Введение к работе
Актуальность темы. Современное развитие быстроходных, судов определяется распространением комбинированных гидродинамических, несущих систем, представляющих сочетание глиссирующих корпусов,, в том числе катамаршгаого типа и с . воздушной каверной, крыльевых устройств сложной геометрии, погруженных корпусов с вертикальными стойками, пересекающими свободную поверхность, а также другие гидродинамические компоновки. В частности, для судов на подводных крыльях (СПК) в дополнении к традиционным крыльевым устройствам на малопогружешшх подводных крыльях и с глубокопогруженными автоматически управляемыми подводными крыльями в последние годы созданы гидродинамические комплексы "подводные крылья -глиссирующие корпуса катамарана (с воздушной каверной или без нее) -полностью погруженные корпуса", имеющие повышенные ходовые и мореходные качества.
Анализ существующих методов проектирования быстроходных судов показывает, что в настоящее время формируется технология проектирования судов этого типа с применением аналитических методов расчета гидроаэродинамических характеристик несущих поверхностей сложной геометрии, ходкости, мореходности, управляемости в виде специализированных автоматизированных систем. В связи с развитием такого системного подхода необходимым является создание логически' согласованных динамических модулей, функциональное назначение которых заключается в расчете динамики быстроходных судов на основе общей математической модели, учитывающей взаимодействие несущих поверхностей, двигательно-движительной установки и средств управления,
Такая постановка проблемы предопределяет решение следуюшдо
основных задач: '* ,.;-..:.>...
- расчет гидроаэродинамических характеристик несущих
поверхностей и средств управления в условиях переменной посадки вблизи
свободной поверхности воды;
определение величин присоединенных масс жидкости; коэффициентов демпфирования и их производных в условиях постоянного изменения формы смоченных поверхностей несущих элементов;
- учет переменного режима работы энергетической установки при
ходе на волнении, по криволинейной траектории, на переходных режимах
движения; '":
- создание нетрадиционных средств управления быстроходными судами, обеспечивающими эффективную управляемость независимо от положения судна относительно свободной поверхности воды.
Таким образом, развитие эффективных аналитических методов расчета гидроаэродинамических характеристик несущих поверхностей и средств управления быстроходных судов позволяет обратиться к уровню определения их динамических характеристик в режиме сервисного сопровождения всех стадий проектирования судового комплекса. Решение такой задачи возможно на основе пространственной схемы динамики быстроходных судов с различной гидродинамической компоновкой с учетом взаимодействия несущих поверхностей, движителей, энергетической установки и средств управления. В связи с этим тема диссертационной работы, связанная с математическим моделированием пространственного движения, созданием взаимно согласованных методов расчета ходкости, мореходности, управляемости и переходных режимов движения быстроходных судов, является актуальной.
Цель работы заключается в создании теоретически и
экспериментально обоснованных методов расчета динамики
быстроходных судов, имеющих необходимое согласование с расчетом гидродинамических, инерционных и демпфирующих характеристик быстроходных судов при различных режимах работы средств управления, движителей и энергетической установки. Организационно и технологически эти методы алгоритмизированы в виде функционального наполнения динамических модулей, работа которых предусматривается как в автономном режиме, так и в режиме сопровождения систем автоматизированного проектирования.
Научная новизна. Разработка математической модели динамики быстроходных судов и ее практическое представление в виде алгоритмов и программ потребовала выполнение рада теоретических и экспериментальных исследований, а также опытно-конструкторских разработок.
В частности, автором диссертационной работы впервые выполнено: разработана система дифференциальных уравнений пространственного движения быстроходных судов с учетом взаимодействия несущих поверхностей, средств управления, движителей и энергетической установки, влияния инерционных и демпфирующих характеристик на динамику судов в условиях переменной посадки;
- определены алгоритмы расчета гидродинамических характеристик корпусов, включая глиссирующие корпуса с воздушной каверной (плоская задача), крыльевых устройств сложной геометрии при пространственном характере движения и других составляющих гидродинамического комплекса в виде функциональных зависимостей от кинематических параметров движения и геометрических характеристик судна, что позволяет определять гидродинамические силы и моменты на несущих поверхностях в любой момент времени и для любого положения судна относительно свободной поверхности воды;
- выполнены модельные испытания корпусов и крыльевых устройств
быстроходных судов по определению их гидродинамических
характеристик с учетом взаимодействия в скоростных опытовых бассейнах
и на ротативной установке;
- разработан и защищен авторскими свидетельствами способ
управления курсом суднз с помощью гироскопического устройства,
обеспечивающего его повышенные эксплуатационные качества, определена
область применения гироскопических средств управления, изготовлен и
прошел испытания на возможность практического применения опытный
образец устройства, разработаны основы теории движения судов с
гироскопическими средствами управления;
- разработаны алгоритмы, программы и выполнены численные
расчеты динамики быстроходных судов для различных режимов движения
(расчеты ходкости в условиях переменной посадки, циркуляционного и
возмущенного' движения в режимах плавания и хода на крыльях*
остойчивости, продольного движения на регулярном волнении, разгона при
различных законах управления главными двигателями).
