Кутейников михаил анатольевич разработка теоретических основ и методологии комплексного нормирования мореходности с учетом прочности - polpoz.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
Студентов гр. Кс-051, Стрелка Д. В., Осадчука О. М., Забузова С. 1 27.07kb.
Законодательные основы технического нормирования и стандартизации 1 15.77kb.
стр. Понятие о сущности технического нормирования 2 стр. Методы нормирования... 1 153.17kb.
Особенности оценки морских судов как предмета залога. Условия кредитования... 1 109.45kb.
Винокуров Ю. И 1 145.19kb.
Международное уголовное право программа спецкурса ростов-на-дону 1 410.73kb.
Рабочая учебная программа дисциплины 3 318.14kb.
Суды общей юрисдикции в РФ и результаты их деятельности в 2007 г 1 44.22kb.
Дмитрий Волков Контактная информация: Email 1 46.88kb.
Методичні вказівки до лабораторних занять 1 596.6kb.
Евгений Абызов, Сарик Андреасян, Алан Бадоев 1 58.99kb.
«Финансы индивидуальных предпринимателей и финансы населения» 1 404.99kb.
1. На доске выписаны n последовательных натуральных чисел 1 46.11kb.

Кутейников михаил анатольевич разработка теоретических основ и методологии комплексного - страница №1/4




На правах рукописи

Кутейников МИХАИЛ АНАТОЛЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ И МЕТОДОЛОГИИ

КОМПЛЕКСНОГО НОРМИРОВАНИЯ МОРЕХОДНОСТИ

С УЧЕТОМ ПРОЧНОСТИ МОРСКИХ СУДОВ

Специальность 05.08.01 –Теория корабля и строительная механика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург

2010


Работа выполнена в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет» на кафедре теории корабля

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Родионов А.А.

доктор технических наук, профессор Рахманин Н.Н.

доктор технических наук, профессор Кузнецов В.Ю.

Ведущее предприятие – Закрытое акционерное общество «Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт морского флота» (ЗАО «ЦНИИМФ»)

Защита состоится «08» июня 2010 года в 14-00 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.228.01 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет» по адресу: 190008, Санкт-Петербург, Лоцманская ул., 3. Актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале библиотеки СПбГМТУ по адресу: ул. Лоцманская, 10.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, с подписями, заверенными гербовой печатью, просим направить в адрес диссертационного совета.

Автореферат разослан « » 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,

профессор Гайкович А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В современной практике назначения ограничений по району плавания и балльности волнения, отраженной в действующих Правилах классификации и постройки морских судов Российского Морского Регистра Судоходства, приняты общие ограничения, которые могут быть назначены судам, не удовлетворяющим тем или иным требованиям, предъявляемым к судам “неограниченного” района плавания.

По этим ограничениям суда разделяются на пять категорий с указанием двух контрольных характеристик: разрешаемого удаления от берега с определенным расстоянием между местами убежища (в милях) и максимально допустимой высотой волн 3% обеспеченности от 8.5 м для I ограниченного района плавания до 3.5 м для категории III СП смешанного (река-море) плавания. Под “неограниченным” районом плавания подразумевается район плавания, для которого не назначаются ограничения по предельному удалению от места убежища и условиям погоды.

Такая классификация судов по районам плавания отражает отечественный опыт проектирования постройки и эксплуатации судов различных назначений.

При этом требования к остойчивости и прочности судов соответственно снижаются по мере ужесточения налагаемых эксплуатационных ограничений. По требованиям к остойчивости, основным критерием, который зависит от района эксплуатации, является критерий погоды “К”, представляющий собой отношение опрокидывающего и кренящего ветрового моментов. В принятой нами методике снижение уровня требований осуществляется одновременным учетом изменения расчетной амплитуды качки, влияющей на величину опрокидывающего момента, и редукцией величины расчетного давления ветра. С другой стороны снижение расчетной высоты волны позволяет изменить требования, предъявляемые к общей продольной прочности судов при ограничении района плавания.

