера в балласте несколько иное, чем в грузу. При Т = 500 кН начальное возмущение по угловой скорости поворота затухает за 900 с, но угол дрейфа и угол наклона троса к ДП выходят при этом на некоторый не нулевой уровень: примерно 3 и 4 соответственно. Буксируемое судно движется с постоянным углом дрейфа. Напомним, что теоретически предполагалось такое поведение судна.
Дальнейшее уменьшение натяжения троса до 100 кН приводит к развитию автоколебаниям, амплитуда которых медленно увеличивается. Развитие колебаний параметров т/к типа «Астрахань» в балласте для Т = 100 кН, xT = 0.5, = 4 м/с, l = 3L Действительно, при Т = 220 кН мы получаем картину, представленную на рис. 3.12. Здесь колебания параметров идут вокруг их нулевых значений.
Рис. 3.12. Развитие колебаний параметров т/к типа «Астрахань» в балласте для Т = 220 кН, xT = 0.5, = 4 м/с, l = 3L
Однако сочетание характеристик буксировки, приведённое на рис. 3.13, даёт картину автоколебаний с медленно затухающими амплитудами, но происходящими вокруг не нулевого уровня. Всё это подчеркивает особенности буксировки более «лёгкого» объекта, что требует проведения дополнительных меро 114 приятий по «утяжелению» буксируемого объекта. Ситуацию ещё более усугубляет уменьшение плеча крепления троса и длины троса. этого воспользуемся простейшим способом такого регулирования, выбирая угол перекладки руля пропорциональным углу отклонения буксирного троса от ДП буксируемого судна. Это означает, что в правые части уравнений (3.7) мы добавим члены k-Q, при этом уравнения будут
Здесь появились новые параметры: площадь руля Fr и коэффициент Kr регулирования (усиления) по углу отклонения троса.
Решение такой системы дифференциальных уравнений позволяет получить зависимость поведения буксируемого объекта от величины коэффициента усиления.
На рис. 3.14 изображено развитие процесса автоколебаний для буксируемого т/к типа «Астрахань» в грузу при указанном наборе характеристик буксировки, который будет способствовать возникновению автоколебаний. Рис. 3.14. Развитие колебаний параметров буксируемого т/к типа «Астрахань» в грузу для Т = 300 кН, xT = 0.5, = 2 м/с, l = L
На рис. 3.15 показано поведение того же объекта в случае, когда включено управление рулём по отклонению направления буксирного троса от ДП танкера. Коэффициент усиления в модели (3.19) выбран равным 5. Такое значение коэффициента усиления позволяет демпфировать автоколебания и свести их к нулю примерно через 1 000 с. Рис. 3.15. Развитие колебаний параметров т/к типа «Астрахань» в грузу для Т = 300 кН, xT = 0.5, = 2 м/с, l = L при управлении рулём по отклонению направления троса; коэффициент усиления Kr = 116 Меньшие значения коэффициента усиления затягивают процесс демпфирования, а большие хотя и ускоряют его, но приводят к появлению постоянного угла дрейфа танкера. Варианты развития автоколебательных процессов приведены на рис. 3.16 и 3.17 для коэффициентов усиления Kr = 3 и Kr = 10 соответственно. Рис. 3.16. Развитие колебаний параметров т/к типа «Астрахань» в грузу для Т = 300 кН, xT = 0.5, = 2 м/с, l = L при управлении рулём по отклонению направления троса; коэффициент усиления Kr = Рис. 3.17. Развитие колебаний параметров т/к типа «Астрахань» в грузу
Поведение т/к типа «Астрахань» в балласте регулируется менее успешно, чем в грузу. На рис. 3.18 показано поведение т/к типа «Астрахань» при автоколебаниях. Выбор коэффициента усиления нашего регулятора даёт значение Kr = 0.08, при котором поведение танкера имеет вид, изображённый на рис. 3.19. Это наилучший вариант управления при малейших отклонениях от данного коэффициента усиления системы, однако даже и в этом случае демпфирование происходит очень медленно (примерно 3 000 с), в результате чего все параметры получают некоторые не нулевые значения. Рис. 3.18. Развитие колебаний параметров т/к типа «Астрахань» в балласте для Т = 183 кН, xT = 0.5, = 4 м/с, l = L Рис. 3.19. Развитие колебаний параметров т/к типа «Астрахань в балласте для Т = 183 кН, xT = 0.5, = 4 м/с, l = L при действии управления рулем по отклонению направления троса; коэффициент усиления Kr = 0.08
Всё вышесказанное свидетельствует о том, что такая система регулирования не обладает важным качеством астатичности, это плата за простоту системы. Для улучшения её свойств, придания ей астатичности по управляемому параметру (углу дрейфа или углу наклона троса к ДП) следует усложнить систему управления, а именно добавить к ней член с интегралом управляемого параметра, например КиJ0d0.
Моделирование манёвров судов в ходе буксировки
Все результаты и выводы относительно автоколебаний буксируемого судна при буксировке сделаны на основе математической модели, которая была описана уравнениями (3.7) и (3.8). Однако это упрощённые уравнения, обладающие рядом недостатков: - в них входит только нелинейность вида pip], остальные нелинейности вида сор и со2 или р3 не учтены; - скорость буксировки считается постоянной, так как уравнение продольного движения буксируемого судна не рассматривается; - буксирующее судно считается движущимся прямолинейно, т. е. движение буксируемого судна на нем не сказывается; - трос рассматривается как прямолинейный нерастяжимый стержень, не обладающий упругими свойствами.
Разумеется, при таких недостатках все предыдущие результаты носят ориентировочный характер и требуют уточнений в ходе дальнейших исследований. База для таких исследований была определена нами в гл. 2: это математическая модель в перемещениях, куда входят все нелинейности вплоть до третьего порядка угла дрейфа и где каждое судно движется в соответствии со своей моделью с переменными скоростями, т. е. снимаются три первых недостатка простейшей модели, указанные выше. Наиболее сложным элементом системы буксировки является трос. В предлагаемой модели системы трос остается прямолинейным стержнем, шарнирно закреплённым на судах, но ему придано свойство упругости, которое связано с относительным растяжением троса. Это значит, что длина троса изменяется в процессе движения и от этой длины зависит сила его натяжения, влияющая на движение обоих судов - и буксирующего, и буксируемого.
