Введение к работе
Актуальность темы. Одной из современных тенденций развития высокоскоростных перевозок является применение морских паромов, перевозящих автомобильную технику и пассажиров. В настоящее время в сегменте высокоскоростных паромов строятся суда различных конструктивных исполнений - однокорпусные суда, суда на подводных крыльях (СПК), однако большую часть составляют катамаранные суда гибридного типа.
Подобные суда применяются в двух основных направлениях: как высокоскоростные суда для перевозок пассажиров и как автомобильно-пассажирские паромы, ориентированные преимущественно на морские высокоскоростные перевозки особенно при движении на взволнованной поверхности моря. Причем наиболее приемлемы в качестве морских автомобильно-пассажирских паромов именно суда катамаранного типа, так как по требованиям мореходности они обладают значительными преимуществами по сравнению с однокорпусными и особенно с судами на подводных крыльях. Доля автомобильно-пассажирских паромов катамаранного типа, находящихся в эксплуатации в современном пассажирском флоте, составляет более половины от общего количества судов.
Отличительной особенностью судов с катамаранной формой корпуса являются большие полезные площади палуб и платформ для размещения пассажиров и грузов, а также связанная с этим высокая поперечная остойчивость, что особенно важно при движении на волнении. Увеличение же сопротивления катамарана при движении (по сравнению с однокорпусными судами) компенсируется за счет применения дополнительных средств гидродинамической разгрузки, в качестве которых могут использоваться системы разгрузки с помощью воздушной подушки (статической или динамической), подводных крыльев или комбинированные схемы разгрузки (подводные крылья в сочетании с воздушной подушкой, интерцепторами, управляемыми транцевыми плитами, скуловыми рулями и т.д.).
Применение в качестве систем разгрузки крыльев или их сочетаний обеспечивает повышение скорости движения с одновременным снижением вредного воздействия волнения на пассажиров и грузы. Все это объясняет актуальность темы диссертационной работы.
В нашей стране изучением катамаранов впервые занялся профессор М.Я. Алферьев. Также свой вклад внесли работы В.А. Дубровского, А.Г. Ляховицкого, Ю.Ф. Орлова.
Систематические исследования по экспериментальному определению мореходных качеств катамаранных судов выполнялись ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, в Николаевском кораблестроительном институте и в Ленинградском кораблестроительном институте (в настоящее время Санкт-Петербургский государственный морской технический университет).
Один из наиболее важных вопросов эксплуатации катамаранов - их поведение в условиях морского волнения. Вопросы гидродинамики качки катамаранных судов изучались Я.М. Элисом, Е.М. Коганом, Ю.Л. Воробьевым. Расчеты гидродинамических сил и моментов, действующих на корпуса катамарана, в том числе с подводным крылом, в условиях волнового воздействия различного вида, приведены в работах Е.М. Когана. Профессор Ю.В. Ремез совместно с Е.М. Коганом и В.А. Некрасовым проводил расчеты вероятностных характеристик качки катамарана на нерегулярном волнении.
С целью повышения скоростей движения судов и одновременного обеспечения высокой продольной устойчивости, получаемой от катамаранной формы корпуса, на катамаранных судах стали применять глиссирующие обводы корпусов. Исследованиям гидродинамических характеристик таких катамаранов посвящены работы С.Г. Ермолаева, Э.А. Афрамеева, Л.А. Тедера, Я.С. Рабиновича, А.М. Басина и А.Г. Ляховицкого, А.С. Павленко и С.Б. Соловья, В.П. Соколова.
Следующий шагом в направлении развития катамаранного судостроения стало внедрение катамаранов, на которых гидродинамическая разгрузка реализовывалась как за счет специальных форм корпуса, так и за счет применения подводных крыльев, в том числе и автоматически управляемых, используемых, в том числе и как средство успокоения качки. За рубежом первые патенты на катамараны с подводными крыльями получили в середине прошлого века W.H. Amster, V. Bush, P.A. Scherer (USA). Экспериментальному изучению катамаранов с подводными крыльями посвящены работы профессора K.G. W.Hoppe (Stellenbosch University, Republic of South Africa).
