автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.01, диссертация на тему:Исследование управляемости судов в условиях ветра и волнения

На правах рукописи

Юрканский Александр Викторович

ИССЛЕДОВАНИЕ УПРАВЛЯЕМОСТИ СУДОВ В УСЛОВИЯХ ВЕТРА И ВОЛНЕНИЯ

Специальность 05.08.01 Теория и строительная механика корабля

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2006

Работа выполнена в Центральном Конструкторском Бюро «Морской Техники «Рубин»

Научный руководитель: кандидат технических наук, старший научный сотрудник Сергеев В.В.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Юхнин В.Е.

кандидат технических наук Негашев C.B.

Ведущая организация: ФГУП «1 ЦНИИ МО РФ»

Защита диссертации состоится 2.K-CZ, 2006 г. в часов на заседании диссертационного совета Д.212.228.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидат технических наук при Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете по адресу: 190008,

г. Санкт-Петербург, ул. Лоцманская д. 3.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Санкт-Петербургского государственного морского технического университета по адресу: г. Санкт-Петербург, ул. Лоцманская

д. 3.

Автореферат разослан « fk dbU&cyiA 200 ^г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.212.228.01, ^ ¿г

доктор технических наук, профессор , А.Н. Суслов

юоса

Я07 9

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Практика мореплавания и статистика аварийных ситуаций показывает, что воздействие гидрометеорологических факторов является одной из главных причин аварий судов.

Обеспечение безопасности плавания судов в сложных гидрометеорологических условиях, предотвращение возможных нештатных (аварийных) ситуаций возможно только с учетом особенностей управления судном.

Эффективным способом исследования динамики судов в условиях ветра и волнения является физическое моделирование (в опытовом бассейне) с использованием экспериментальных установок или математическое (компьютерное) моделирование.

Прямое физическое моделирование позволяет достаточно просто и оперативно оценить маневренные качества судна в штормовых условиях (правда, в основном эти оценки носят качественный, а не количественный характер главным образом, по причине невозможности моделирования ветра в акватории бассейна).

Использование компьютерного моделирования позволяет проработать целый ряд задач: отработать действия судоводителя, осуществлять разбор аварий, моделировать маневрирование судна в штормовых условиях, на ранних стадиях проектирования оценить маневренные качества и эффективность органов управления судна.

Точность решения таких задач (как при физическом, так и при математическом моделировании) определяется корректностью моделирования гидрометеорологических факторов, действующих на судно. Если воздействие ветра на надводную часть судна в настоящее время достаточно хорошо изучено, то в части определения средних составляющих вол-

новых сил, входящих в уравнения движения судна, остается много вопросов.

До последнего времени при расчетной оценке маневренных качеств судна в штормовых условиях учитывалось воздействие ветра, течения и дополнительное сопротивление от волнения. Чаще считалось, что влияние волнения может быть учтено за счет некоторого запаса в угле перекладки руля для компенсации волновых сил. Даже в относительно свежих публикациях (как отечественных, так и зарубежных) посвященных вопросам управляемости констатируется тот факт, что на данный момент, нет методики расчета волновых сил действующих на судно, маневрирующее в штормовых условиях. В работах, посвященных управляемости на волнении, в основном изучалось волновое рыскание, устойчивость на курсе, качка и остойчивость судов на волнении и, в меньшей мере, влияние волнения на траекторию криволинейного движения судна.

Причем отсутствует как методика учета кинематических параметров движения судна, так и методика пересчета сил и моментов волнового дрейфа на нерегулярное волнение заданного спектра. Последнее обстоятельство довольно часто приводит к тому, что результаты моделирования не только количественно, но и качественно расходятся с результатами натурных испытаний и опытом эксплуатации. Так в ряде работ делается вывод о том, что с увеличением интенсивности волнения управляемость судна улучшается. Это объясняется тем, что при увеличении интенсивности волнения увеличивается средняя длина волны, входящая в показатель степени редукционного коэффициента. При этом забывается о том, что спектр волнения большей интенсивности включает в себя спектры меньшей бальности.

Таким образом, задача определения сил и моментов волнового дрейфа, действующих на маневрирующее судно, а так же задача разработки методики моделирования сил и момен-

тов волнового дрейфа при проведении физического моделирования является достаточно актуальной.

Решение этих задач позволит существенно повысить точность моделирования движения судна в штормовых условиях, что имеет большое значение для повышения безопасности плавания.

Цель работы

Цель работы состоит:

- в определении сил и момента волнового дрейфа, действующих на судно;

- в разработке расчетно-экспериментальной методики исследования управляемости судна в условиях действия ветра и волнения;

- в разработке рекомендаций по отработке движительно-рулевого комплекса судна и управлению судном в штормовых условиях.

Научная новизна

Научная новизна работы состоит в том, что впервые получены зависимости сил и момента волнового дрейфа от кинематических параметров судна, что обеспечило соответствие результатов математического моделирования и натурных испытаний. Разработаны методики определения характеристик управляемости судна в штормовых условиях (с использованием математической модели движения) и представления результатов в виде, удобном для использования судоводителем.

Методы исследования

В процессе выполнения работы использовались экспериментальные и теоретические методы исследования, а также результаты натурных испытаний.

Достоверность результатов работы

• Разработанный расчетный метод моделирования движения судна на реальном морском волнении создавался на основании многочисленных данных получен-

ных, для различных типов судов, кораблей и подводных лодок.

• Основополагающие моменты в расчетной методике (зависимости, допущения, ограничения, упрощения) подтверждались экспериментально.

• Достоверность моделирования движения судна в штормовых условиях подтверждена результатами натурных испытаний.

Положения выносимые на защиту

• Расчетно-экспериментальный метод определения волновых сил действующих на маневрирующее, в условиях реального морского волнения судно.

• Структура выражений для расчета волновых сил в зависимости от параметров волнения, кинематических параметров и геометрических характеристик судна.

• Требования к математической модели движения судна в штормовых условиях для достоверного моделирования.

