автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.01, диссертация на тему:Исследование особенностей продольной качки и дополнительного сопротивления морских составных судов на волнении

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

££ МОРСКОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ^ . .......=--

«г: ЛУЗЯНИН

Александр Альфредович

—

УДК 629.5.017.2/3,015.24

На правах рукописи

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ПРОДОЛЬНОЙ КАЧКИ И ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ МОРСКИХ СОСТАВНЫХ СУДОВ НА ВОЛНЕНИИ

Специальность 05.08.01 — теория корабля

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1997

Работа выполнена на кафедре теории корабля Санкт-Петербургского государственного морского технического университета.

Научный руководитель кандидат технических наук, профессор

В. В. ЖИНКИН.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ю. И. ФАДДЕЕВ;

кандидат технических наук, старший научный сотрудник А. В. КРУЛЕВ.

Ведущее предприятие — АО «Инженерный центр судостроения»

Защита состоится « » ¿ } ' 1997 г. в ч.

в ауд. на заседании диссертационного совета К 053.23.03

по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете по адресу: 190008, Санкт-Петербург, Лоцманская ул., 3.

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

Автореферат разослан « ¿¿-о

Ученый секретарь диссертационного созета кандидат технических наук, доцент

» Аи^/Х. 1997 г.

А. Д. КРАСНИЦКИЙ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Морские составные суда (МСС) - относительно новый, перспективный вид морского транспорта, появившийся в результате развития идеи о возможности разделения морского судна на грузовую (ГС) и энергетическую секции (ЭС), чтобы использовать последнюю во время стоянки грузовой секции в порту для транспортировки других грузовых секций. Применение МСС позволяет повысить эффективность перевозок за счет интенсификации использования как дорогостоящих судовых комплексов, находящихся на энергетической секции -пропульсивной установки и радионавигационного оборудования, так и экипажа.

Эффективная работа такой транспортной системы возможна только при четкой организации движения по расписанию и высоком коэффициенте ходового времени энергетических секций, для чего требуется определенный уровень ходовых и мореходных качеств морских составных судов.

В настоящее время практически отсутствуют систематизированные данные о ходовых и мореходных качествах МСС, что существенно затрудняет процесс проектирования и требует проведения экспериментальных исследований в опытовых бассейнах. Применение расчетных методЬв, разработанных для судов традиционных обводов, не всегда дает достоверные результаты и может привести к ошибкам. Так, например, пересчет на натуру результатов модельного эксперимента на тихой воде по общепринятой методике для морского составного судна "Банкальск-ББС", эксплуатирующегося на направлении Находка-порты Японии, завышает потребную мощность энергетической секции приблизительно на 15-20%. Достоверные данные о дополнительном сопротивлении морских составных судов на волнении в современной отечественной и зарубежной литературе практически отсутствуют и единственным методом его определения остается модельный эксперимент в опытовых бассейнах.

Продольная качка морского составного судна с шарнирным сцепом характеризуется продойьной качкой отдельных секций в составе, а также угловыми перемещениями секций* относительно друг друга. Теоретические предпосылки, а также экспериментальные исследования показывают, что грузовая секция является своеобразным раскачивателем энергетической секции, поэтому_амшштудЫ продольной качки ЭС в составе значительно выше амплитуд продольной качки ГС в составе, а также амплитуд продольной качки энергетической секции при ее одиночном плавании. На ЭС размещены практически все жилые и служебные помещения составного судна, поэтому ее качка и вертикальные ускорения определяют и обитаемость морского составного судна. Наконец, известно, что дополнительное сопротивление судна зависит, в основном, также от параметров продольной качки.

Особенности обводов и конструкции (рецесс в кормовой оконечности ГС, наличие шарнира) позволяют по-новому подойти к проблеме стабилизации продольной качки морского составного судна с шарнирным соединением секций.

Из приведенного следует, что создание- инженерной методики расчета характеристик мореходности МСС, а также их улучшения является актуальным и своевременным.

Пель и задачи исследований

Цель настоящего исследования - разработка расчетных методов, позволяющих в процессе проектирования оценить мореходность морского составного судна с шарнирным сцепом, а также возможности направленного влияния на его продольную качку дня уменьшения амплитуд качки и снижения дополнительного сопротивления на волнении.

Для достижения цели в работе поставлены следующие задачи:

• разработка метода учета гидродинамического взаимодействия секций в составе;

• разработка способа учета телесности судна при определении дополнительного сопротивления;

• разработка приближенного метода расчета дифракционной составляющей дополнительного сопротивления;

• разработка метода расчета дополнительного сопротивления МСС на волнении;

• разработка методики проведения экспериментальных исследований в опытовом бассейне и ее реализация;

• исследования направленного воздействия на продольную качку и дополнительное сопротивление морских составных судов возможных конструктивных решений.

