Введение к работе
Актуальность проблемы. Необходимая безопасность плавания судна обеспечивается как его высокими навигационными качествами, эффективностью и надежностью технических средств судовождения, так и высокой профессиональной подготовкой судоводителей. С целью прогнозирования и совершенствования навигационных качеств судна, профессиональной подготовки судоводителей с помощью тренажеров создаются и постоянно совершенствуются математические модели его движения.
Специфика условий плавания по внутренним водным путям - весьма стесненные габариты судового хода по глубине, ширине и кривизне, извилистый судовой ход, требующий частого изменения курса, интенсивность движения во встречном, попутном, поперечном направлениях при ограниченной зоне видимости, частота привально - отвальных операций и маневрирование на рейдах предъявляет высокие требования к маневренным характеристикам судна. За исключением движения по крупным озерам и водохранилищам, судно постоянно совершает весьма сложные маневры, носящие ярко выраженный неустановившийся характер при лоцманском (визуальном) методе управления.
Средствами, обеспечивающими управляемость судна, являются рулевые органы или, шире, движительно - рулевые комплексы. От их правильного расчета и проектирования, а также наиболее полного учета всех факторов, влияющих на поведение судна при маневре, зависит в конечном счете безопасность плавания. Одним из таких факторов, наряду с усилиями, создаваемыми движительно - рулевым комплексом, а также корпусными усилиями неинерционной природы, являются гидродинамические усилия, порождаемые инерционностью системы «судно - жидкость», действие которых на поведение судна учитывается в виде влияния присоединенных масс жидкости. При этом присоединенные массы при движении в условиях ограниченного фарватера могут достигать величин, соизмеримых с массой самого судна, поэтому не учет присоединенных масс или использование для их определения некорректных методик расчета может заметно исказить адекватность математической модели реальному процессу движения судна.
В силу сказанного уточнение математической модели путем создания практического метода определения присоединенных масс транспортных судов, учитывающего специфику речного судовождения, представляется весьма актуальным и своевременным. Заметим также, что расчет неустановившихся режимов движения судна (разгон, свободное и активное торможение, прохождение лимитирующих поворотов реки, уклонение от внезапно возникшего навигационного препятствия и т.д.) имеет первостепенное значение при создании судоводительских тренажеров для выработки у обучающихся профессионально грамотных навыков работы.
Цель работы. Диссертационная работа посвящена углубленному изучению гидродинамических аспектов безопасности движения судов по водным путям при выполнении ими разнообразных маневров неуста нови в ше-
гося характера путем создания полностью алгоритмизованного метода определения присоединенных масс транспортных судов, основанного на теоретических исследованияхтіутем прямого моделирования нестационарных режимов движения судна и разработку на его базе уточненной математической модели для расчета неустановившихся режимов движения судна.
МетоОы исследования. В диссертации использованы как экспериментальные, так и теоретические методы исследования.
Теоретические методы, базирующиеся на методе плоских сечений, методе комплексного потенциала и т.п., использованы при конструировании приближенного теоретико- экспериментального метода определения присоединенной массы при поперечном обтекании корпуса судна, присоединенного момента инерции и присоединенного статического момента.
Систематические экспериментальные исследования проводились на специальных установках, позволяющих осуществлять равноускоренное и равнозамедленное движение моделей судов в прямом и циркуляционном бассейнах с высокой степенью стабилизации скорости и ускорения, спроектированных и изготовленных под руководством и при непосредственном участии автора.
Измерение динамических и кинематических величин производилось на спроектированном и изготовленном под руководством автора регистраци-онно-измерительном комплексе на базе персональной ЭВМ.
Адекватность математической модели реальному процессу движения судна контролировалась путем проведения натурных испытаний судов на Новосибирском водохранилище (с помощью регистрационно-нзмеритель-ного комплекса на базе персональной ЭВМ для получения и обработки кинематических характеристик и вычисления траекторных характеристик движения судна) и на Горьковском водохранилище (методом подвижного базиса).
Научная новизна, выносимая на защиту:
метод исследования неустановившихся режимов движения водоиз-мещаюших объектов путем прямого их моделирования;
метод расчета присоединенной массы транспортных судов при продольном обтекании корпуса судна с учетом ограниченной глубины и волнообразования на свободной поверхности и углов дрейфа, основанный на прямом моделировании нестационарного движения судна;
теоретико-экспериментальный метод расчета присоединенной массы транспортных судов при поперечном обтекании корпуса судна с учетом ограниченной глубины и волнообразования на свободной поверхности, углов дрейфа и кривизны траектории, основанный на теоретическом методе плоских сечений и прямом моделировании нестационарного движения судна;
теоретико-экспериментальный метод расчета присоединенного момента инерции транспортных судов с учетом ограниченной глубины и волнообразования на свободной поверхности, углов дрейфа и кривизны траектории, основанный на теоретическом методе плоских сечений и прямом моделировании нестационарного движения судна;
- теоретический метод расчета присоединенного статического момента
транспортных судов, с учетом ограниченной глубины и волнообразования
на свободной поверхности, основанный на теоретическом методе плоских
сечений и позволяющим оценить его величину и степень влияния на адек
ватность математической модели реальным параметрам движения судна.