• Методика проведения модельных испытаний (прямого физического моделирования) для определения маневренных качеств судна в штормовых условиях. Определение параметров регулярного волнения, эквивалентного нерегулярному волнению с точки зрения волновых сил действующих на судно.

• Форма представления результатов моделирования движения судна в условиях ветра и волнения, в виде удобном для судоводителя.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на:

международной конференции посвященной памяти проф. Н.Б. Севастьянова, Калининград, 1995; международном симпозиуме по гидродинамике судна посвященном 85 летию со дня рождения A.M. Басина, Санкт-Петербург, 1995;

четырех Всероссийских научно-технических конференциях «Управление морскими судами и специальными аппаратами» проводимых РАН Институтом проблем управления им. Трапезникова В.А, Севастополь, 1995; Геленджик, 2000; Анапа, 2001; Адлер, 2003; трех научно-технических конференциях «Крыловские чтения» проводимых ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, Санкт-Петербург, 1999; 2000; 2001;

научно-технической конференции «Подводное кораблестроение в России: состояние, проблемы, перспективы» -«ВОКОР-ПЛ-2002», посвященной 70-летию 1 ЦНИИ МО РФ, Санкт-Петербург, 2002.

Разработанные расчетно-экспериментальные методы использовались для оценки управляемости (на стадии проектирования) в штормовых условиях целого ряда судов и ГОТ проектируемых такими конструкторскими бюро как Северное ПКБ, ЦМКБ «Алмаз», ЦКБ МТ «Рубин», ЦКБ «Лазурит», СПМБП «Малахит». Публикации

Результаты исследований по теме диссертационной работы отражены в 10 публикациях. Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 118 страниц, включая 56 рисунков, список литературы состоит из 105 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследования управляемого движения судна в условиях нерегулярного волнения и ветра методами математического моделирования. Как показывает морская практика, при движении в условиях ветра и волнения судно может потерять управляемость, т.е. оно не может двигаться произвольным курсом, что в итоге может привести к аварийной ситуации.

Использование математических моделей движения судна в штормовых условиях в навигационных, исследовательских тренажерах, средствах информационной поддержки судоводителя, при проектировании судов, позволит прогнозировать маневренные качества судна, что безусловно повысит безопасность мореплавания.

При этом исключительную важность приобретает достоверное определение волновых сил и момента, действующих на маневрирующее судно. Решению этого вопроса посвящены исследования А.Ш. Афремова, A.M. Басина, И.К. Бородая, Р.В. Борисова, A.B. Васильева,

Г.В. Виленского, А .Я. Войткунской, А.Д. Гофмана, В.Б. Жинкина, Г.И. Зильмана, В.В. Луговского,

А.Г. Маковского, Ю.М. Мастушкина, В.А. Мореншильд, А.И. Немзера, Р.Я. Першица, Ю.П. Потехина, В.Ю. Ремеза, Г.В. Соболева, В.К. Трунина, А.Н. Холодилина, Е.Б. Юдина и др. Работы этих ученых заложили основы математического моделирования управляемого движения судна в условиях ветра и волнения.

Рассматриваются достоинства и недостатки прямого физического моделирования движения судов в условиях волнения (с использованием масштабных моделей и опытовых бассейнов).

Во введении определяются задачи диссертационной работы и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе описывается методика проведения испытаний моделей судов в маневренно-мореходном бассейне по определению сил волнового дрейфа.

В соответствии с этой методикой испытания должны проводиться именно на регулярном волнении, поскольку только в условиях регулярного волнения можно получить особые режимы движения, из рассмотрения которых и определяются волновые силы (силы волнового дрейфа).

Характер движение моделей судов при действии волнения принципиально отличается от характера движения на ти-

хой воде. Модель с переложенным рулем даже при значительной скорости хода циркулирует на волнении не по замкнутой круговой траектории, как это имеет место на тихой воде, а по спирали, смещаясь вдоль ее оси (рисунок 1, 2).

направление бега волн

12

/ 1

._— "Ч // /

. 4 - '

4 1 1 1 /

1 •V V 1

1 м- * \ V

ВОЛНЕНИЕ

высота волны 0,06 м длина волны 1,^0 м

= 35 ЛрБ

1)п " 0'8 м/с

12

направление движения модели/

Рисунок 1. Экспериментальная траектория движения модели судна 60-й серии (масштаб 1 : 60) на волнении

При снижении скорости хода (или уменьшении угла перекладки руля) происходит качественное изменение характера движения модели - наступает потеря управляемости. При этом модель с переложенным рулем начинает перемещаться практически прямолинейно, дрейфуя под некоторым углом к направлению распространения волн (рисунок 3, 4).

Потеря судном управляемости при движении на малых ходах, происходит вследствие того, что постоянные составляющие волновых сил и момента, вызывающие дрейф судна и поэтому названные силами волнового дрейфа, становятся соизмеримыми с гидродинамическими силами и моментами действующими на руль и корпус судна.

направление

/

г 4 »с. . направ . бега ее тение пн

А -л

1 / 1 « 1Л

я' Чч

•

X

высота волны 0,1 м длина волны 3,0 ы

6„ = 25° лб

0о = 0,5 м/с

м

12

Рисунок 2. Экспериментальная траектория движения модели судна 60-й серии (масштаб 1 : 60) на волнении

В основе методики проведения испытаний по определению сил и момента волнового дрейфа как раз и лежит задача получения таких режимов движения модели, при которых она теряет управляемость. Обработка таких режимов движения модели позволяет получить необходимую информацию для определения, как характера, так и численного значения средних (постоянных) составляющих сил и момента обусловленных волнением (сил волнового дрейфа). Особенностью указанных режимов является то обстоятельство, что модель, несмотря на переложенный руль, движется прямолинейно с постоянной скоростью. При этом силы волнового дрейфа равны и противоположны по знаку позиционным гидродинамическим силам, которые могут быть определены при буксировке модели на динамометре в буксировочном опытовом бассейне с определенными на волнении скоростью, углом дрейфа и углом перекладки руля.

