автореферат диссертации по транспорту, 05.22.16, диссертация на тему:Математическое моделирование движения речных судов для судоводительских тренажеров

^ На правах рукописи

С

^ ГОРДЕЕВ Олег Иванович

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДВИЖЕНИЯ РЕЧНЫХ СУДОВ ДЛЯ СУДОВОДИТЕЛЬСКИХ ТРЕНАЖЕРОВ (ГРУЗОВЫЕ СУДА И ТОЛКАЕМЫЕ СОСТАВЫ)

05.22.18—Судовождение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Н. Новгород 1997

Работа выполнена в Новосибирской государственной ака^ дешш водного транспорта.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В. Ф. Воронин; доктор технических паук Б. В. Палагушкин; доктор физико-математических наук, профессор Ю. Ф. Ор-

Ведущее предприятие АО .Иртышское речное пароходство".

в^./часов на заседании диссертационного совета Д. 116.03.01'

в Волжской государственной академии водного транспорта по адресу: 603600, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5, ауд. 231.

С диссертацией можно ознакомиться а библиотеке ВГАВТа.

Автореферат разослан ............. 1997г.

Ученый секретарь

лов.

Защита диссертации состоится

диссертационного совета канд. техн. наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Безопасность судовождения в значительной мере определяется уровнем профессиональной подготовки'судоводителей."

Опыт показывает, что такую подготовку Наиболее целесообразно проводить на судоводительских тренажерах, которые позволяют имитировать процессы управления реальными судами.

Современный тренажер является сложным технико-кибернетнчеашм устройством, функционирование которого осуществляется на основе взаимодействия множества различных математических моделей, главной из которых является математическая модель (ММ) управляемого движения судна. •

На судоводительском тренажере ММ проходит разностороннюю (в том числе и сенсорную) проверку, и поэтому требования к ее точности очень высоки.

Разработка ММ, удовлетворяющей этим требованиям, производится на основе достаточно трудоемких теоретических и экспериментальных исследований методами, принятыми в теории корабля и теории речного судовождения.

Несмотря на успехи, достигнутые в области моделирования движения судов в речных условиях, по-прежнему остаются актуальными проблемы, связанные с разработкой высокоточной, универсальной ММ, адекватно отражающей процессы управления реальным судном в различных условиях плавания и разнообразных эксплуатационных ситуациях.

При этом наиболее остро стоят вопросы моделирования движения судов на мелководье, при контакте с мелью, на участках рек со сложным полем скоростей течения.

Кроме того для полноценной подготовки судоводителя необходимо, чтобы он приобрел опыт управления разнообразными объектами. Поэтому есть настоятельная необходимость пополнения "тренажерной библиотеки" математическим» моделями различных типов судов и, особенно, толкаемых составов.

Следует также отметить, что при обучении судоводителей на тренажере неизбежно возникают вопросы, связанные с оценкой качества управления судном. Для объективизации такой оценки необходимо располагать математическими моделями оптимального управления судном в различных условиях плавания.

Заинтересованность эксплуатационных организаций в подготовке, переподготовке и аттестации судоводителей на тренажерах очень велика, и поэтому проблемы .совершенствования судоводительских тренажерных . ■Ж'плексоз весьма актуальны.

Цель работы состоит в создания комплекса математических моделей, яатяюшегсся для судоводительских треналсров основой универсальной рабочей *■ Щ управляемого движения судов и толклемых составов различных типов в разнообразных речных условиях, а -гзк^е преднаяцлчемно-

го для использования при проектировании учебных полигонов и при оценке качества подготовки судоводителей на тренажерах.

Методы исследовании. При выполнении работы автором использованы, в основном, традиционные методы математики, теоретической механики, гидромеханики, принятые в научных исследованиях в области теории корабля, судовождения, гидрологии водных путей. В частности, элементы дифференциального н интегрального исчисления, методы теории вероятностей и математической статистики, математические методы обработки результатов эксперимента, численные методы решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений, а также уравнении в частных производных, методы параметрической идентификации и др.