Метод исследованиз

Метод исследования - экспериментально-теоретический.

Научная новизна

Научная новизна состоит в следующем:

• разработан алгоритм расчета продольной качки морского составного судна с шарнирным сцепом с учетом гидродинамического взаимодействия секций в составе;

• разработана методика и проведены экспериментальные исследования продольной качки и дополнительного сопротивления различных моделей МСС в опьлором бассейне;

• по данным, выполненных экспериментальных исследований разработан эмпирический метод экспресс оценки дополнительного сопротивления МСС с

шарнирным сцепом на волнении для использования на предварительных стадиях проектирования;

• разработан теоретический метод определения дополнительного сопротивления МСС, в основе которого лежит расчет его продольной качки;

• выполнено расчетно-экспериментальное исследование влияния на продольную качку и дополнительное сопротивление на волнении различных конструктивных решений (установка днища в рецессе ГС, положение оси шарнира по длине МСС, введение специальных стабилизирующих элементов в шарнир).

Практическая ценность работы

Разработанные алгоритм расчета продольной качки и методы определения дополнительного сопротивления на волнении позволяют в процессе проектирования достоверно определить некоторые характеристики мореходности морского составного судна с шарнирным сцепом при движении на волнении.

Реализация результатов исследований

Результаты выполненных исследований внедрены в АО "Инженерный центр судостроения" при проектировании составного судна смешанного плавания и могут быть использованы другими научно-исследовательскими и проектно-конструкторскими организациями при создании морских составных судов с шарнирным соединением секций.

Апробация работы

Основные результаты работы были изложены в докладах на Всесоюзных научно-технических конференциях: "Технические средства освоения океана", 1981; "Проблемы повышения ходкости, мореходности и улучшения маневренности судов внутреннего плавания и СД1111", ' 1983; "Экспериментальные методы исследования способов активного воздействия на мореходные качества судов", 1984; на международной 15 сессии БИГС в г. Варна, Болгария, 1986; на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава СПбГМТУ, 1997.

Публикации

Основное содержание диссертации отражено в 16 печатных работах.

Объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения и содержит 101 страницу основного текста, 86 рисунков, 6 таблиц и список литературы из 87 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассматриваются проблемы определения характеристик продольной качки и дополнительного сопротивления морских составных судов с

шарнирным сценой, отмечается, что для их эффективной эксплуатации необходим определенный уровень ходовых и мореходных качеств, которые, ■роке ходкости на тихой воде, в основном определяются продольной качкой и дополнительным сопротивлением на волнении. Обосновывается актуальность темы д иссертационной работы.

В первом разделе рассматривается современное состояние проблем определения характеристик продольной качки и дополнительного сопротивления морского составного судна на волнении, проводится аналитический обзор исследований продольной качки МСС и методов расчета дополнительного сопротивления судна.

Ходовые и мореходные качества морского составного судна в значительной степени определяется конструкцией сцепного устройства. Различают МСС с жестким и шарнирным сцепными устройствами. Для МСС с жестким сцепом, с точки зрения гидродинамики грузовая и энергетическая секции представляют собой единое целое, продольная качка описывается, также как и для судов традиционной архитектуры, двумя дифференциальными уравнениями -вертикальной и килевой качки.

Шарнирный сцеп предусматривает возможность взаимных угловых перемещений секций втиосительво оси шарнира, подводные обводы мало согласованы между собой, поэтому ходовые качества таких морских составных судов на тихой воде, как правило, ниже, чем у монолитных традиционных судов, а мореходность таких МСС в значительной степени определяются их продольной качкой.

Продольная качка морского составного судна с шарнирным сцепом может быть описана тремя дифференциальными уравнениями, в качестве неизвестных можно принять, например, вертикальные перемещения оси шарнира и углы дифферента секций при качке. Такой подход к составлению системы уравнений продольной качки МСС разработан Ростовцевым Д.М. и Рабинович О.Н. Аналогичную систему уравнений для других неизвестных получил Шац В.Н. Однако, такая схема определения характеристик качки имеет ряд недостатков, т.к. требует вычисления всех элементов уравнений относительно оси шарнира, а также дополнительных расчетов для приведения результатов к общепринятому в теории корабля виДу. .