Именно последний фактор оказался решающим при проектировании большинства судов смешанного река - море плавания, так как в силу особенностей конструкции этих судов (низкий надводный борт, большие отношения B / d и B / L (В – максимальная ширина судна на ватерлинии; d – средняя осадка), вытекающие из необходимости обеспечения проходной осадки при эксплуатации на внутренний водных путях, требования по максимальному габариту для прохода под мостами и т.п.) появляются предпосылки к существенным запасам остойчивости и, прежде всего, при обеспечении остойчивости по критерию погоды К. Вместе с тем, эти же конструктивные особенности приводят к ухудшению мореходных качеств судов на морском волнении (резкая качка, заливаемость, слеминг, потеря скорости хода на волнении и снижение управляемости и т.п.). На практике снижение мореходных качеств незаметно, пока реальные условия эксплуатации соответствуют условиям проектирования судов с учетом особенностей плавания на внутренних водных путях и ограниченного выхода в прибрежные районы морей.

Для судов ограниченного района плавания II СП снижение мореходности косвенно учитывается введением критерия ускорения К*, который приводит в ряде случаев к возникновению дополнительных ограничений на предельную высоту волн 3% обеспеченности (до 4 метров). Эти же требования предъявляются ко всем сухогрузным судам, у которых B/d > 2,5 или > 0,08 (h – начальная попереч­ная метацентрическая высота).

Усилившаяся в настоящее время тенденция к выходу речных судов в море и расширению районов их эксплуатации (в том числе с переходом к международным рейсам) привела к нарушению сбалансированной системы назначения этим судам ограничений по району плавания и допустимой балльности волнения. Среди основных причин такого нарушения следует назвать формальное использование указанных особенностей этих судов при их переоборудовании, сводящееся к удовлетворению возрастающих требований к прочности корпуса и реализации имеющихся запасов по основным критериям остойчивости (в том числе по критерию погоды К). При этом специальные вопросы мореходности остаются за рамками рассмотрения, поскольку в существующей практике нормирования отсутствуют соответствующие критерии.

Так, для судов ограниченных районов плавания III СП и II СП действующие критерии остойчивости практически одинаковые. Отличие только в использовании критерия К*, который к судам III СП не применяется, а также в использовании для этого класса судов других значений амплитуды качки в расчете критерия К. Изменение допустимой величины высоты волн 3% обеспеченности с 3.5 до 6 метров может, однако, существенно сказаться на характеристиках мореходности. При дальнейшем расширении района плавания до II и I районов (в случае установки дополнительных подкреплений и наличия соответствующих запасов для I района по остойчивости) допустимая высота волны возрастает до 8.5 метров при практически полном отсутствии возможности контроля обеспечения надлежащей мореходности. Критерий ускорения К* может в этом случае быть использован только для весьма ориентировочной оценки, в том числе и потому, что вопрос его применения к судам, имеющим иные, чем для II СП ограничения по району плавания, остается открытым до настоящего времени.

Практика показывает, что мореходность действующих судов, спроектированных для внутренних водных путей, может оказаться недостаточной с расширением района их эксплуатации в морских условиях.

Проблемы возникают в настоящее время и с вновь строящимися судами, которые при удовлетворении всем действующим критериям для судов первого ограниченного района плавания, показывают низкие мореходные характеристики.

С другой стороны, переход к эксплуатации судов типа «река-море» на международных линиях приводит к необходимости выполнения требований Международной конвенции о грузовой марке 1966 года и, позднее, 2003 года (например, к прочности и характеристикам закрытий) как для судов неограниченного района плавания. Несмотря на то, что необходимость подкрепления закрытий и увеличения вы­сот комингсов отверстий по мере расширения районов плавания представляет­ся достаточно обоснованной, также очевидно, что некоторые из положений Конвенции, применяемые к судам неограниченного района плавания, являются слишком жесткими по отношению к судам, имеющим ограничения по погоде и району эксплуатации. Требуемое подкрепление может быть более рационально определено на основании количественной оценки характеристик заливаемости палубы, которые, в свою очередь, входят в число параметров, характеризую­щих мореходность судна.

Суда любых типов и районов плавания (включая «неограниченный») могут иметь проблемы с мореходностью в зависимости от их назначения и архитектурно-конструктивного типа. Проблемы резкой качки являются весьма актуальными, например, для пассажирских судов. Суда неограниченного района плавания, имеющие «немореходные» обводы, вызванные их назначением (доковые суда, лихтеровозы) могут испытывать проблемы со слемингом.. Потеря остойчивости на попутном волнении представляет опасность для грузовых судов практически любого назначения и района плавания.