При выводе уравнений движения судна в заданном поле скоростей течения исполкюяян а ппарат уравнений Эйлера-Лагранжа, а также теория потенциальных движений жидкости.

Под руководством актора выполнен большой объем систематических модельных экспериментальных исследований в прямом и циркуляционном опытовых бассейнах НГАВТ по определению гидродинамических усилий, действующих на толкаемые составы различных типов. Кроме того проведены натурные испытания по замеру параметров движения судов и толкаемых составов на затруднительных для судоходства участках рек Иртыша, Обн, Енисея, Лены с инструментальной съемкой их гйдоолого-морфологическнх особенностей.

Научная новизна диссертации, выносимая на защиту, состоит в разработке комплекса математических моделей для всесторонней качественной подготовки судоводителей на тренажерах, включающего:

- ММ движения разнообразных объектов (грузовые суда, стандартные, нестандартные, порожние толкаемые составы) в речных условиях (на мелководье, при контакте с мелью, на участках со сложными шинами течений);

- методологию совершенствования (идентификации) ММ непосредственно в тренажерных центрах;

- ММ оптимального управления движением судов и толкаемых составов дтя оценки качества управления их тренажерными аналогами;

- алгоритмы расчета поля скоростей течения на затруднительных для судоходства участках рек при разработке ММ районов плавания и учебных полигонов.

Практическая ценность разработанных в диссертации математических моделей состоит в том, что они могут быть основой рабочей математической модели судоводительских тренажеров; дают возможность эффективной организации качественной подготовки судоводителей; могут быть использованы при решении практических задач речного судовождении, эксплуатации и проектирования флота; входят в состав методик по обоснованию габаритов судовых ходов на затруднительных дтя судоходства участках рек.

Реализация результатов работы. Основные научные результаты работы реализованы на действующем судоподител1>ском тренажере "Мастер" центра Тренажерные системы" АО "Иртышское речное пароходство''", а также в методиках расчета маневров толкаемых составов различных тп-лоп - многониточных, порожних, нестандартной компоновки, и методике обоснования габаритов судовых ходов на затруднительных участках pese; теория движения тел п речном потоке использована в методике расчета параметров движения льдин при подходе к; гидросооружениям.

Апробация работы производилась путем публикаций отдельных ее результатов, докладов и сообщений на научных конференциях, заседаниях кафждр судовождения, теории корабля, теоретической механики ИГАВТ, ВГЛВТ, КТИРПх, МЛТИ им. Э.К.Циолковского, на семинаре "Прикладная гидродинамика" Института гидродинамики им. акад. М.АЛаврентьева СО РАН, а также на XIV Всесоюзной конференции по экспериментальной гидромеханике судна (Новосибирск, 1978), на международном симпозиуме в Квебеке (Канада, 1981), на Всесоюзной научно-технической конференции НТО СП "XXXI Крылове кие чтения - 1983 г." (г.Горысий, 1983), XV-ш научно-технической ксн<})еренц!ш Волжско-Камского НТО СП им. акад. АН.Крылова "Очередные задачи речного судостроения" (Гсрькнй, 1985), 11-ой международной конференции "300 лет Российского флота" (Санкт-Петербург, 199-1), международной научно-практической конференция * "Параметры перспективных транспортных систем республики Сахл (Якутии)" (Якутск, 1995) и др.

Публикации. Основные результаты диссертации отражены в 10 публикациях, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и обгли работы. Диссертация состоит из предисловия, введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание включает 256 машинописных страниц, 2(> таблиц, 66 рисунков, список литературы включает 120 наименований.

Автор выражает глубокую признательность сотрудникам НГАВТ, ВГЛВТ, центра "Тренажерные системы" АО ИРП за помощь п выполнении этой многоплановой работы и конструктивное обсуждение ее результатов, а также командам судов, принимавшим участие в натурных испытаниях

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В предисловии дана краткая характеристика работы, обоснована ее • актуальность, сформулирована цель работы, показано ее научное и практическое значение.

Во введении рассмотрены методы построения математических моделей движения судна, обсуждаются вопросы, связанные с повышением точности ММ, используемых в судоводительских тренаясерзх. а тлкже с повышением качества обучения судоводителей.