направление бега млн

12

ч. N V

)

i \ ч

\ ч 1

- 1

VI ч

ВОЛНЕНИЕ

высота волны 0,04 и длина волны 0 83 ч

5К = 15'

ио = 0,3 м/с

ПрБ

12

направление ^движения модели

Рисунок 3. Экспериментальная траектория движения модели судна 60-й серии (масштаб 1 : 60) на волнении. Потеря управляемости

м 12

направлен»« бега волн

г . /

1 /» !

У

* ¥ 1

•г

1 '■

ВОЛНЕНИЕ

высота волны 0,06 м длина волны 1,50м

15° ПрБ

ип = 0,5 м/с

м

12

направление движения модели/

Рисунок 4. Экспериментальная траектория движения модели судна 60-й серии (масштаб 1 : 60) на волнении. Потеря

управляемости Для определения структуры зависимости средних составляющих сил волнового дрейфа от кинематических пара-

метров судна и параметров волнения были приняты следующие допущения:

1) средние значения волновых сил на прямую не зависят от угла перекладки руля, влияние угла перекладки руля проявляется через угол дрейфа (р) модели и угол встречи с волной (С^);

2) характер зависимости средних значений волновых сил от угла встречи с волной, достаточно хорошо обследованный для неподвижного судна, сохраняется при наличии скорости движения (и);

3) средние значения волновых сил, действующих как на неподвижное, так и на движущееся судно, пропорциональны высоте волны в квадрате и убывают по экспоненте с ростом длины волны;

4) средние значения волновых сил слабо зависят от составляющей скорости движения судна, направленной вдоль гребня волны (перпендикулярно направлению бега волн, рисунок 5),

и значительно зависят от составляющей скорости движения, направленной вдоль направления бега волн,

5) средние значения волновых сил зависят от отношения составляющей скорости движения судна, направленной вдоль направления бега волн, к скорости бега волн, т.е. от ип /,

Характер зависимости средних значений волновых сил от угла встречи с волной, достаточно хорошо обследован для неподвижных судов и морских сооружений. В качестве объектов исследования выбирались в основном буровые суда, (платформы, установки), добывающие и геолого-разведова-тельные суда.

(1)

(2)

где

- скорость бега волн.

О,

ад

направление бега волн

Рисунок 5. Схема отсчета углов и составляющих скорости движения судна

бк

Для подтверждения достоверности указанных зависимостей применительно к кораблям и ПЛ в надводном положении, автором работы были проведены модельные испытания с использованием специальной установки, включающей в свой состав динамометр и утяжеленный трос, который удерживал модель на месте (при действии волнения), не изменяя при этом ее параметров качки.

Анализ экспериментальных результатов показал, что с достаточно хорошей точностью характер зависимости средних волновых сил от угла встречи судна с волной можно описать тригонометрическими функциями.

С учетом принятых допущений для определения волновых сил были получены следующие выражения:

N2

1+А,^ и

ГьУ -Аот Г

1+А,

о,

и

,(5)

у

где силы и момент волнового дрейфа, дейст-

вующие на судно в условиях регулярного волнения,

С^ ,Су — безразмерные коэффициенты волновых сил и

момента, Ь - длина судна, Ь - высота волны, X - длина волны.

Коэффициент А\ в выражениях (3)-(5) учитывает степень влияния скорости движения судна (точнее кинематических параметров судна) на силы волнового дрейфа, численные значение коэффициентов Ао и А1 были получены в результате систематической обработки результатов испытаний.

Показано, что не учет скорости движения судна при определении сил волнового дрейфа (т.е. полагая, что А1=0 или

Оп =0) может привести к ошибке при определении этих сил в несколько раз, что в свою очередь может привести к опасным ошибкам при расчете траектории движения и управляемости судна в штормовых условиях. Для иллюстрации на рисунке 6 представлена экспериментальная и расчетные траектории движения модели судна 60-й серии.

В результате анализа значений коэффициентов

С^,Су полученных для различных типов судов, были

определены зависимости этих коэффициентов от соотношения главных размерений и коэффициента общей полноты

(Ь В Ь

С\У /-ч\У г ^ £

V

, где В - ширина судна,

Т - осадка, 5у - коэффициент общей полноты.

направлена -управление

движения ьжадг-гм Ъегь волн

О 4 8 12

........эксперимент

--расчет (А,*0)

---расчет (А,=0)

Рисунок 6. Экспериментальная и расчетная траектория движения модели судна 60-й серии (масштаб 1:60)

Полученные расчетные формулы, позволяют с достаточной для практических задач точностью (уже на ранних стадиях проектирования судов) оценить величину сил волнового дрейфа.

Формулы применимы для водоизмещающих, однокор-пусных судов традиционных обводов и для подводных лодок в надводном положении.

В качестве примера на рисунке 7 показана экспериментальная и расчетная траектория движения модели ПЛ, по лученная с использованием расчетных значений коэффициентов С^,Су ,С^,А0иАг.

Для моделирования маневрирования судна в условиях действия реального морского волнения необходимо учитывать нерегулярный характер волнения.

Ветер 5 баллов

Волнение 4 баллы

^ - 1 у Г у / 1 1

\ 1 1

напрял «икс бега юга

1

О 2 4 6 8 10 12 14 16М

--расчетная траектория

- экспериментальная траектория

Рисунок 7. Экспериментальная и расчетная траектория движения модели ПЛ в надводном положении

В данной работе для учета нерегулярного характера волнения использовался подход аналогичный тому, который используется в расчетах ходкости и мореходности.

Силы волнового дрейфа на нерегулярном волнении определяются следующим образом:

ии

(6)

где силы и момент волнового дрейфа, дей-

ствующие на судно в условиях нерегулярного волнения; 8^(со) - спектр двухмерного волнения, со - частота регулярных

волн, 11х(со), Ку(ш), Кт(ш) - соответствующие частотные характеристики, определяемые по формулам:

В расчетах выполненных в рамках данной работы использовался типичный двухпараметрический спектр реального морского волнения, предложенный А.И Вознесенским и Ю.А. Нецветаевым.

Во второй главе приводится система дифференциальных уравнений, описывающая движение водоизмещающего судна в горизонтальной плоскости. Приводятся формулы для расчета гидродинамических, волновых, аэродинамических сил и моментов действующих на судно.