Таким образом, действующий подход к назначению эксплуатационных ограничений не охватывает существенных особенностей мореходности и прочности судов, что может приводить в ряде случаев и к необоснованному завышению пара­метров волнения, при которых допускается эксплуатация судна. С нашей точки зрения, это происходит в результате того, что при существующей практике нормирования мореходности имеется "белое пятно", особенно заметное в по­следнее время в связи с изменившейся экономической ситуацией, приведшей к необходимости эксплуатации судов смешанного плавания на международных линиях с большим удалением от берега.

В настоящей работе производится расширение нормативной базы для обоснованного назначения эксплуатационных ограничений по погоде и району плавания судов при совершенствовании Правил Российского Морского Регист­ра Судоходства на основе общего подхода к нормированию мореходности, со­гласующегося с методикой принятой при разработке новой Международной конвенции о гру­зовой марке 2003.

Предлагаемый комплексный подход к определению дополнительного общего критерия для оценки эксплуатационных ограничений судов по погоде из условий мореходности и прочности может быть использован на практике для совершенст­вования нормативных требований Регистра.

Целью настоящей работы является разработка методологических основ формирования комплексной нормативной базы по допускаемым с позиций мореходности и прочности эксплуатационным режимам движения судов на волнении.

Комплексное нормирование подразумевает выбор эксплуатационных ограничений со следующих позиций:



  • обеспечения остойчивости и мореходности;

  • обеспечения обитаемости (в зависимости от типа судов);

  • обеспечение общей прочности корпуса судна;

  • обеспечение местной прочности конструкций носовой оконечности (слеминг);

  • обеспечение прочности фундаментов и конструкций грузовых помещений.

Объекты исследования. В качестве объектов исследования выбраны суда неограниченной и ограниченных категорий плавания, эксплуатирующиеся в штормовых условиях.

Задачи и методы исследования. Для достижения целей работы решались следующие задачи:

  • выбор и экспериментальная проверка адекватной модели воздействия волнения на судно;

  • определение оптимальной нормативной вероятности неблагоприятного воздействия на судно, повреждения или катастрофического события (потери судна);

  • разработка методов формирования ограничений эксплуатационных режимов.

Внешнее воздействие волнения на судно моделировалось аппаратом гидродинамики, который позволил получать характеристики ходкости, маневренности, качки, местные и общие нагрузки на корпус в виде волновых и динамических (импульсивных) моментов, дополнительных инерционных нагрузок на фундаменты, конструкции грузовых помещений, локальных давлений от слеминга.

Для сравнительного количественного анализа уровня мореходности судов категорий неограниченного и ограниченного плавания применялся общепринятый расчетный аппарат последовательной оценки краткосрочных и долговременных вероятностных показателей с использованием ветроволновой статистики для рассматриваемых морских районов. Одновременно, положительный опыт применения на судах оперативных диаграмм штормового плавания дает основание использовать расчетную методику общего анализа мореходности судна для целей назначения эксплуатационных ограничений по погоде. Условия безопасности штормового плавания судна для стационарных ветро-волновых режимов определялись как общий результат анализа вероятностных краткосрочных показателей и их нормирования.

В теоретических исследованиях использовались элементы системного подхода, математическое моделирование, математическая статистика, основные методы теории и прочности судна.

Экспериментальные исследования проводились на моделях в опытовом бассейне ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова и на судах в натурных условиях на Ладожском озере и в Балтийском море.



Научную новизну работы составляют:

  • сформулированные на основе обзора требований различных классификационных обществ ограничения судам по волнению, районам плавания из условий остойчивости, мореходности и прочности, послужившие постановке в диссертации задачи разработки и исследования теоретических основ и методологии комплексного нормировании мореходности и прочности морских судов;

  • разработанные методики нормативной оценки мореходности транспортных судов для назначения эксплуатационных ограничений. В работе предложена номенклатура критериев мореходности и прочности, определены их нормативные уровни с учетом современного состояния методов их количественной оценки, а также разработаны методические положения расчета характеристик мореходности и прочности судов;

  • проведенные расчетные оценки мореходности судов, включающие расчеты частных показателей мореходности, обобщение данных о долговременных волновых режимных характеристиках, используемых для оценки показателей мореходности, определение краткосрочных показателей мореходности и долговременных общих показателей мореходности;