Аиалт оабот по унраатясмости судов и составов, а такжп cSsA;unmr. опыта работы тренажеров огонькового типа покапал, что в насгся'г/ >- ррг-

Л

ш с цедыо совершенствования работы судоводительских тренажеров необходимо выполнить комплекс научных исследований, включающий следующие работы:

1. При движении судой и составов в спокойной воде:

- на основе известных работ сконструировать математическую модель управляемого движения грузового судна как базовую дня дальнейшего

ее совершенствования:

' ' »

- разработать методы расчета характеристик, определяющих управ. ляемость разнообразных типов составов, вождение которых представляет

известные трудности' (многониточные, порожние, толкаемые составы произвольной компоновки);

- разработать методику практической идентификации математической модели управляемого движения судна (состава) на основе данных натурных экспериментов и экспертных оценок опытных судоводителей.

2. При движении судов и составов с учетом внешних факторов:

- разработать теорию движения судна (состава) в потоке с заданным планом течений (математическая модель, методы определения гидродинамических характеристик, натурные исследования, методы построения пла-

. нов течений на затруднительных для судоходства участках рек);

- разработать методы учета влияния мелководья па управляемость толкаемых составов;

- разработать математическую модель движения судна при контакте с мелью.

3. К оценке качества управления судном (толкаемым составом):

- разработать критерии и метод оценки качества управления судном на участках рек большой протяженности;

- разработать математическую модель оптимального управления движением судна на затруднительных участках рек.

В.первоЛ главе рассматриваются вопросы математического моделирования движения грузовых судов и толкаемых составов различных типов в спокойной воде.

Первый параграф этой главы посвящен грузовым судам.

Вопросы управляемости грузовых судов в спокойной воде разработаны в настоящее время достаточно всесторонне и глубоко. Имеется большое количество работ, посвященных определению гндродшгамичесгагх усилий на корпусах судов и на движительно-рулевых комплексах СДРК). характеристик динамического и кинематического взаимодействия корпуса судна н ДРК, нахождению присоединенньгх масс, ветровцх нагрузок, оценке влияния мелководья и др. Среди них - работы Лшсижж Н.И., Гофмана АД., Зайкова В.И., Когана В.И., Павленко В.Г., Першица Р.Я., Семеновой-Тян-Шанской Л.В., Тумашека А.П., Токарева П.Н. и др. исследователей.

В то же время анализ работ по управляемости судов показывает, что методы расчета отдельных составляющих уравнений движения, полученные различными авторами, имеют различную точность и различные облас-

к

тн применения. Поэтому "сконструированные" из таких разнородных со стаатяющдх математические модели движения судна могут давать противоречивые результаты при расчете тех или иных маневров судна.

Это обстоятельство с одной стороны предопределяет, необходимость последующей идентификации математической модели движения судна, а с другой - необходимость тщательного выбора совокупности методов расчета компонент при построении этой модели для выполнения ее эффективной идентификации (без потери фнзичности, являющейся одним из необходимых условий универсальности математической модели).

В этом параграфе приведена математическая модель движения грузового судна п спокойной воде, полученная на основе известных работ по упраатяемости судов, которая на наш взгляд обладает необходимой исходной точностью, универсальностью структуры и перспективностью для дальнейшего совершенствования и использования в судоводительских тренажерах.

Все компоненты ММ представлены в аналитической форме, что позволяет корректировать ММ, пользуясь ограниченным количеством параметров.

Программы обучения судоводителей на тренажерах включают, как правило, изучение особенностей и получение навыков управления такими сложными объектами, какими латаются толкаемые составы - особенно большегрузные (многониточные), порожние, составы нестандартной компоновки.

В следующих парагрп(|>ах первой главы приведены результаты выполненных автором экспериментальных и теоретических исследований, позволившие разработать математические модели движения толкаемых составов различных типов для судоводительских тренажеров.

Здесь даны методы расчета гидродинамических характеристик и присоединенных масс толкаемых составов, а также результаты расчета параметров движения составов при выполнении маневра "циркуляция* -информация для капитанов-наставников тренажерных центров.