Перечисляются необходимые требования к математической модели движения судна, выполнение которых позволяет достоверно моделировать движение в штормовых условиях.

При определении ГДХ руля (органа управления) и корпуса судна следует учитывать, что при маневрировании в условиях волнения угол дрейфа судна может достигать больших значений (вплоть до 60° - 70°), а величина коэффициента нагрузки движителя приближаться к швартовному значению. Не учет этих моментов является грубой ошибкой.

У традиционных водоизмещающих надводных судов угол дрейфа, при маневрировании в условии тихой воды, как правило, не превышает 20°-22°, а у ПЛ в надводном положении - 10°. Поэтому, простое добавление в математическую модель движения судна на тихой воде ветровой и волновой нагрузки не сделает ее автоматически пригодной для расчетов управляемости в штормовых условиях.

В случае определения ГДХ судна расчетом следует обратить внимание на достоверность выбранной методики при больших значениях угла дрейфа, а также на определение

Я

(7)

ГДХ руля с учетом возможного изменения нагрузки ГВ в широком диапазоне (вплоть до швартовного).

Определение волновых сил следует выполнять с учетом кинематических параметров и нерегулярного характера реального морского волнения.

Для оценки достоверности предлагаемой расчетно-эксперименталыюй методики исследования движения судна в штормовых условиях были использованы данные по натурным испытаниям корабля пр. 11661 К.

Маневренные испытания головного корабля пр. 11661К (РК "Татарстан") проводились в апреле 2003 г. в акватории Каспийского моря. При проведении испытаний волнение моря составляло 5 баллов, скорость ветра -10-12 м/с. Измерение высоты волны производилось с помощью волномерного буя. Траектория движения определялась с помощью космической навигационной системы "Бриз - К" установленной на корабле.

В дальнейшем, была составлена математическая модель движения корабля пр.11661К в условиях действия ветра и волнения. Сравнение результатов расчета с натурными данными показывает их хорошее качественное и количественное совпадение (рисунок 8).

Показано, что разработанная методика проведения модельных испытаний водоизмещающих судов (и ПЛ) на волнении, а так же предложенная методике расчета средних составляющих волновых сил могут быть рекомендованы для исследования управляемости и обеспечения безопасной эксплуатации судна в штормовых условиях.

Результаты математического моделирования движения судна в условиях ветра и волнения предлагается представлять в виде секторных диаграмм управляемости. Типичный вид секторной диаграммы управляемости ПЛ в надводном положении в условии действия ветра и волнения представлен на рисунке 9.

Рисунок 8. Натурная и расчетная траектории движения корабля пр. 11661К в штормовых условиях

I Направление ветра ▼ и волнения

<)„=90

()„= 270

Рисунок 9. Секторная диаграмма управляемости ПЛ (судна) в штормовых условиях

На рисунке 9 отмеченные диапазоны соответствуют:

1 - диапазон встречных курсовых углов, соответствующих управляемым режимам движения;

2 - диапазон попутных курсовых углов, соответствующих управляемым режимам движения;

3 - диапазон углов, соответствующих неустойчивым режимам движения.

Диапазоны углов лежащие между границами диапазонов - соответствует неустойчивым режимам

движения. Они характеризуются тем, что ПЛ, попавшая в этот диапазон, будет, несмотря на перекладку руля, самопроизвольно изменять свой курс под действием волнения и ветра, причем лишь в одном направлении - в сторону границы

С^ •

Секторные диаграммы дают наглядное представление об эффективности средств управления и возможности маневрирования судна в штормовых условиях.

В третьей главе рассматривается возможность оценки управляемости судна в условиях реального морского волнения методом прямого физического моделирования. Прямое физическое моделирование процесса, возможно при наличии в опытовом бассейне ветроустановки и волнопродуктора нерегулярного волнения. При отсутствии таких установок можно использовать методы имитационного моделирования указанных факторов.

Воздействие нерегулярного волнения на модель судна можно имитировать с помощью так называемой "эквивалентного регулярного волнения", параметры которого задаются таким образом, что по своему силовому воздействию эквивалентны реальному морскому волнению определенной баль-ности.

До настоящего времени при проведении испытаний в ма-невренно-мореходном бассейне полагалось, что длина эквивалентной регулярной волны А.экв равняется средней длине

волны нерегулярного волнения Хср (формулы для расчета которой в разных источниках различны), а высота эквивалентной регулярной волны Ьэкв равняется высоте волны нерегулярного волнения с некоторой постоянной обеспеченностью (чаще всего 3 % или 20 %).

В данной работе предлагается определять Хэкв как длину волны, соответствующую максимуму зависимости подинте-гралыгого выражения в формуле (6).

Таким образом, длина эквивалентной регулярной волны рассчитывается по формуле:

экв 2 ' ^

®тах

где Ютах - частота соответствующая максимуму подинте-грального выражения в формуле (6).

Высота эквивалентной регулярной волны определяется по формуле:

Ъ. =

экв

00 8-|е О

-Аг

2щ о>2Ь

в (ю)<1ю

-Аг

2п%

(9)

ю2 Ь шах

Полученные результаты показывают, что Ьэкв отличается как от Ьз% так и от Ьгоу. которые использовались в качестве характерных различными авторами.

Обращает на себя внимание тот факт, что в соответствии с полученными выражениями Ьэкв и Хэкв зависят только от длины судна.

С помощью полученных зависимостей для произвольного судна можно определить параметры регулярной волны,

эквивалентной с точки зрения сил волнового дрейфа реальному морскому волнению заданной балльности.

Следует отметить, что проведение испытаний на регулярном волнении является более предпочтительным, не смотря на наблюдающуюся в последнее время мировую тенденцию к постройке бассейнов с волнопродукторами обязательно нерегулярного волнения и тщательному моделированию спектра.

Дело в том, что при проведении испытаний на эквивалентном регулярном волнении сразу получаются статистически усредненные параметры движения модели, включая ее траекторию движения. При проведении испытаний на нерегулярном волнении заданного спектра потребуется получение большего числа реализаций, необходимых для статистической обработки. При этом дополнительные сложности накладываются ограниченными размерами маневренно-мореходного бассейна, не позволяющие получить достаточно протяженные для обработки режимы.