  • предложенные на основе анализа результатов расчетной оценки мореходности судов подходы к определению дополнительного комплексного критерия ограничения по погоде из условий мореходности и прочности. Разработки в части нормативных показателей мореходности базируются на проверенных автором методах вероятностного анализа характеристик мореходности судна в условиях ветра и нерегулярного морского волнения и охватывают определение и нормирование частных краткосрочных критериев для стационарного шторма, оценку показателей суммарного эффекта по всем частным критериям, расчет общих долговременных показателей с учетом режимной ветро-волновой статистики по климатическим зонам, возможные подходы к нормированию этих показателей;

  • разработанная и апробированная методология назначения ограничений по районам и сезонам плавания на базе общего подхода к нормированию мореходности и прочности, основанная на принципе равной безопасности для неограниченных и ограниченных по погоде условий эксплуатации судов различных категорий. Нормативная величина долговременных показателей мореходности на волнении в диапазоне высот волн до допускаемой высоты волны 3% обеспеченности определяется, исходя из условий неограниченного плавания, путем осреднения для ряда судов, имеющих положительную характеристику мореходности по опыту их эксплуатации.

Практическая ценность. Предлагаемые подходы и методология определения дополнительного комплексного критерия мореходности и прочности для оценки эксплуатационных ограничений судов по погоде могут быть использованы на практике для совершенствования нормативных требований по остойчивости и прочности Российской федерации, Российского морского Регистра судоходства. Предоставляют возможность разработки бортовой документации для капитана нового типа, позволяющей облегчить выбор безопасных режимов движения судна на волнении. Решение указанных задач непосредственно влияет на повышение безопасности мореплавания, вносит вклад в развитие экономики за счет более рационального учета опасных факторов при проектировании судов.

Структура и объем. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, перечня литературы (201 название). Объем диссертации 220 страниц машинописного текста, 95 рисунков и 34 таблицы.

На защиту выносятся следующие научные положения.

  • Подходы и методология определения дополнительного общего критерия мореходности и прочности при их комплексном нормировании для оценки эксплуатационных ограничений судов по погоде, которые могут быть использованы на практике для совершенствования нормативных Правил Российской федерации, Российского Морского Регистра Судоходства, разработке судовой документации для капитана.

  • Методы назначения ограничений по районам и сезонам плавания на базе комплексного подхода к нормированию мореходности и прочности, основанные на условии равной безопасности для неограниченных и ограниченных по погоде условий эксплуатации судов различных категорий.

  • Результаты расчетного анализа предложенных критериев мореходности и прочности для судов неограниченной и ограниченных категорий плавания.

Достоверность результатов. Основные теоретические положения и исходные допущения характеризуются непротиворечивостью, подтверждены данными статистики, подтверждены модельными и натурными экспериментами и существующей практикой эксплуатации судов ограниченной и неограниченной категории плавания. Расчетные методы проверялись систематическими расчетами для судов, находящихся в эксплуатации.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на отечественных и международных научно-технических конференциях: Конференция 300 лет Российскому флоту (Санкт-Петербург, Россия), STAB’97 (г. Варна, Болгария), IMAM’97 (г. Стамбул, Турция), Крыловские чтения 1998 г., MARIND’98 (г. Варна, Болгария), ISC’98 (Санкт-Петербург, Россия), IMAM’2000 (г. Неаполь, Италия), STAB’2000 (г. Лонцестон, Австралия), TEAM’2000 (Владивосток, Россия), заседаниях секции Мореходных качеств НТС РС 1997 - 2009 год, STAB’2006 (г. Рио-де-Жанейро, Бразилия). Получены Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2009 г. и Патент на полезную модель 2009 г.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 49 научных работах. Из них 28 статей, 12 докладов, 7 тезисов докладов, 1 патент на полезную модель, 1 свидетельство о регистрации компьютерной программы. 8 работ выполнено в личном авторстве, доля автора в остальных от 25 до 65%.

В изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК, опубликовано 8 статей. Из них 7 выполнено в личном авторстве, доля автора в оставшейся работе 55%.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассматриваются особенности современной практики назначения ограничений по району плавания и балльности волнения, отраженной в действующих Правилах классификации и постройки морских судов Российского Морского Регистра Судоходства и иностранных классификационных обществ.

Отмечается, что действующий подход к назначению эксплуатационных ограничений не учитывает особенностей мореходности судов, что может приводить к необоснованному завышению параметров волнения, при которых допускается эксплуатация судна, и необходимость, в связи с этим, расширения нормативной базы, с целью учета требований к мореходности судов.