Методы расчета гидродинамических усилий, действующих иа толкаемые составы различных типов, разработаны на базе модельного эксперимента в прямом и циркуляционном опытовых бассейнах НГАВТ.

Результирующие формулы для коэффициентов гидродинамических усилий, действующих на толкаемые составы имеют вид:

(1)

(2)

ОЦ/Гк

ру Ь I

- $\г? р+^|зт2р| + Ь\ 8!П2 2рзт2 Зр)п,- (3)

где /?*, К* - продольная и поперечная составляющие гидродинамически сил, действующих на состав;

Мк - момент гидродинамических сил относительно вертикально!? оси, проходящей через д.т. состава;

Р, О = —у - угол дрейфа при ц.т. и безразмерная угловая скорость состава;

V скорость ц.т и длина, состава;

С^о • . эффициент сопротивления воды движению состава при

Р=0, ©=0. .

Величина Т для стандартных составов принимается равной осадке баржи, для нестандартных - средней осадке барж, для порожних - отношению водоизмещения состава (V) к величине ЬВс (где Вс - ширина состава).

Коэффициенты Л/, Ь;, входящие в формулы (2), (3), определяются в зависимости от компоновки состава, загрузки барж, соотношения разме-. ров барж и толкача и до.

Рассмотрены следующие типы составов: Т+1, Т+1+1, Т+1+1+1; Т+2, Т+2+2, Т+2+2+2; Т+3, Т+3+3, Т+-3+3+3, Т+3+3+3+3; Т+4*4, Т-йй-й.

Для нестандартных толкаемых составов (НТС) программа эксперимента включала исследование моделей составов, асимметричных в плане к составов, скомпонованных из моделей барж, имеющих различные осадт

Компоновка моделей составов асимметричных в плане производилась на основе шести "стандартных" типов ссставоз, к которым добавились модели барж - "подвесов.

Были испытаны следующие типы асимметричных составов: одпонк-точные - Т+2+1+1, Т+1+2+1, Т+1+1+2, Т+2+2+1, Т+2+1, Т+1+2, Тч2; двухни-точпые - Т+3+2+2, Т+3+2, Т+3. При этом каждый тип состава кспытывалск дважды - при расположении "барж-подвесок" с внутреннего (по отношению к циркуляции) н внешнего бортов состава. Кроме того, был выполнен эксперимент по оценке влияния поперечного 'смещения толкача в двухниточ-ных составах. При проведении испытаний динамометрическое устройство устанавливалось в ц.т. модели состава.

6

Исследование усилий, действующих на модели толкаемых составов, скомпонованных из барж с различными осадками, производилось на следующих типах составов:

Т+115+1+1; Т+Шц+1; Т+1+1+1]^ Т+иЬми.Ы Т+1 ¡5+1+11,5;

Т+]о5+1л5+1; Т+и1ц (числа 1,5 и 0,5 означают, что соответствующая баржа в составе имела осадку 1,57» и 0,57^ где Тв - осадка стандартной баржи).

Коэффициенты гидродинамических усилий на корпусах НТС находятся по зависимостям (1) - (3) с использованием новых коэффициентов а„ Ь„ определяемых по формулам, учитывающим асимметрию составов и различие в осадках барж.

В завершении первой главы приведены основные данные, необходимые для построения ММ движения порожних толкаемых составов - метод расчета гидродинамических усатий на корпусах, рекомендации по определению присоединенных масс и скоростей движения, а также дана информация для специалистов тренажерных центров по особенностям упраштяе-мости порожних составов, полученная по результатам систематических расчетов маневра "циркуляция".

В основу метода расчета гидродинамических усилий на корпусах порожних толкаемых составов положены испытания моделей восьми типов составов - Т+2, Т+3, Т+1+1, Т+2+2, Т+3+3, Т+4+4, Т+2+2+2, Т+3+3+3.