Для имитации движения судна в штормовых условиях не хватает имитации воздействия на модель ветра. Моделирование ветра в большой акватории с помощью воздуходувок или других средств, по-видимому, следует признать невозможным. Моделирование ветра возможно только на ограниченной площади при исследовании позиционирования судна, и даже в этом случае возникают сложности в обеспечении равномерного распределения скорости потока воздуха в рабочей области. При одновременном моделировании волнения и ветра, т.е. при совместной работе волнопродуктора и воздуходувок, придется столкнуться с тем фактом, что поток воздуха будет искажать параметры создаваемого волнения (даже при отсутствии волнения будет возникать ветровая зыбь).

По видимому, наилучшим вариантом имитации воздействия ветра является использование расположенных на борту модели вентиляторов, управляемых с помощью специального программного и аппаратного обеспечения. Такой метод в на-

стоящее время достаточно хорошо отработан и описан в ряде работ.

Вместе с тем при решении задач управляемости ПЛ, надводная часть которых имеет сравнительно небольшую парусность, как показывают результаты моделирования, частично представленные на рисунке 7, можно пренебречь воздействием ветра и ограничиться моделированием только волновых сил.

Таким образом, в результате испытаний на эквивалентном регулярном волнении можно оперативно, без составления математической модели движения, оценить управляемость ПЛ в надводном положении и выполнить отработку ее рулевого комплекса.

Что касается надводных кораблей и судов то их испытания на эквивалентном регулярном волнении даже в отсутствии имитации ветра позволяет выявить основные особенности их управляемости в штормовых условиях.

В четверной главе приводятся предлагаемые конструктивные мероприятия для улучшения управляемости судна, а так же рекомендации по управлению судном в штормовых условиях.

Результаты натурных и модельных испытаний, а так же математического моделирования показывает, что в условиях волнения судно хорошо поворачивает с попутного волнения на встречное, но не всегда может повернуть со встречного волнения на попутное. При потере управляемости судно с переложенным до упора рулем движется практически прямым курсом, встречая волну скулой борта, противоположного направлению перекладки руля, с углом встречи с волной

порядка ~40° +80° . При этом складывается впечатление, что не хватает небольшого «толчка», чтобы судно встало лагом к волне, после чего оно продолжит разворот на попутное волнение.

По результатам моделирования даже небольшое увеличение площади руля (менее 20 %) или повышение его эффек-

тивности может существенно улучшить управляемость судна в условиях волнения.

Сказанное приводит к выводу о том, что окончательный выбор площади руля следует производить с учетом результатов моделирования движения судна на волнении. Если увеличение площади руля по конструктивным возможностям недопустимо, то использование руля повышенной эффективности (типа Шиллинга, Беккера, двугорбый, ласточкин хвост) той же площади, что и исходный руль с профилем NACA, позволит обеспечить управляемость в штормовых условиях.

В заключении сформулированы следующие основные научные и практические результаты, полученные в данной работе:

• Установлено, что средние значения волновых сил и момента (силы волнового дрейфа), существенно зависят от скорости движения судна. Использование при математическом моделировании движения судна в условиях волнения значений сил и момента волнового дрейфа, определенных для неподвижного судна, как это делалось до последнего времени, приводит к существенным ошибкам при определении траектории движения судна.

• Предложена структурная зависимость сил и моментов волнового дрейфа от параметров волнения, скорости и направления движения судна.

• Разработана методика определения коэффициентов структурных зависимостей для сил и момента волнового дрейфа на основании результатов модельных испытаний.

• Получены эмпирические формулы для расчета коэффициентов структурных выражений для сил и момента волнового дрейфа с использованием основных геометрических характеристик судна.

• Определены длина и высота волны регулярного волнения, эквивалентного с точки зрения сил и момента вол

нового дрейфа нерегулярному волнению заданного спектра, что позволяет оценить управляемость судна в условиях волнения в результате прямого физического моделирования в маневренно-мореходных бассейнах, не имеющих волнопродукторов нерегулярного волнения.

• Разработаны методики определения характеристик управляемости судна в штормовых условиях (с использованием математической модели движения) и представления результатов в виде, удобном для использования судоводителем.

• Рекомендовано при выборе руля (тип, площадь, профиль) использовать результаты моделирования движения судна на волнении, поскольку, небольшое увеличение площади руля или использования руля с нетрадиционным профилем (более эффективным по сравнению с рулем профиля NACA) может привести к существенному повышению мореходных качеств судна.

Основное содержание диссертационной работы отражено

в следующих публикациях:

1. Маковский А.Г., Немзер А.И., Юрканский A.B. Использование руля для позиционирования судна. // Труды XXI НК «Управление судами и специальными аппаратами». Москва. ИПУ РАН им. Трапезникова В.А. 1994. с.46-53.

2. Маковский Л.Г., Немзер А.И., Юрканский A.B. Расчетная оценка характеристик управляемости судов в пттормовых условиях. Сборник докладов международного симпозиума «Мореходность судов на волнении: остойчивость, маневренные качества, нелинейные приближения, посвященный памяти проф. Севастьянова Н.Б.». Калининград. 1995. с.71-77.

3. Лебедева М.П., Маковский А.Г., Немзер А.И., Николаев Е.П., Юрканский A.B. Новые органы обеспечения управляемости судов. // Труды международного симпозиума по гидродинамике судна, посвященного памяти профессора AM. Васина. С.-Петербург. 1995. с.62-72.

4. Маковский А.Г., Немзер А.И., Юрканский A.B. Управление цвижительно-рулевьш комплексом при позиционировании тральщиков. // Труды международной конференции посвященной 300-летию Российского флота. С.-Петербург. 1996. с. 19-24.

5. Юрканский A.B. Простая установка для определения сил и момента волнового дрейфа. // Труды международной НТК XXXIX «Крыловские чтения». С.-Петербург. 1999. с.59-62.