Ставится цель расширения нормативной базы для обоснованного назначения эксплуатационных ограничений по погоде и району плавания судов при совершенствовании Правил Российского Морского Регистра Судоходства на основе общего подхода к нормированию мореходности, согласующегося с методикой разработки новой Международной конвенции о грузовой марке 2000.

Предлагаемый подход к определению дополнительного общего критерия мореходности для оценки эксплуатационных ограничений судов по погоде по условиям мореходности может быть использован на практике для совершенствования нормативных требований Регистра.



В первой главе дается обзор требований международных морских классификационных обществ в части мореходности. Систематизируется и анализируется практика назначения судам ограничений по волнению и району плавания из условий остойчивости и мореходности в разных странах мира.

Практика назначения судам ограничений по волнению и району плавания в различных странах находит свое отражение в Правилах ведущих классификационных обществ мира. Принятая этими обществами классификация учитывает особенности эксплуатации тех или иных судов и основана на принципе равной безопасности, в рамках которого снижение конкретных требований к остойчивости и мореходности компенсируется назначенными ограничениями.

Приведены данные по ограничениям, принятым основными классификационными обществами мира: Российским Морским Регистром Судоходства (РС), Английским Ллойдом (LR), Американским Бюро Судоходства (ABS), Бюро Веритас Франции (BV), Германским Ллойдом (GL), Дет Норске Веритас Норвегии (DNV), .Итальянским Регистром (RINA), Китайским классификационным обществом (CCS), Корейским Регистром (KR), Польским Регистром (PRS), Японским классификационным обществом (NKK).

На основе анализа существующей практики назначения ограничений ставится задача разработки и исследования теоретических основ для назначения эксплуатационных ограничений при нормировании мореходности и прочности морских судов, разработки методики нормативной оценки мореходности и расчетной апробация методики на основе данных по существующим транспортным судам (морским и смешанного плавания).

В отношении подхода к назначению ограничений из условий мореходности и прочности, отмечается, что в проблеме нормирования мореходности судов на первом месте, естественно, стоит задача рационального обеспечения неопрокидывания судна под воздействием ветра и морского волнения. Требования, базирующиеся на решении этой задачи, составляют основное содержание действующих норм остойчивости судов в различных странах и международных документах ИМО. Идеи и расчетные методы, лежащие в основе критериев изложены в трудах Аксютина Л.Р., Анфимова В.Н., Басина А.М., Авдеева Г.К., Благовещенского С.Н., Бойцова Г.В., Бородая И.К., Нецветаева Ю.А., Войткунского Я.И.

Нормирование для целей назначения эксплуатационных ограничений по погоде сегодня в этой части смыкается с задачей совершенствования требований Части IV “Остойчивость” Правил РС в направлении гармонизации с Международным Кодексом ИМО по остойчивости судов всех типов (Резолюция А.749(18)) и подготовки предложений по его дополнению.

Характерно, что в Кодексе ИМО большое внимание уделяется рекомендациям эксплуатационного характера. Имеется ввиду не только Информация об остойчивости для капитана, но и конкретные рекомендации при неблагоприятных погодных условиях с некоторыми впервые введенными числовыми показателями эксплуатационной мореходности (частота тяжелого слеминга, частота оголения гребного винта и др.). Кодекс, однако, не предусматривает эксплуатационных ограничений по районам и сезонам плавания судов, связанных с погодными условиями.

Предложенная в данной работе методология современного подхода к ограничениям по мореходности в принципе такая же, как и в подходе к ревизии Международной конвенции о грузовой марке LL - 1966 года и подготовке новой Конвенции и части В Кодекса, базирующихся на концепции перехода от статистических таблиц и эмпирических зависимостей к прямым расчетам характеристик мореходности с более полным учетом данных конкретного судна. Такой подход отражает повышение доверия к достижениям в области развития методов гидродинамического анализа и техники численного моделирования движения судна в условиях регулярного и нерегулярного волнения. Многочисленные результаты показывают, что бортовая качка большой амплитуды с учетом всех степеней свободы может приводить к опрокидыванию судна при движении на различных курсовых углах к волнам, в то время как ни “лаговый”, ни “попутный” “критерии погоды” часто не в состоянии выявить эти опасные ситуации. Для судов типа «река-море» опасность интенсивной качки в связи с подвижкой груза (как основной технической причиной многих аварий) на развитом волнении может оказаться более вероятной, так как большие амплитуды бортовой качки могут сочетаться с большими по амплитуде вертикальными и горизонтальными ускорениями от остальных видов колебаний. Важную роль играет также количественная оценка потери скорости хода и опасного уровня заливаемости палубы, бортового и днищевого слеминга, оголения гребного винта, снижения управляемости.