Коэффициенты гидродинамических усилий находятся по формулам (1) - (3) с коэффициентами л"/, У;, учитывающими относительные размеры порожних барж, толкача и ко\пюнов1су составов. Величина Сп откорректирована по результатам сопостаатения расчетных и натурных параметров установившейся циркуляции (уменьшена примерно на 25 5Б).

Метод расчета коэффициентов присоединенных масс толкаемых составов основан на использовании инерционных коэффициентов счала, характеризующих изменение присоединенной массы толкаемого состава, об-услоапенное взаимным ачияннем судов в составе, по сравнению с суммарным значением присоединенных масс разрозненных судов.

Коэффициент присоединенной массы толкаемого состава при продольном движении на глубокой воде:

, 2*11 /V;

-- - <*>

р 2у/

где V; - водоизмещение ¿го судна;

О- количество судов в составе;

/- инерционный коэффициент счала.

Величина /найдена для "составов* из эллипсоидов с исяольтоплнием метода Э ДЬ.гоха и АС.Гнневского (табл. 1).

7.

Таблица 1

. Инерционные коэффициенты счала толкаемых составов

Тип счала 1 Тип счала /

Т+1 0,90 < Т+3 1,78

Т+1+1 0,74 Т+3+3 1,48

Т+1+1+1 • 0,61 Т+3+3+3 1.35

Т+2 1,49 Т+4 2,00

Т+2+2 ' 1,25 Т+4+4 1,63

Т+2+2+2 ' 1.14 Т+444+4 1,47

В диссертации приведены также формулы для определения коэффициентов присоединенных масс толкаемьгх составов при их поперечном и вращетельном движении.

Определение коэффициентов присоединенных масс МТС при продольном движении произведено, как и для стандартных составов, с помощью инерционных коэффициентов счала, величины которых приближен-. но найдены при введении следующих допущений:

1. Взаимное влияние на величины присоединенных масс отдельных судов оказывают только соседние суда состава.

2. Коэффициенты взаимного влияния на присоединенные массы соседних судов, найденные для стандартных составов, сохраняют свои значения и для НТС.

Расчеты показали, что значения инерционных коэффициентов счала нестандартных составов практичеаси не зависят от положения баржн-подвески по длине_состава.

Результирующие значения инерционных коэффициентов счала составов с баржами-подвесками к стандартным составам/'приведены в табл. 2.

Таблица 2

Значения коэффициентов}'

Коэффициент \ Тип базового состава

Т+1+1 Т+1+1+1 Т+2+2 Ъ2+2+2

У 1;1б 0,91 1,55 1,27

Во второй главе диссертации дан разработанный под руководством автором метод расчета гидродинамических усилий ка корпусах толкаемых составов при их криволинейном движении на мелководье, приведены результаты систематических расчетов по оценке влияния мелководья на упраатяемость составов, рассмотрены особенности математического моделирования движения судов при контакте с мелью и маневров по снятии судна с мели собственными силами.

а

Практика судовождения н результаты экспериментальных и теоретических исследований показывают, что изменение запаса воды под дчч-щем судов и составов существенно влияет, на их управляемость. Причем это влияние проявляется двояко: с одной стороны, улучшая, а с другой, ухудшая, эксплуатационные качества судов и составов. Так углы дрейфа, з, следовательно, и - требуемые габариты судового хода1 на мелхогодю уменьшаются при постоянных радиусах кривизны, и, в то же время, поворотливость и устойчивость на icypce судов и составов, как правило, ухудшаются.

В настоящее время в некоторых бассейнах суда и составы эксплуатируются в условиях, когда мелк.свод!>е является постоянно действующим фактором. Это относится к верхнему и среднему течению магистральных рек Сибири - Иртышу, Оби,'Лене, большинству "боковых* и так называемых "малых* рек - Пур, НаДым, Томь, Тара, Тура, íviipenra и др.

Все это пьпывает необходимость обучения судоводителей технологиям управления судами и составами в условиях мелководья.