Другой подход реализован Нецветаевым Ю.Н. и Крулевым A.B., а также в работах японских авторов и работах автора диссертации: продольная качка составного судна с шарнирным сцепом описывается системой уравнений, состоящей из пяти уравнений: двух дифференциальных уравнений продольной качки (вертикальной и килевой) грузовой секции, двух дифференциальных уравнений продольной качки энергетической секции и уравнения кинематической связи секций. В качестве неизвестных в этой системе принимаются аппликаты вертикальных перемещений ц.т. секций, углы их

килевой , качки и вертикальные усилия в шарнире. Для простейшего варианта-шарнирно - сочлененных понтонов такая система уравнений решена Соловьевым А.И.

Расчетные амплшудно - частотные характеристики продольной качки МСС с шарнирным сцепом удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными, однако на коротких волнах расчетные АЧХ качки ЭС и вертикальных усилий в шарнире несколько завышены, что объясняется отсутствием учета гидродинамического взаимодействия секций составного судна на встречном волнении.

Для повышения точности расчетов A.B. Крулевым разработан метод учета гашения волн при их прохождении ГС. Такой подход значительно повышает точность расчетов АЧХ продольной качки, однако при его использовании приходится применять метод последовательных приближений, так как для определения высоты волны по длине ГС необходимо знать параметры качки.

Обширные экспериментальные исследования мореходности морских составных судов различных типов выполнены в ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова. В отловом бассейне ЛКИ по заказу ЦНИИМФ испытана схематизированная модель морского составного судна с разными вариантами длины рецесса ГС и сцепного устройства (жесткий, шарнирный и скользящий сцепы), а также модель судна японской постройки, эксплуатирующегося на Дальнем востоке, "Байкальск-ББС". Опытные данные приводятся также в работах зарубежных авторов.

Специфика морских составных судов с шарнирным сцепом, наличие двух шарнирно соединенных секций, позволяет по иному подойти к проблеме повышения мореходности и стабилизации его продольной качки. Очевидно, что продольная качка секций в составе зависит от положения оси шарнира по длине МСС, а также от наличия в шарнире специальных элементов, создающих момент, препятствующий взаимному угловому перемещению секций.

В специальной литературе, за исключением отдельных экспериментальных данных, практически отсутствуют сведения о дополнительном сопротивлении морских составных судов на волнении.

Расчетная оценка дополнительного сопротивления судна на нерегулярном волнении основана на допущении о том, что эта величина при заданной частоте волнения и скорости движения судна пропорциональна квадрату амплитуды волны и требует знания зависимости дополнительного сопротивления на регулярном волнении. Среднее дополнительное сопротивление на нерегулярном волнении определяется суммарным эффектом эквивалентной по частотному составу последовательностиТрегулярных волн.

Дополнительное сопротивление на регулярном волнении определяется путем испытаний модели в отловом бассейне или расчетом по одному из известных методов. Для судов традиционных обводов расчетные способы можно условно разделить на две группы.

К первой относятся приближенные методы, основанные на систематизации результатов модельных испытаний судов, это методы В.Б.Жинкина -Фердинанда, В.Б.Липиса, Л.С.Шифрина. Расчеты дополнительного сопротивления по этим методам дают неплохие результаты, но только при условии близости характеристик судна к характеристикам моделей, для которых эти зависимости были получены.

Ко второй группе расчетных методов определения дополнительного сопротивления на волнении относятся теоретические методы. Наиболее общие решения задачи о сопротивлении судов на волнении получили М.Д.Хаскинд, В.Г.Сизов, Маруо, Ньюман. Однако их практическое использование для вычисления дополнительного сопротивления на волнении затруднено ввиду больших математических трудностей, т.к. расчеты сводятся к вычислению асимптотических характеристик функций излучения и рассеяния. Попытки ряда авторов привести формулы к более приемлемому для инженерных расчетов виду путем различных упрощений, не дали ожидаемых результатов, т.к. при этом либо терялась точность расчетов, либо оставались математические трудности.

Приближенные теоретические методики, например, методы Герритсма и Н.Н.Юркова, как правило, основаны на расчете величины дополнительного сопротивления .судна на волнении через кинематические и гидродинамические характеристики продольной качки.

Все теоретические методики разработаны для "тонких" судов, поэтому их применение для определения дополнительного сопротивления морских составных судов, которые характеризуются большими значениями коэффициентов' полноты, весьма проблематично, поскольку может привести к значительным погрешностям.

С учетом вышеизложенного целью настоящей работы являются исследования, направленные на разработку расчетных методов, позволяющих в процессе проектирования оценить мореходность морского составного судна с шарнирным сцепом, а также возможности направленного влияни^ на его продольную качку с целью уменьшения амплитуд качки и снижения дополнительного сопротивления "на волнении.

Второй раздел посвящен постановке задачи и разработке алгоритма решения системы уравнений продольной качки морского составного судна, а

также разработке метода приближенного учета гидродинамического взаимодействия секций в составе.