- уточненная математическая модель движения самоходных транс
портных судов.
Практическая ценность работы состоит в том, что полученная уточненная математическая модель может быть использована службами движения пароходств при планировании вида флота для освоении новых линий, судоходными инспекциями пароходств для объективного анализа причин аварий, службами Речного Регистра для паспортизации судов, научными организациями для расчетов нестационарных режимов движения судов и разработки норм управляемости и проектными организациями при выборе типа и необходимых размерений движнтелыю-рулевых органов.
Экспериментальные установки, смонтированные автором в прямом и циркуляционном бассейнах НГАВТ, позволяют решать ряд задач по моделированию нестационарных режимов движения судов и других транспортных объектов различного типа и назначения. В опытовых бассейнах НГАВТ под руководством автора проведены всесторонние исследования нестационарных режимов движения амфибийных транспортных средств.
Реализация результатов работы. Метод расчета присоединенных масс транспортных судов, разработанный диссертантом:
опубликован в книге "Ходкость и управляемость судов" под редакцией В.Г. Павленко, М.,Транспорт, 1991;
использован в математической модели криволинейного движения судов при расчете различных критериальных маневров судов в процессе разработки «Норм управляемости судов и составов внутреннего и смешанного плавания» Речного Регистра России.
Математическая модель движения судна, конкретизированная новым методом расчета присоединенных масс:
применена в судоводительском тренажере огонькового типа, приобретенном кафедрой судовождения и охраны труда НГАВТ.
применяется для расчетов маневрирования судов, совершивших аварии, и объективного анализа причин аварий в речных пароходствах.
использована при создании планшетного судоводительского тренажера, используемого НГАВТ и ВГАВТ для профессиональной подготовки судоводителей.
использована для расчетов при написании «Справочника маневренных
качеств судов и составов». ,
Сконструированные и смонтированные в бассейнах диссертантом экспериментальные установки использованы:
кафедрой судовождения и безопасности судоходства ВГАВ.Т при выполнении научно-исследовательской работы «Выполнить теоретико-экспериментальные исследования и определить допустимые скорости дви-
жения судов в ледовых условиях» для проведения испытаний по определению присоединенных масс ледокольных и транспортных судов в искусственном битом льду;
при выполнении НИР кафедрой теории и устройства корабля НГАВТ "Разработка и изготовление действующей крупномасштабной модели многозвенного изгибаемого состава" по заказу ГНТУ МРФ РСФСР;
при выполнении НИР кафедрой теории и устройства корабля НГАВТ "Исследование альтернативных источников энергии";
при проектировании и изготовлении новых судов фирмой "Верфи Сибири".
Апробация работы. Основные научные положения и результаты обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях Новосибирской государственной академии водного транспорта и Западно-Сибирского правления НТО ВТ в 1984, 1985, 1986, 1987, 1988,1989,1990,1991, 1992, 1993, 1994, 1995, 1996 г.г., на всесоюзной конференции по проблемам улучшения водоходных качеств амфибийных машин (Москва, 1988), на международной конференции по проблемам гидромеханики судна (Одесса, 1992), на Третьей Международной научно- технической конференции, посвященной 300-летию флота России (С.-Петербург, 1996), на Втором Сибирском Конгрессе по Прикладной и Индустриальной Математике (ИНПРИМ-96), посвященном памяти А.АЛяпунова (1996), на научно-технической конференции Нижегородской государственной академии водного транспорта, посвященной 300-летию флота России (1996).
Автор, совместно с В.Г.Павленко, является лауреатом премии академии транспорта России, присужденной им в 1993г. за работу "Исследование присоединенных масс речных судов".
Публикации. Основные материалы диссертационной работы опубликованы в двадцати семи авторских публикациях, включая две монографии (см. перечень публикаций в конце автореферата). Кроме того, материалы исследований содержатся в 4 отчетах по НИР.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и четырех приложений. Содержание диссертации изложено на 297 страницах, включая 88 рисунков и 26 таблиц. Список литературы содержит 181 наименование. Приложения на 78 страницах содержат 54 рисунка и одну таблицу.