В нашей стране исследования по этой тематике представлены работами Б.М. Сахновского и Э.Б. Сахновского, А.Б. Лукашевича, А. В. Шалларя, Б.В. Косова, Э.Л. Амромина, Вик.И. Хазовой. Обобщение существующих работ по взаимодействию двух тонких корпусов было проведено в монографии М.Я. Алферьевым и М.Г. Мадорским. В дальнейшем эта тематика была развита Ю.Ф. Орловым, изучавшим проблему определения полного сопротивления катамаранного судна, а также взаимодействие корпусов катамарана с крыльевым устройством.
Разработке асимптотических методов гидродинамического расчета подводных крыльев посвящены работы А.Н. Панченкова, К.В. Рождественского. Для повышения гидродинамических характеристик несущих систем судна в условиях движения по взволнованной поверхности воды используются крыльевые устройства сложной геометрии, например, трапециевидные. Изучением таких крыльев занимались Г.В. Соболев, А.Д. Красницкий, Э.А. Конов, В.В. Волков. Одним из способов повышения устойчивости судна на крыльях на ходу стало применение V-образных или стреловидных крыльев вместо плоских прямоугольных в плане. Характеристики крыльев V-образной формы изучались В.И. Блюминым, М.Б. Масеевым, М.Г. Кулаевым, М.Е. Рабиновичем, Я.Ф. Фарберовым, стреловидные - Е.А. Крамаревым, Г.В. Сусловым.
Методы расчета гидродинамических характеристик подводных крыльев системы «тандем» были разработаны В.Т. Соколовым, Э.А. Коновым, А.Д. Красницким, взаимодействие крыльев с корпусом изучалось Ю.Ф. Орловым.
Решение задачи механизации крыла, а также исследование движения подводного крыла с отклоненным закрылком, обеспечивающим регулирование подъемной силы, проводилось в работах М.А. Басина, В.П. Шадрина, Н.Б. Плисова, К.В. Рождественского, В.К. Трешкова, А.Б. Лукашевича, Y.T. Shen, R. Epplert.
При движении судна с крыльями на переходных режимах, которым соответствуют случаи разгона и выхода на крылья, торможения, а также движения на волнении, его двигательно-движительная установка испытывает значительные перегрузки. Расчеты переходных режимов движения, в том числе с учетом изменения режима работы энергетической установки и средств управления проводили В.И. Небеснов, С.К. Ерохин, А.М. Седор, В.И. Плющаев.
Также большое внимание уделялось изучению мореходных качеств судов на подводных крыльях. Этой теме посвящены работы Э.А. Афрамеева, И.Т. Егорова, В.Т. Соколова, M. Krezelewski, B.I. Russel, F. van Walree, C. Buccini, P.A. Genova, H. deWitt, S. Yasuo, O. Masasi, I. Tetsuro, A. Motohide.
Для судов на подводных крыльях важными являются вопросы остойчивости при ходе в основном режиме движения. Одним из параметров, позволяющих оценить остойчивость таких судов, является восстанавливающий момент крыльевого устройства. Расчеты по определению его величины проводились В.Н. Анфимовым и В.Б. Старобинским, Г.А. Гошевым, И.Т. Егоровым, А.Н. Смирновым, А.Н. Ивановым, А.Д. Красницким, В.Я. Скворцовым и Г.А. Алчуджяном.
Также проводились исследования гидродинамических характеристик судовых движителей, в качестве которых на катамаранных судах используются кавитирующие гребные винты и водометы. Практические методы расчета движителей на основе вихревой теории Н.Н. Поляхова разрабатывали Ю.М. Садовников, сотрудники Болгарского института гидродинамики судна (г. Варна) P.G. Kozhukharov, Z.Z. Zlatev, V.H. Hadjimikhalew.
На основании изложенного можно определить, что исследование мореходных качеств катамаранов с подводными крыльями является актуальным.
Целью работы является создание методов расчета мореходных характеристик высокоскоростного катамарана с подводными крыльями на основе математической модели движения судов этого типа.
Задачи исследования. В диссертационной работе рассматриваются следующие основные задачи:
создание математической модели динамики высокоскоростного катамарана с подводными крыльями в вертикальной плоскости;
определение гидродинамических характеристик несущих поверхностей высокоскоростного катамарана с подводными крыльями на тихой воде и волнении путем проведения модельных испытаний;
исследование разгона высокоскоростного катамарана с подводными крыльями до скоростей, соответствующих эксплуатационному режиму движения в условиях тихой воды (разгон в закрытой акватории);
исследование хода высокоскоростного катамарана с подводными крыльями на волнении путем проведения модельного эксперимента;
создание методов расчета мореходных качеств высокоскоростного катамарана с подводными крыльями;
определение границ применимости высокоскоростного катамарана с подводными крыльями в условиях волнения по заливаемости и по испытываемым перегрузкам.