Система уравнений продольной качки принята в виде:

а\А + +аиС, +«15^1 +2 = РХ;

+ + + ¿14^1 + ьм¥х + ¿>,6-р1г = М1\

+ аа Сг +а231/2 +а^г-2 =

+ЬъСг = М.

4", ~РгУг =°.

(1)

где ay, by - коэффициенты уравнений вертикальной и килевой качки /-той секции (/ - номер секции МСС, / = 1 для ГС, i = 2 для ЭС);

Ci, у/мгновенные значения вертикальной и килевой качки /-той секции;

Z - мгновенное значение вертикальной силы в шарнире;

F„ Kit - возмущающие сила и момент i - той секции;

р, - расстояние ог ц.т. i - той секции до оси шарнира.

Коэффициенты уравнений и возмущающие силы системы уравнений определяются известными для судов традиционной архитектуры зависимостями. Для повышения точности, учитывая наличие рецесса в кормовой оконечности грузовой секции, расчеты по методу плоских сечений рекомендуется выполнять с переменной по длине ГС шпации. Присоединенные массы и коэффициенты демпфирования вычисляются по данным А.З.Салькаева.

Для приближенного учета гидродинамического взаимодействия секций в составе, амплитуды волн, набегающих на энергетическую секцию, предложено вычислять с учетом их экранирования грузовой секцией:

Л.' (2)

где г0 - амплитуда волн, набегающих на ГС;

кг - коэффициент экранирования, определяемый по формуле, полученной на основе анализа известных зависимостей М.Д.Хаскинда и А.М.Басина:

Я+лЧ^/кУ = у , (3)

д/1 + С,2 (*/.,)'

it=I,(кТ\ К,=К,(кТ) - функция Бесселя от мнимого аргумента и функция Макдональда;

2 И. кВ.

с, =—— = —— - коэффициент, учитывающий дифракцию волн (огибание

3 Л Зл

волн грузовой секции).

Результаты расчетов характеристик продольной качки по предложенному алгоритму с учетом экранирования энергетической секции хорошо согласуются с экспериментальными данными.

Третий раздел посвящен экспериментальным исследованиям мореходных качеств морских составных судов с шарнирным сцепом в опытовом бассейне. В качестве объектов испытаний были приняты следующие модели:

"А" - модель морского составного судна типа "Байкальск-ББС" в масштабе 1:40, исследования выполнены для трех значений осадок ГС (В/Т=3,81; 5,3; 7,62), осадка ЭС при этом не менялась;

"В" - схематизированная модель МСС, разработанная в МТУ;

"Вм"- модель МСС, отличающаяся от модели "В" наличием до пода в рецессе ГС;

"С" - модель составного судна смешанного плавания, разработанного в НПО "Судостроение", масштаб 1:40;

"Сц"- модель составного судна, отличающаяся от модели "С" наличием дншца в рецессе ГС.

Испытания моделей в опытовом бассейне ГМТУ в зависимости от целей конкретного эксперимента выполнены на встречном регулярном волнении различной частоты с постоянной заданной скоростью либо в гравитационной системе протяжки, обеспечивающей высокую точность определения дополнительного сопротивления на волнении, либо с помощью буксировочной тележки, позволяющей измерять параметры вертикальной качки МСС. Относительная. высота волн выдерживалась постоянной и для исключения возможности слеминга и значительной заливаемости принималась равной . А/А= 1/50.

Испытания выполнялись с помощью автоматизированной системы управления экспериментом, созданной на базе ЭВМ N1-6000. Исследовались мореходные качества всех моделей, в диссертации приводятся только отдельные характерные результаты.

Анализ экспериментальных данных позволил разработать эмпирический метод расчета дополнительного сопротивления на волнении для морских составных судов с шарнирным сцепом, при Fr4), 150-0,230 с основными характеристиками: 2,80 < Вх/Т < 7,62; 0,114 < £>2/Д < 0, 278; ку, =0,25. Здесь: Bi, Tt - ширина н осадка ГС, Dt - водоизмещение / - той секции, ку, -относительный радиус инерции' / - той секции. Число Фруда вычисляется по длине грузовой' секции, рассмотренный диапазон относительной скорости характерен для судов этого типа.

Согласно предлагаемому методу коэффициент дополнительного сопротивления может быть вычислен по формуле:

(4)

где гт - максимальное значение коэффициента дополнительного сопротивления при' Fr = const для данной модели; .

F^a) - нормализованная функция коэффициента дополнительного сопротивления;

v JlJK

Ят- длина волны, при которой наблюдается максимум коэффициента дополнительного сопротивления.