Поскольку безопасность судна на развитом волнении существенно зависит от управления скоростью и курсом судна, на первый план выступает учет роли “человеческого фактора” в критических ситуациях в отношении сохранения достаточной мореходности. Решение этой задачи связано с развитием новой технологии обеспечения эксплуатационной мореходности судна на базе бортовых компьютерных систем, которые становятся вместе с традиционной Информацией об остойчивости судна основным оперативным средством для капитана. Применение таких систем рекомендуется в документах ИМО.

При участии автора в ЦНИИМФ разработан новый вид Дополнения к информации об остойчивости для капитана по выбору безопасных режимов штормового плавания судна, предусматривающий ограничения по погоде и дополнительные конкретные рекомендации по безопасным скоростям и курсам в зависимости от загрузки и ветро-волновых условий в форме оперативных полярных диаграмм. Накоплен некоторый опыт применения на более 100 плавающих судах дополнений к информации об остойчивости и бортовых программных комплексов по выбору безопасных режимов штормового плавания.

В работе ставится задача комплексного нормирования из условий мореходности и прочности.

Разработка методологии назначения ограничений по районам и сезонам плавания на базе такого подхода к комплексному нормированию мореходности и прочности охватывает детерминированные и вероятностные характеристики, оценку общего уровня безопасности, проверку чувствительности критериев к изменению формы обводов и загрузки для судов традиционных и новых типов, развитие новых критериев для более полного отражения опасных ситуаций и создание новых средств эксплуатационного обеспечения мореходности с помощью бортовых компьютерных систем. Предложена программа подготовки методики.



Вторая глава посвящена рассмотрению методов расчета линейной поперечной и продольной качки на регулярном и нерегулярном волнении, а также методов расчета нелинейной поперечной качки и возникающих при этом силовых нагрузок на судно.

Линейная поперечная качка на регулярном волнении

В дальнейших исследованиях использована система дифференциальных уравнений поперечной качки в линейной постановке:



(1)

Значения возмущающих сил и моментов, а также коэффициентов присоединенных масс и демпфирования для каждого шпангоутного сечения определяются на основании решения линейной плоской задачи о колебаниях контура на регулярном волнении.

Для решения сформулированных граничных задач используется метод гидродинамических особенностей согласно которому симметричные относительно вертикальной оси потенциалы представляются в виде суперпозиции потенциалов плоского источника и симметричного мультиполя, а асимметричные потенциалы представляются как суперпозиция потенциалов плоского диполя и асимметричного мультиполя.

Неизвестными величинами являются интенсивности источников и диполей, а также комплексные интенсивности мультиполей. Записывая граничные условия на контуре через сопряженные с соответствующими потенциалами функции тока, получим для каждого случая системы уравнений относительно неизвестных коэффициентов комплексной интенсивности мультиполя. Системы решаются методом наименьших квадратов.

Для реализации вышеизложенного метода необходимо иметь аналитическую аппроксимацию шпангоутного контура, получаемую в результате его конформного отображения на внешность круга. Для расчета поперечной качки судов в качестве аппроксимаций шпангоутов использованы формы Льюиса, получившие широкое распространение в теории качки.

Ввиду того, что при бортовой качке основную роль играют силы вязкостной природы, для расчета коэффициентов присоединенных масс и демпфирования необходимо использовать номограммы Луговского - Фадеева или другие эмпирические формулы. Используются также получившие широкое распространение в расчетах бортовой качки формулы Авдеева-Анфимова



Нелинейная поперечная качка на регулярном волнении

Система дифференциальных уравнений поперечной качки с учетом нелинейных гидродинамических сил второго порядка имеет вид:



(2)

где вторые члены в правых частях уравнений являются нелинейными возмущающими силами.

Составляющие линейных и нелинейных суммарных горизонтальных, вертикальных сил и момента определялись на основании гипотезы плоских сечений, согласно которой все линейные и нелинейные задачи решались вначале для отдельного шпангоутного сечения, а затем найденные гидродинамические характеристики интегрировались по длине судна.