6. Юрканский A.B. Экспериментальное определение в манев-ренно-мореходном бассейне сил волнового дрейфа, действующих на судно. // Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, выпуск 10 (294). 2000. с.31-33.

7. Сергеев В.В., Юрканский A.B. Особенности расчета управляемости судов в условиях волнения. // Труды XXVII НК «Управление судами и специальными аппаратами». Москва, ИЛУ РАН им. Трапезникова В.А. 2000. с.36-39.

8. Юрканский A.B. Структура сил волнового дрейфа, действующих на маневрирующее в условиях регулярного волнения судно. // Труды XL НТК «Крыловские чтения». С.-Петербург. 2001. с.50-54.

9. Юрканский A.B. Расчет управляемости подводных аппаратов в надводном положении при действии волнения. // Труды XXVIII НК «Управление судами и специальными аппаратами». Москва. ИПУ РАН им. Трапезникова В.А. 2001. с.18-21.

10. Юрканский A.B. Оценка управляемости подводных лодок в надводном положении в условиях ветра и волнения. // Труды НТК «Подводное кораблестроение в России: состояние, проблемы, перспективы» - «ВОКОР-ПЛ-2002». С.-Петербург. 1 ЦНИИ МО РФ. 2002. с.29-32.

ИЦ СПбГМТУ, Лоцманская, 10 Подписано в печать 10.01.2006. Зак. 3116. Тир. 100. 1,2 печ. л.

JLöOGb

Обозначения и сокращения

Введение

Глава 1 Экспериментально-расчетная методика определения сил и момента волнового дрейфа

1.1 Методика проведения испытаний в маневренно-мореходном бассейне по определению сил и момента волнового дрейфа

1.2 Определение структурной зависимости средних составляющих сил волнового дрейфа от кинематических параметров судна и параметров волнения

1.3 Определение зависимости структурных коэффициентов от геометрических характеристик судна

1.4 Методика пересчета сил и момента волнового дрейфа на нерегулярное волнение заданного спектра

Глава 2 Математическое моделирование движения судна в условиях ветра и волнения

2.1 Уравнения движения судна в условиях ветра и волнения

2.2 Результаты математического моделирования и оценка их достоверности на основании сравнения с результатами физического моделирования и натурных испытаний

2.3 Представление результатов математического моделирования в виде секторных диаграмм управляемости

Глава 3 Определение регулярной волны, эквивалентной с точки зрения волновых сил, нерегулярному волнению заданного спектра

3.1 Оценка управляемости судна методом прямого физического моделирования в маневренно-мореходном бассейне

3.2 Определение эквивалентной регулярной волны

Глава 4 Разработка мероприятий по обеспечению управляемости судна в штормовых условиях

4.1 Конструктивные рекомендации по улучшению управляемости судна в штормовых условиях

4.2 Эксплуатационные рекомендации по улучшению управляемости судна в штормовых условиях

Безопасность плавания судна в штормовых условиях во многом зависит от способности судна маневрировать и двигаться заданным курсом. Как показывает морская практика, при движении в условиях ветра и волнения судно может потерять управляемость. Потеря управляемости проявляется в том, что судно с переложенным на максимальный угол рулем не может совершить полную циркуляцию, а становится под некоторым углом к ветру и волнению и движется практически прямолинейно с большим углом дрейфа. Движение судна оказывается возможным только в ограниченных диапазонах углов встречи с волной [29], [38], [40], [58], [59], [62].

Потеря управляемости наиболее вероятна при малых скоростях хода (не более 10 уз). При увеличении скорости хода способность судна маневрировать повышается [38], [40]. Однако, обеспечение управляемости за счет увеличения скорости хода не всегда является возможным. Если в открытом море можно увеличить скорость или двигаться в заданном направлении галсами, то при движении в узкостях необходимо двигаться малыми ходами по заданному фарватеру. Для подводных лодок скорость движения которых в надводном положении не больше 10 - 12 уз, потеря управляемости при интенсивности волнения более 5-6 баллов является достаточно типичным явлением [14], [15], [31].

Задачу обеспечения безопасности плавания в штормовых условиях (с точки зрения управляемости) можно разбить на следующие задачи:

- разработка методики прогнозирования маневренных качеств судна в условиях ветра и волнения и построение диаграмм, позволяющих судоводителю определить скорость хода и диапазон курсовых углов к волне, при которых судно может двигаться, сохраняя управляемость. Имея на борту такую информацию, судоводитель может оценить возможности судна при движении к заданной точке маршрута и построить наилучшую траекторию своего движения, а в случае невозможности такого движения принять решение о штормовом отстое;

- разработка конструктивных мероприятий по обеспечению управляемости судна в условиях ветра и волнения. Как показывает опыт исследований, выполненных в обеспечение проектирования судов различных классов, все мероприятия, направленные на улучшение управляемости (поворотливости) судна на тихой воде, такие как увеличение площади руля или установка на судне рулей повышенной эффективности, одновременно приводит к улучшению характеристик управляемости судна в условиях ветра и волнения. В практике проектирования судов и кораблей существует правило, что для обеспечения управляемости судна площадь руля должна составлять 1,5 - 2,0 % от площади диаметральной плоскости подводной части корпуса судна. Было бы полезным отработать рекомендации по увеличению указанной величины в зависимости от скорости хода и интенсивности морского волнения, при которых должна сохраняться управляемость.

Указанные задачи наилучшим образом могут быть решены методом математического моделирования движения судна, поскольку при этом может быть учтено воздействие на судно ветра и волнения, а также различные режимы работы средств активного управления движением.

Исходные данные для математической модели, включая гидродинамические и аэродинамические характеристики судна, а также средние значения волновых сил наиболее достоверно определяются в результате модельных испытаний.

Основным препятствием на пути исследования характеристик управляемости судна в штормовых условиях методом прямого физического моделирования является практическая невозможность моделирования в условиях опытового бассейна ветра в относительно большой акватории, достаточной для циркуляции модели с небольшим углом перекладки руля. Имеющиеся в мореходных и шельфовых бассейнах воздуходувки используются, главным образом, при исследовании динамики объектов, работающих в режиме динамического позиционирования или стоящих на якорях.