Нормализованная зависимость представляется в виде:

а г 1: F(c>) = ToJ> exp^(l - aT,0)j-f (5 - l)\

(5)

Для максимального значения коэффициента дополнительного сопротивления и соответствующей ему частоты волнения предлагаются формулы:

В Л (, ¡О, \ г. 0,415

= (7)

С помощью разработанного и кратко изложенного выше метода могут быть решены следующие задачи:

1.Приближенный расчет дополнительного сопротивления морского составного судна с шарнирным соединением секций на встречном регулярном волнении.

2.0пределение дополнительного сопротивления при произвольной скорости, если имеются данные о его величине при какой-то одной скорости.

3.Вычисление коэффициента дополнительного сопротивления при заданной скорости во всем диапазоне частот по результатам измерения дополнительного сопротивления только при одной длине волны, соответствующей максимуму г .

Два последних пункта актуальны при проведении модельного эксперимента, так как позволяют существенно уменьшить его объем.

Четвертый раздел посвящен разработке расчетного способа определения дополнительного сопротивления морских составных судов на волнении.

Метод расчета дополнительного сопротивления, разработанный Герритсма для "тонкого" судна, основан на определении энергии волн, создаваемых судном при качке. Средняя за период качки энергия, излучаемая элементарным отсеком длиной с1х качающегося судна в плоскости шпангоута, определяется выражением:

71

<1Е'=-

О).

I \ мАх)

(8)

где а/33(*), Л33(дг) - коэффициент демпфирования и присоединенная масса элементарного отсека;

ей, - частота качки;

vo - скорость судна;

у», - амплитуда вертикальной скорости отсека.

В гидродинамической теории качки рассматривается тонкое судно, для которого угол между диаметральной плоскостью и нормалью к судовой поверхности мало отличается от прямого, поэтому считается, что при колебаниях отсека волны распространяются в плоскости шпангоута. Для судов с полными образованиями такой подход не учитывает существенную часть энергии, излучаемой ьдоль диаметральной плоскости.

Из теории волн известно, что волны от качающегося объекта распространяются по нормали к его поверхности, а энергия этих золн пропорциональна длине фронта волнения, которая в нашем случае равна длине образующей элементарного отсека. Поэтому выражение для средней за период качки энергии, излучаемой качающимся отсеком, можно записать в виде:

/ Ч ^„(дг)

<11

(9)

где (Я =--—у—г ■ - длина образующей элементарного отсека или длила

сов^-Дл:) к

соответствующего участка ватерлинии;

Рт.{х) - угол между плоскостью шпангоута и нормалью к поверхности судна в пределах рассматриваемого элементарного отсека.

Тогда выражение для дополнительного сопротивления судна с учетом его телесности на волнении можно записать в виде:

к

' 2(0t J

MM

2eot

-LU

M» (-*)

* a

1 dx

vLdx.

Методика Герритсма не учитывает не только телесность судна, но и дифракцию волн в его оконечностях. В предположении того, что дополнительное сопротивление, вызванное дифракцией волн в оконечностях судна, пропорционально энергии набегающих на отсек волн, а тахже на основании анализа экспериментальных данных получена следующая формула дифракционной составляющей дополнительного сопротивления:

Ъ = \fWÏ J}! - е'1ЩХ)]Sin2 Дгд (*Цф{х)j,

где Т. (х) = Г (*) + £"„ (г) - расчетн&т осадка отсека, вычисляемая с учетом его вертикальных перемещений при качке;

С0(х) - амплитуда вертикальных перемещений отсека;

2(¡у(х) - приращение ширины отсека.

На основании изложенного выше вклад отдельных секций в дополнительное сопротивление морского составного судна можно представить в виде суммы двух составляющих: дополнительного сопротивления, вычисленного по формуле Герритсма с учетом телесности, а также сопротивления, вызванного дифракцией набегающих волн. Тогда дополнительное сопротивление морского составного судна можно записать в виде:

= RAW +Я.4Г = RAV 1 + RAII'7+RJl + RJ2<

(12)

J

где R-a»', - коэффициент дополнительного сопротивления /-той секции в составе, определяемый по методу Герритсма с учетом телесности;

ltj: - коэффициент дифракционной составляющей /-той секции.

Результаты расчетов по предлагаемому методу удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными, рис.1, где коэффициент дополнительного сопротивления вычислен в виде:

г =_Иле__ПЗ)

АЯ 12 , , ' *1 > РЯ>1 в ]

ГЛ№ 2,5' 2

."1,5

1

0,5 0

0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 А^Л

Рис. 1. Коэффициент дополнительного сопротивления модели МСС "А", В/Г, = 5,30.

Разработанная в настоящем разделе методика позволяет проследить влияние как формы отдельных секций, так и практически всех параметров, определяющих продольную качку морского составного судна, в том числе положение оси шарнира по длине МСС и наличие специальных элементов в шарнире, на его дополнительное сопротивление.