Достоверность предлагаемых расчетных методов и полученных результатов подтверждается вполне -удовлетворительной .сходимостью результатов расчета динамических характеристик быстроходных судов с данными натурных испытаний, а также положительной практикой применения этих методов в проектно-конструкторской деятельности А/О "Центральное конструкторское бюро по судам на подводных крыльях имени Р.Е. Алексеева".
Практическая ценность. Практическое значение работы заключается в представлении предлагаемых методов, алгоритмов и программ расчетов, организационно и логически согласованных с инженерной деятельностью проектно-конструкторских организаций на различных уровнях
формирования гидродинамического комплекса быстроходных судов, что позволяет:
- повысить эффективность проектно-конарукторских разработок за
счет учета взаимодействия всех составляющих судового комплекса, в том
числе влияния таких, ранее не исследованных факторов, как изменение
величин присоединенных масс и коэффициентов демпфирования на
динамику переходных режимов движения;
выполнять систематическое сопоставление данных экспериментальных исследований с результатами расчетов динамических и гидродинамических характеристик проектируемых судов;
- получить экономический эффект за счет использования
автоматизации гидродинамических и динамических расчетов и
обоснованного сокращения в ряде случаев объемов дорогостоящих
модельных и особенно натурных испытаний, повышения качества
проектно-конструкторской документации.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Всесоюзных научно-технических конференциях и симпозиумах "Крыловские чтения", II Международной конференции по высокоскоростным транспортным средствам ( Китай, Шанхай), IY Международном симпозиуме PRADS-89 (Болгария, Варна), 19 Международной сессии научно-методологического семинара по корабельной гидродинамике "Применение экспериментальной техники и методов автоматизированного проектирования в гидроаэродинамике" (Болгария, Варна), YI Международном Конгрессе IMAM-93 (Болгария, Варна), Всесоюзных научно-технических конференциях "Очередные задачи речного судостроения", конференциях молодых ученых и специалистов Волго-Вятского региона, научно-технических конференциях и семинарах Нижегородского технического университета, ряда других учебных и научно-исследовательских организаций.
Публикации. По результатам исследований, представленных в диссертационной работе, опубликовано 30 научных работ и 3 авторских свидетельства, 19 работ написаны только автором, а 14, в том числе и авторские свидетельства выполнены в соавторстве, но основные результаты принадлежат автору.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и рисунков. Она содержит ! 76 страниц машинописного текста, I таблицу, 123 рисунка, библиографию из 276 наименований, в том числе 44 на иностранных языках.
На защиту выносятся следующие новые результаты, полученные автором:
- математическая модель динамики быстроходных судов на основе
системы дифференциальных уравнений пространственного движения в
условиях переменной посадки с учетом работы движителей,
энергетической установки и средств управления;
- алгоритмы расчета гидродинамических характеристик корпусов, крыльевых устройств сложной геометрии и других составляющих гидродинамического комшіекса, инерционных и демпфирующих характеристик несущих поверхностей в виде функциональных зависимостей от кинематических параметров движения и геометрических характеристик судна;
способ управления судном с помощью гироскопических средств управления, метод определения основных конструктивных характеристик устройств этого типа и теоретические основы движения судов с гироскопическими средствами управления на базе системы дифференциальных уравнений комплекса "судно-средства управления";
аналитические методы определения посадки быстроходного судна в зависимости от режима работы энергетической установки, циркуляционного движения как в эволюционном периоде, так и на установившейся циркуляции и на выходе из нее, возмущенного движения с определением тина курсовой устойчивости, остойчивости на циркуляциях и при возмущенном движении, мореходности на регулярном волнении при продольном движении при различных законах работы средств управления подводными крыльями, продольной устойчивости судов на подводных крыльях;
- аналитический метод расчета разгона быстроходного судна с
возможностью определения рационального по расходу топлива и
исключению перегрузки главных двигателей режима управления
знергетігческой установкой и учетом изменения посадки судна, его
гидродинамических, инерционных и демпфирующих характеристик.