Вместе с тем, даже в отсутствии возможности моделирования ветра, метод прямого физического моделирования целесообразно использовать для оперативной, качественной оценки особенностей управления движением судов в условиях волнения. Что касается подводных лодок, имеющих в надводном положении сравнительно небольшую парусность, то для них метод прямого физического моделирования может дать также достаточно достоверную и количественную оценку характеристик управляемости в условиях волнения.

Однако методология физического моделирования требует существенной доработки, связанной со следующими обстоятельствами. При наличии в маневренно-мореходном бассейне волнопродуктора нерегулярного волнения, обеспечивающего моделирование реального морского волнения, для оценки возможности выполнения судном того или иного маневра, необходимо выполнить достаточно большое число опытов. Это объясняется необходимостью набора статистики, поскольку время маневра оказывается значительно меньше времени реализации, достаточной для идентификации нерегулярного волнения заданной интенсивности.

Чтобы уменьшить число опытов, испытания лучше проводить на регулярном волнении, эквивалентном с точки зрения средних значений волновых сил и момента нерегулярному волнению заданного спектра.

Задача определения эквивалентного регулярного волнения может быть решена только при известной структурной зависимости сил и момента волнового дрейфа от параметров судна. Также необходимо использование математической модели движения судна в условиях ветра и волнения, с использованием которой можно выполнить сопоставительные расчеты для нерегулярного и регулярного волнения.

До последнего времени при определении параметров эквивалентного регулярного волнения считалось, что высота регулярной волны должна равняться высоте 3% обеспеченности нерегулярного волнения, а длина регулярной волны равняться средней длине волны спектра. Часть авторов, стремясь получить более оптимистический результат, считали, что надо брать высоту не 3%, а 20% обеспеченности. Однако в обоих случаях получалось, что с увеличением интенсивности волнения моря управляемость судна улучшается, что противоречит морской практике. Таким образом задача определения параметров эквивалентного регулярного волнения до настоящего времени является нерешенной.

Математические модели движения судна на тихой воде, а также в условиях ветра, представлены в ряде работ [13], [28], [43], [60], [63]. Для описания движения судна в условиях волнения их необходимо дополнить выражениями для средних составляющих волновых сил и момента. Существующие экспериментальные данные [10], [12], [23] позволяют определить (или пересчитать с прототипа) средние значения поперечной (боковой) волновой силы и волнового момента только для неподвижного судна (как правило, для добывающих судов и буровых платформ [11], [35], [57]), из-за чего эти величины исторически получили название сил и момента волнового дрейфа.

Даже в относительно свежих публикациях (как отечественных [7], [23], [26], [103], так и зарубежных [84], [85], [86], [87], [104]) посвященных вопросам управляемости, констатируется тот факт, что на данный момент, нет методики расчета волновых сил действующих на судно, маневрирующее в штормовых условиях.

Попытки использования таких данных по волновым силам (не учитывающих скорость хода судна) в математических моделях движения маневрирующего судна показали существенное несоответствие результатов математического моделирования и результатов натурных и модельных испытаний [68], [69], [70], [79].

Очевидно, что причиной указанного несоответствия является отсутствие в структурных выражениях для сил и момента волнового дрейфа зависимости от скорости движения (точнее от кинематических параметров) судна и направления его движения по отношению к волне.

Таким образом, первоочередной задачей исследования особенностей движения судна в условиях волнения является задача определения сил и момента волнового дрейфа, действующих на маневрирующее судно.

С учетом сказанного, целью диссертационной работы было решение следующих задач:

- разработка расчетно-экспериментального метода определения сил и момента волнового дрейфа, действующих на маневрирующее судно;

- определение структурных выражений для сил и момента волнового дрейфа в зависимости от параметров волнения и кинематических параметров судна;

- определение зависимости коэффициентов структурных выражений для сил и момента волнового дрейфа от геометрических характеристик судна, и, в результате, разработка расчетной методики определения этих сил;

- разработка требований к математической модели движения судна в условиях ветра и волнения, для достоверного моделирования;

- разработка методики определения параметров регулярного волнения, эквивалентного с точки зрения сил волнового дрейфа нерегулярному волнению заданного спектра, для исследования управляемости судна в условиях волнения в маневренно-мореходных бассейнах, не имеющих волнопродукторов нерегулярного волнения;

- разработка методики определения характеристик управляемости судна в штормовых условиях (с использованием математической модели движения) и представление результатов в виде, удобном для использования судоводителем;

- разработка рекомендаций, направленных на улучшение управляемости судна в условиях ветра и волнения.

Заключение

В результате выполнения диссертационной работы получены елеs дующие новые научные и практические результаты:

1. Установлено, что средние значения волновых сил и момента (силы волнового дрейфа), существенно зависят от скорости движения судна. Использование при математическом моделировании движения судна в условиях волнения значений сил и момента волнового дрейфа, определенных для неподвижного судна, как это делалось до последнего времени, приводит к существенным ошибкам при определении траектории движения судна.

2. Предложена структурная зависимость сил и моментов волнового дрейфа от параметров волнения, скорости и направления движения судна.

3. Разработана методика определения коэффициентов структурных зависимостей для сил и момента волнового дрейфа на основании результатов испытаний автономных самоходных моделей в ма-невренно-мореходном бассейне на регулярном волнении.

4. Получены эмпирические формулы для расчета коэффициентов структурных выражений для сил и момента волнового дрейфа с использованием основных геометрических характеристик судна.

5. Определены длина и высота волны регулярного волнения, эквивалентного с точки зрения сил и момента волнового дрейфа нерегулярному волнению заданного спектра, что позволяет оценить управляемость судна в условиях волнения в результате прямого физического моделирования в маневренно-мореходных бассейнах, не имеющих волнопродукторов нерегулярного волнения.

6. Рекомендовано при выборе руля (тип, площадь, профиль) использовать результаты моделирования движения судна на волнении, поскольку, например, небольшое увеличение площади руля (всего на 15 % ч- 20 %) или использования руля с нетрадиционным профилем (но эффективнее чем руль с профилем NACA той же площади) может привести к существенному улучшению характеристик управляемости судна в штормовых условиях.