В пятом рюнеле приведены исследования способов стабилизации продольной качки составных судов.

Одним из способов умеренна продольной качки МСС, так же как и судов традиционных обводов, является увеличение коэффициентов демпфирования за счет изменения формы корпусов секций. Примером такого решения может быть продленное в рсцессе днище • грузовой секции, представляющее из себя плоскую конструкцию, установленную на уровне днища ГС и закрепленную между скегами рецесса. Такие обводы кормовой оконечности ГС были разработаны на кафедре теории корабля для снижения сопротивления морского составного судна на тихой воде. Проведенные/расчеты и экспериментальные данные для моделей "В" и "Вм", "С" и "См" показывают, что такое конструктивное оформление рецесса ГС позволяет, хотя и. незначительно, снизить амплитуды качки МСС и его дополнительное сопротивление.

Определенный интерес для проектировщиков может представлять характер изменения амплитуд продольной качки и вертикальных усилий в шарнире от положения оси шарнира. Из уравнения кинематической связи секций вертикальные перемещения оси шарнира при качке можно записать в виде:

Ст 1 = £ + РгУг, (14)

откуда следует, что изменение плеча р, автоматически изменяет р?, а следовательно должно оказывать влияние на качку секций в составе.

Рнс.2 иллюстрирует указанное влияние положения оси шарнира для модели МСС "С". Наряду с ограничениями по конструктивным соображениям подобные расчеты позволяют выбрать наиболее приемлемый вариант расположения оси шарнира по длине МСС.

Модельный эксперимент, выполненный при трех значениях р1 = рх /(р, =0,655; 0,741 и 0,828 показал удовлетворительное соответствие опытных и рассчитанных по предлагаемой методике данных.

Рис.2. Зависимости характеристик продольной качки МСС "С" от положения оси шарнира, Рг^О, 187; ^ /д =1,0.

Введение в шарнир специальных элементов, создающих момент, препятствующий относительным угловым перемещениям секций, может существенно влиять на характеристики продольной качки МСС с шарнирным

соединением секций. В зависимости от типа применяемых элементов стабилизирующий момент может быть функцией утла, угловой скорости и углового ускорения взаимных перемещений секций:

М8=/{г,Г,у) = ЬхГ+кгГ + к1г, (15)

где у =У1~У2 - угол взаимных перемещений секций в шарнире,

к\, кг, кз - соответственно коэффициент. жесткости, коэффициент демпфирования и инерционный коэффициент шарнира и имеют те же размерности, что и соответствующие коэффициенты уравнений качки МСС.

Можно выделить три типа стабилизирующих элементов:

• амортизаторы: М5 = к ¡у, часть энергии качки МСС в первой и третьей четвертях периода забирается ими, а во второй н четвертой возвращается в колебательную систему - простейшим примером амортизаторов являются пружины;

• демпферы: М5 = к2у , часть энергии качки поглощается ими в течение всего периода, простейший пример - шарнир с большим коэффициентом сопротивления, в качестве демпферов можно использовать и преобразователи энергии, например, генераторы электрического тока или компрессоры, с тем, чтобы, преобразовав энергию качки в энергию электрического тока или энергию сжатого воздуха, использовать ее на корабельные нужды;

• маховики: М!=к3у, часть энергии качки забирается на раскручивание маховика во второй и четвертой четвертях периода и возвращается в колебательную систему в первой и третьей четвертях.

Подставляя выражение дня стабилизирующего момента (15) в систему уравнений (1) получим систему уравнений продольной качки морского составного судна со стабилизирующими элементами в шарнире, решение которой качественно не отличается от решения исходной:

апС, + +",4^1 +2 = /V

+Ьп(> + +(6,4 +(*„ +к2)г, +(Ь,„ -

-к,Ч>2 -к1чг1-к1\1/1 -рхг = Ы{,

+ + + + о,,»', - 2 = я;, (16)

Ь2,(г+Ьг£г + Ьг£г + + к,)¥2 + (¿и + к2)фг + (626 + ■

-к}у>, -кгщ -к^,-р2г= М2,

При наличии в шарнире элементов всех типов на оси действует момент, величина которого определяет степень воздействия того или к.'ого элемента на качку МСС и, в первую очередь, на угол взаимных перемещений секций. Так на

рис.3 для всех рассматриваемых типов элементов приведены зависимости амплитуд угла взаимных перемещений секций от коэффициента момента в шарнире, рассчитанного по формуле:

Точками на кривых у „/а „ = /(СЛ,) отмечены соответствующие значения коэффициентов ки к2, к,, определяемых выражением:

=-—г. (18)

' pgVtHjaf'

где (Ol - частота набегающих волн длиной, равной длине ГС;

V2, H¡ - объемное водоизмещение и продольная метацентрнческая высота энергетической секции.