Для каждого шпангоутного контура составляющие нелинейных сил определялись посредством интегрирования гидродинамического давления по смоченной поверхности данного контура. Все потенциалы второго порядка определены на основании решения соответствующих нелинейных задач с учетом нелинейных граничных условий на свободной поверхности и на контуре. С учетом изложенного выведены окончательные выражения для всех составляющих нелинейных сил и момента.

Решение системы (2) находится в работе в виде:

(3)

Дважды дифференцируя выражения, подставляя найденные производные в и приравнивая коэффициенты при соответствующих функциях времени, получим две системы уравнений относительно неизвестных составляющих и , соответственно. Следует отметить, что вторая из полученных систем, вследствие зависимости суммарных нелинейных сил и момента от амплитудных характеристик, может быть решена только после решения первой системы.

Зная значения амплитуд первого и второго порядка, можно определить ускорения изолированных видов качки: вертикальной, бортовой и поперечно-горизонтальной и совместных: бортовой и вертикальной, бортовой и поперечно-горизонтальной в разных точках корпуса судна.

Продольная качка на регулярном волнении

Определив все действующие на судно силы с точностью до второго порядка малости, можно составить систему уравнений продольной качки корабля. Она будет иметь вид:



(4)

где - суммарные сила и момент первого порядка, определяемые в результате решения линейной задачи:



(5)

После определения составляющих амплитуд первого и второго порядков и ,могут быть найдены линейные, нелинейные и суммарные ускорения, возникающие при изолированных вертикальной, килевой качке и их взаимодействия.



Поперечная и продольная качки на нерегулярном волнении

Расчет вероятностных характеристик качки по заданным вероятностным характеристикам двухмерного волнения выполняется на основании формулы А.Я. Хинчина:



(6)

Также рассчитываются передаточные функции, псевдоспектры перемещений и ускорений в случае взаимодействия отдельных видов качки, а именно: бортовой и вертикальной, бортовой и поперечно-горизонтальной и вертикальной и килевой.

Псевдоспектры перемещений и ускорений определяются обычным способом.

Вертикальные перерезывающие силы и изгибающие моменты

Прочность судовых конструкций является одним из основных факторов обеспечения безопасности плавания и эксплуатационной надежности судов. Для оценки прочности требуются знания нагрузок, действующих на судно в различных условиях эксплуатации, и вызываемых ими напряжений в связях корпуса. От величины этих напряжений зависят статическая и усталостная прочность элементов корпуса и, в конечном счете, его надежность.

Для расчета прочности судов, испытывающих воздействие волнения, в общем случае необходимо знание дополнительных (по отношению к условиям на тихой воде) давлений на смоченную поверхность корпуса и распределенных по корпусу сил инерции масс судна. Те же силы, действующие на судно на волнении, определяются в задачах мореходности, что позволяет в исследованиях прочности опираться на достижение теории качки. В работе приводится метод расчета перерезывающих сил и изгибающих моментов с учетом нелинейных гидродинамических сил и моментов второго порядка. Общие выражения для вертикальной перерезывающей силы и вертикального изгибающего момента имеют вид:

(7)

где - силы тяжести;



- инерционно-демпфирующие силы;

- гидростатические силы;

- волновые компоненты гидродинамической нагрузки.

Проверка работоспособности изложенных методов проводилась путем сравнения полученных результатов с некоторыми имеющимися теоретическими и экспериментальными данными. Проведенные сравнения позволяют сделать вывод о том, что влияние эффектов, связанных с трехмерностью, на значения нелинейных сил практически не проявится, поскольку данные силы являются меньшими по величине по сравнению с линейными. Таким образом, вполне правомерно применять метод плоских сечений для расчетов поперечной качки удлиненных судов.

Расчеты АЧХ нелинейной поперечной и продольной качки проводились для различных типов судов. В работе приводятся результаты исследования влияния на значения АЧХ, вычисленных по нелинейной теории, таких факторов как: изменение метацентрической высоты, изменения B/T, взаимодействие отдельных видов качки, изменение скорости хода. Проведен также анализ результатов расчетов вертикальных перерезывающих сил и изгибающих моментов, возникающих при продольной качке судна. Расчеты данных величин проводились с учетом нелинейных гидродинамических сил для различных типов судов.

На основе анализа результатов расчетов делается вывод о целесообразности дальнейшего использования линейной модели, учитывая малое влияние нелинейности.



следующая страница >>


izumzum.ru