1. Александров А.А. и др. Справочник по управлению кораблем. // Москва. Воениздат. 1974.

2. Ананьев Д.М. Поперечная сила и момент рыскания, действующие на судно при его произвольном движении на регулярном волнении. // Сборник трудов XXXVI конференции "Крыловские чтения". 1993.

3. Ананьев Д.М. Проблемы управляемости судов на волнении. // Труды 1 -конференции «300-лет Российскому флоту». 1992.

4. Андриевский Б.Р., Фрадков А.Л. Элементы математического моделирования в программных средах средств MATLAB 5 и Scilab. //СПб. Наука. 2001.

5. Антоненко С.В., Суров О.Э. Использование модели ветровых волн для расчета поведения судна на море. // Труды международной конференции "Проблемы прочности и эксплуатационной надежности судов". Владивосток. Изд-во ДВГТУ. 1999.

6. Афанасьев М.И., Трунин В.К. Приближенная оценка сил волнового дрейфа. // Мореходность и стабилизация технических средств освоения океана. Ленинград. 1987.

7. Барбанель Б.А., Потехин Ю.П. К проблеме расчетного анализа движения подводных объектов в присутствии аномальных и характерных воздействий гидрометеорологических факторов. // Сборник тезисов докладов международной конференции «МОРИНТЕХ 2005». СПб. 2005.

8. Басин A.M. Качка судов. // Москва. Транспорт. 1969.

9. Бородай И.К., Мореншильдт В.А., Виленский Г.В. Прикладные задачи динамики судов на волнении. // Л. Судостроение. 1989.

10. Бородай И.К., Нецветаев 10.А. Мореходность судов. // Л. Судостроение. 1982.

11. Ваганов А.Б. Численное моделирование движения плавучих буровых установок в штормовых условиях моря. // Сборник статей. Технические средства освоения шельфа. Н. Новгород. 1991.

12. Ваганов А.Б. Метод расчета позиционирования плавучих технических средств освоения шельфа. // Журнал «Морской вестник» № 1 (19). СПб. 2004.

13. Васильев А.В. Управляемость судов. // JI. Судостроение. 1989.

14. Веремей Е.И., Корчанов В.М. Совершенствование процессов управления движением ПЛ в различных режимах плавания. // Сборник докладов Международной конференции «МОРИНТЕХ 2003». СПб. 2003.

15. Веремей Е.И., Корчанов В.М. Принципы адаптивного управления движением ПЛ в условиях развитого морского волнения. // Сборник докладов международной конференции «МОРИНТЕХ 2003». СПб. 2003.

16. Виленский Г.В. Определение предельных значений сил волнового дрейфа при набегании бесконечно коротких волн. // Судостроительная промышленность. Серия Проектирование судов. Выпуск 2. 1986.

17. Виленский Г.В. Определение сил волнового дрейфа пересчетом по прототипу. // Журнал Судостроение № 3. 1987.

18. Войткунская А.Я. Исследование и разработка способов расчета гидродинамической части возмущающих сил, действующих на судно при движении на косом регулярном волнении. // Сборник трудов ЛКИ. 1980.

19. Гофман А.Д. Движительно-рулевой комплекс и маневрирование судна.// Л. Судостроение. 1988.

20. Григорьев С.Г., Перфилов A.M., Левандовский В.В., Юнкеров В.И. Statgraphics на персональном компьютере. // СПб. ИнфоСтрой. 1992.

21. Гуревич Н., Гуревич О. Visual Basic 5 профессиональное издание. // Москва. ЗАО Издательство Бином. 1998.

22. Девнин С.И. Аэродинамика плохообтекаемых конструкций. // Справочник. Ленинград. Судостроение. 1983.

23. Дмитриев С.П., Пелевин А.Е. Задачи навигации и управления при стабилизации судна на траектории. // СПб. ГНЦ РФ «Электроприбор». 2002.

24. Дмитриева И.Н. Численное исследование режимов движения кранового судна на регулярном волнении. // Сборник трудов XXXVIII конференции "Крыловские чтения". 1997.

25. Ефимьев Н.Н. Основы теории подводных лодок. // Военное издательство МО СССР. Москва. 1965.

26. Жинкин В.Б. Теория и устройство корабля. // СПб. Судостроение. 1995.

27. Земляновский Д.К., Устойчивость движения и рыскливость судов. //Москва. Транспорт. 1976.

28. Зильман Г.И., Павловская Л.М., Зуева И.М. Расчет разворота судна на волнении. // Труды Всесоюзной научно-технической конференции. Горький. 1983.

29. Зильман Г.И. и др. Потеря управляемости судна на регулярном волнении. // Сборник трудов ЛКИ. 1989.

30. Зильман Г.И., Красницкий А.Д. Управляемость судна. // Учебное пособие. ЛКИ. 1986.

31. Кайтанов Ю.С. Способ практического учета нелинейных факторов в расчетах гидромеханических сил и параметров качки при движениисудна на регулярном волнении. // Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. 1990.

32. Кацман Ф.М., Пустошный А.Ф., Штумпф В.М. Пропульсивные качества морских судов. // Ленинград. Судостроение. 1972.

33. Короткин А.И. Присоединенные массы судна. // Справочник. Ленинград. Судостроение. 1986.

34. Кульмач П.П. Якорные системы удержания плавучих объектов. //Ленинград. Судостроение. 1980.

35. Лебедева М.П., Маковский А.Г., Немзер А.И., Николаев Е.П., Юр-канский А.В. Новые органы обеспечения управляемости судов. // Труды международного симпозиума по гидродинамике судна (ISSH), посвященного памяти профессора Басина A.M. 1995.

36. Лукомский Ю. А., Корчанов В. М. Управление морскими подвижными объектами. // СПб. Элмер. 1996.

37. Маковский А.Г., Немзер А.И., Юрканский А.В. Использование руля для позиционирования судна. // Труды XXI конференции "Управление судами и специальными аппаратами" РАН ИЛУ им. Трапезникова В.А. 1994.