Рис.3. Взаимные угловые перемещения секций в шарнире модели МСС "В" в функции от величины момента, (/•>=(), 193; ^[х = 1,0).

Согласно рис.3, при одинаковых величинах момента в шарнире, наименьшие амплитуды взаимных ■ перемещений секций наблюдаются для второго типа элементов создающих момент пропорциональный угловой скорости, а наибольшие амплитуды наблюдаются для первого типа элементов. При больших значениях коэффициентов кх —> ю, к1 к3-*а>, взаимные

угловые перемещения секций в шарнире становятся равными нулю у0/аг0 =0,

секции составного судка жестко состыкованы друг с другом. Все три кривые при этом пересекаются в одной точке, коэффициент момента равен См= 0,088.

Известно, что при заданном волнении дополнительное сопротивление в основном определяется величиной гт максимума коэффициента глж и соответствующей ему частотой волнения, а следовательно, характер изменения именно этих величин подлежит исследованию в первую очередь. На рис. 4 приведены результаты расчетов, иллюстрирующие, зависимости гш =

при вариации коэффициентов к;. Как следует из этого рисунка, для элементов второго лша с ростом коэффициента Л, и максимум коэффициента гт и соответствующая ему частота волнения убывают, причем между этими величинами наблюдается линейная зависимость.

При наличии в шарнире элементов первого типа (момент пропорционален углу взаимных перемещений секций) с ростом максимальное значение коэффициента дополнительного сопротивления вначале резко падает, а затем незначительно возрастает. Соответствующая ему частота волнения при этом • уменьшается. Для элементов третьего типа значение максимума коэффициента дополнительного сопротивления вначале увеличивается, а затем снижается, соответствующая ему частота волнения вначале уменьшается, а затем несколько возрастает.

в функции от ^¿,/я) для модели МСС "В", Рг^О, 193.

При этом точка "А" соответствует "идеальному" шарниру = к1=к1 = о),

а точка "В" - жесткому соединению секций.

Результаты, приведенные в настоящем разделе для конкретного значения числа Фруда, качественно аналогичны данным для других скоростей движения МСС.

Таким образом, морское составное судно с шарнирным сцепом по сравнению с таким же судном, но с жестко соединенными секциями, имеет большее дополнительное сопротивление. Наименьшим дополнительным сопротивлением обладает составное судно с шарнирным соединением секций при введении в шарнир элементов первого типа конечной жесткости.

Как уже отмечалось, при введении в шарнир демпферов, часть энергии качки поглощается ими. На рис.5 приведены зависимости энергии, поглощаемой демпферами при качке, отнесенной к энергии набегающих волн, протяженностью по фронту равной ширине ГС:

Е = як,о>2кг1 (5 12)

Величина энергии, поглощаемой демпферами, с ростом кг вначале увеличивается, а затем, из-за уменьшения амплитуд взаимных угловых перемещений секций, снижается, ее максимальное значение при кг «0,70 не превышает 13-15% энергии набегающих волн.

Рис.5. АЧХ энергии, поглощаемой демпферами в шарнире модели МСС "В" при качке.

' В заключении сформулированы следующие основные результаты

диссертационной работы.

1. Разработан алгоритм расчета продольной качки морского составного судна с шарнирным соединением секций на встречном регулярном волнении. Для повышения точности расчетов предложен приближенный метод учета экранирования грузовой секцией волнения, набегающего на энергетическую секцию.

2. Разработана методика проведения и выполнены экспериментальные исследования продольной качки и дополнительного сопротивления морского составного судна на встречном регулярном волнении.

3. На основании систематизации экспериментальных данных разработан эмпирический метод расчета дополнительного сопротивления морских составных судов с шарнирным сцепом на встречном регулярном волнении, который можно применять для МСС с характеристиками, изменяющимися в достаточно широких пределах.

4. Разработан расчетный метод определения дополнительного сопротивления морского составного судна с шарнирным сцепом с учетом телесности корпуса и дифракции волн в оконечностях. Указанный метод основывается на результатах расчета продольной качки МСС и позволяет учесть влияние на дополнительное сопротивление всех параметров определяющих продольную качку МСС.

5. На основании экспериментальных и расчетных данных выполнена оценка мореходности морского составного судна с шарнирным сцепом при наличии днища в рецессе грузовой секции. Показано, что установка дншца в рецессе ГС, приводит к некоторому, хотя и незначительному снижению амплитуд продольной качки, а также дополнительного сопротивления.