Объектом исследования диссертационной работы является высокоскоростной катамаран с подводными крыльями, обладающий необходимой мореходностью, основное применение которого связано с морскими пассажирскими паромными перевозками.
Методы исследования. В диссертационной работе используются методы математического моделирования на основе дифференциальных уравнений движения высокоскоростного катамарана с подводными крыльями, экспериментально-теоретические методы определения гидродинамических характеристик несущих поверхностей высокоскоростного катамарана с подводными крыльями, методы исследования судового комплекса в составе несущей поверхности «движитель – главный двигатель».
Научная новизна. Разработка методов расчета мореходных качеств высокоскоростного катамарана с подводными крыльями потребовала выполнения ряда теоретических исследований и практических расчетов. В частности, автором диссертационной работы впервые:
разработана система дифференциальных уравнений движения высокоскоростного катамарана с подводными крыльями в вертикальной плоскости с учетом работы энергетической установки при ходе в переходных режимах и на волнении;
выполнен анализ методов определения гидродинамических характеристик крыльевого устройства катамарана, определены присоединенные массы жидкости и коэффициенты демпфирования для корпусов катамарана и несущих поверхностей, гидродинамические характеристики судовых рулей и кавитирующих гребных винтов;
выполнены модельные испытания высокоскоростного катамарана с подводными крыльями с целью определения гидродинамических характеристик его элементов на тихой воде и на волнении;
выполнен расчет перегрузок при движении высокоскоростного катамарана с подводными крыльями на волнении и определены ограничения применимости такого судна в условиях волнения по заливаемости и по испытываемым перегрузкам.
Практическая значимость работы заключается в создании методов и алгоритмов, позволяющих:
на основе математической модели динамики высокоскоростного катамарана с подводными крыльями выполнять расчеты его разгона;
выполнять расчеты мореходных качеств, включая расчет перегрузок при ходе на волнении;
определять предельные значения мощности главных двигателей при выполнении перечисленных маневров.
На защиту выносятся следующие основные положения, разработанные автором:
математическая модель динамики высокоскоростных катамаранов с подводными крыльями на переходных режимах движения и на волнении;
метод расчета разгона высокоскоростного катамарана с подводными крыльями;
метод расчета хода высокоскоростного катамарана с подводными крыльями на волнении с определением перегрузок и условий заливаемости.
Достоверность результатов, полученных в работе, и их обоснованность подтверждены результатами модельных испытаний высокоскоростного катамарана с подводными крыльями в опытовом бассейне Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева, а также сопоставлением с данными, полученными при экспериментально-теоретическом исследовании судов этого типа.
Реализация работы. Разработанные в диссертационной работе модели и методы нашли применение при выполнении проектно-конструкторских работ ОАО «Конструкторское бюро по проектированию судов «Вымпел», ОАО «ЦКБ по СПК им. Р.Е. Алексеева» в учебном процессе кафедры «Теоретическая и прикладная механика» ФГБОУ ВПО НГТУ им. Р.Е. Алексеева при преподавании дисциплины «Транспортная логистика», а также при выполнении госбюджетной темы Министерства образования и науки РФ по заказ-наряду №1.427.03 в 2007-2009 гг.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались:
на Всероссийской научно-методической конференции «Информационные технологии в учебном процессе» в Нижегородском государственном техническом университете им. Р. Е. Алексеева, г. Н. Новгород, 2008 г;
на Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии в кораблестроительном и авиационном образовании, науке и производстве» в Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева, г. Н.Новгород, 2009 г.;
на молодежных научно-технических конференциях «Будущее технической науки» в Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева, г. Н.Новгород, 2009 и 2011 г.
Публикации. По результатам исследований, представленных в диссертационной работе, опубликовано 7 научных работ, в том числе две в издании, рекомендованном ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и рисунков. Она содержит 138 страниц машинописного текста, 54 рисунка, библиографию из 246 наименований, в том числе 19 на иностранных языках.
Похожие диссертации на Разработка методов расчета мореходных качеств высокоскоростного катамарана с подводными крыльями