6. На основании результатов систематических расчетов найдено, что продольная качка и дополнительное сопротивление морского составного судна существенно зависит от положения оси шарнира по его длине. Этот вывод подтверждается и экспериментальными данными.

7. Выполнены систематические расчеты продольной качки и дополнительного сопротивления на волнении морского составного судна при наличии в шарнире специальных элементов, создающих момент, препятствующий взаимным угловым перемещениям секций. Показано, что введение таких элементов в шарнир в основном положительно сказывается на мореходности ■МСС, однако, для каждого конкретного случая необходимо выполнять соответствующие расчеты.

8. Введение в шарнир элементов (генератора электрического той, компрессора и др.), создающих момент пропорциональный угловой скорости перемещений секций относительно друг друга, позволяет утилизировать часть энергии качки (до 15% энергии набегающих воли) и использовать ее на внутрикорабельные нужды.

9. Результаты работы могут быть использованы для прогнозирования и оценки мореходных качеств в процессе проектирования морских составных судов с тарифным сцепом, а также для поиска способов их улучшения.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Лузянин A.A. Продольная качка двухсекционного шарннрно-сочлененного понтона с квазиупругим шарниром. Тр. ЛКИ "Мореходность и управляемость технических средств освоения океана", Л., 1983, с. 36-41.

2. Лузянин A.A. Дополнительное сопротивление пластины на встречном регулярном волнении. Тр. ЛКИ "Мореходные качества судов и средств освоения океана", Л., 1986, с. 76-79.

3. Лузянин A.A. Продольная качка составных судов и некоторые способы их стабилизации. В кн. Холодилни А.Н., Трунин В.К. Гидродинамические задачи мореходности и стабилизации судна на волнении. СПб, Судостроение, 1993, с. 73-84.

4. Лузяннн A.A., Трунин В.К., Храбров И. Толкаемые составы. Оценка качки и усилий при волне. Речной транспорт, 1992, № 9.

5. Алчуджан Г.А., Жннкин В.Б., Лабзин E.B.V Лузянин A.A. Морское составное судно с улучшенными характеристиками. Тр. ЛКИ "Гидродинамика технических средств освоения океана", Л. 1981, с. 3-9.

6. Алчуджан Г.А., Жинкин В.Б., Лабзин Е.В., Лузянин А:А. Влияние ограничения осадки на буксировочное сопротивление морских составных судов. Тр. ЦНИИМФ, вып. 275, Л., 1982, с. 80-93.

7. Алчуджан Г.А., Лабзин Е.В., Лузяннн A.A. Мореходные качества морских составных судов различных типов. Тезисы дохл. На ВНТК "Технические средства освоения океана" Л., Судостроение, 1981, с. 30.

8. Жинкин В.Б., Лабзин Е.В., Лузянин A.A. Сцепное устройство судов. Авторское свидетельство №992309, 1983.

9. Жинкин В.Б., Лузянин A.A. Дополнительное сопротивление морского составного судна на встречном волнении. Тр. ЛКИ "Техника освоения океана" Л., 1982,с. 72-76.

Ю.Жинкин В.Б., Лузянин A.A. Особенности продольной качки составного судна с квазиупругим шарниром. Тезисы докл. ВНТК "Проблемы повышения

ходкости, мореходности и улучшения маневренности судов внутреннего плавания и СДПГГ Л., Судостроение, 1983.

П.Жинкнн В.Б., Лузянин А.А. Пути повышения мореходности морского составного судна.' Тезисы докл. В НТК "Экспериментальные методы исследования способов активного воздействия на мореходные качества судов" Л., Судостроение, 1984, с. 98.

12.Жинкин В.Б., Лузянин А.А. Способы уменьшения амплитуд килевой качки морских составных судов. Тр. ЛКИ "Качка и управляемость судна", Л., 1984, с.40-44.

13. Жинкин В.Б., Лузянин А.А. Экспериментальные исследования дополнительного сопротивления морского составного судна. Сб. НТО им. акад. А.Н. Крылова, вып. 441, Л., 1987, с. 33-41.

14. Жинкин В.Б., Лузянин А.А., Нецветаев К.Г. Составное судно. Авторское свидетельство Jfe 1507641,1989.

15. Jinkine.V., Lurianin A. The Added Resistance of Seagoing Tug-Barge Sistem in Head Waves.

16. Jinkine V., Luzianin A. Some Ways to Decrease of Pitch Amplitudes of Seagoing Tug-Barge Sistems. Selected Papers, Vol.1, Applied Hydrodynamics, МТУ, StPetersburg, 1993.

Изд. центр СПбГМТУ, СПб, ул. Лоцманская,10. 3ак.923. Тир.100.