Изучение управляемости судов и составов па мелководье проводилось многими исследователями. Среди них - Агашш Е.В.,-Велинсго'й В.Г., Витавер Л.М., ВьюгоаВ.В.; Гордеев О.И., Гофман АД, Дерсвянченко Я.Т., Коган В,И., Мании В.М., Мустафнн А.Н., Павленко В.Г., Kozeki N., Schmidt-Stíebíts Н., Yamanouchi Y. и др.

Наименее изученным:! в настоящее время являются вопросы, связанные с маневрированием толкаемых составов на мелководье и с мапеврнро-' ванием судов при контакте с мелуо.

В связи с этим под руководством автора а опытовых бассейнах НГАВТ в;,¡полнены модельные исследования гидроданамнчеосих уе:г.пч, действующих на толкаемые составы при ограниченной глубине воды.

Аппроксимация экспериментальных зависимостей коэффициента пщродннамическнх усилий от параметров ß, Q, 4 (ír Tl-'II, где II- гггубин.з ,-:с-Д! О произведена на базе структуры выражений, для случая двнже-ния составов в глубокой воде с введением новых коэффициентов ,с/'¿ b¡'J¡,:

4f = a¡(l,+ l5íc<); 4f sf - 3¿(l-2£f,);

a? =aí(l + 4.7/e4): af = <t.7¿c4); af«^; = 6," = ¿í(l+W); ¿f = К +0,29/; ; ¿f - "tf): (5)

• Кроме тего, o- (3) для более точной аппроксимации иагпфчмеиталь" мчаданных г виде дополнительного члена пподнтся фуязяо« Ф^ФЙ-, ß, О).

3 '

Продольная составляющая гидродинамических сил на мелководье определяется на базе известных зависимостей.

На основе систематических расчетов на ЭВМ получена информация для капитанов-наставников тренажерных центров по влиянию мелководья на управляемость толкаемых составов.

В практике эксплуатации речных судов нередки случаи их поездки на мель. Для обучения судоводителей приемам управления судном при контакте - с грунтом на судоводительском тренажере требуется соответствующая математическая модель.

В реальных условиях, предпринимая первые попытки снятия судна с мели, судоводитель, как правило, не располагает (особенно в ночное Брега) подробной информацией о рельефе дна н осадках судна. Он действует интуитивно, основываясь'на известном опыте маневрирования при контакте судна с грунтом, стараясь уловить малейшие реащии судна при тех к;:п иных манипуляциях ДРК.

В связи с этим представляется целесообразным, опираясь на базовую фнзичеси! обоснованную математическую модель управляемого движения судна, описать маневры до снятию судна с меля собственными силг.мгг, связанные с трудно поддающимися расчету деформациями корзуос»: судна и размывом грунта ДРК, в имитационном аспекте.

При этом параметры имитационных процессов устанавливаются и корректируются на основе экспертных оценок опытных судоводителей.

В диссертации рассмотрены основные положен;и такого подходя к моделированию управляемого движения судна при контакте с мелью.

Прн касании грунта движение судна может, с известным приблике-ине.м, по-прежпему рассматриваться как шюскопарлллельное. При зтом а состав действующих сил вводятся главный сектор и главный момент сил трения.

Проекции главного вектора сил трения на подзкгкные осй.коордаяат и главный момент сил трения относительно вертикальной оси, проходящей' через т. М, равны:

Ръ = РТц = тт ~ВП . (6)

ум 1 и

В Цюрмулах (6) обозначено:

^ = = ^ -Ю • ПЛГ ; = +0) , (7)

где Уь И' - проекции скорости ц.т. судна на подвижные оси координат;

Ум- скорость точки судна с координатами с^м х\м, стохществляемой с ц.т. площади соприкосновения корпуса с мелью; В - весоиое водоизмещение судка; кр - коэффициент давления судна на грунт; (у, ¿д-.козффицнент трекня скольжения и верчения соответственно.

Координаты с,м и т^ м равны:

Пм = ~{хм ~ +{Ум ~ r)eos4>,J

где Хм, Ум- координаты ц.т. площади соприкосновения мели и судна в неподвижной системе отсчета.

При соприкосновении с мелью может наступить момент, когда одна из точек судна будет неподвижной. В этом случае его движение может быть описано одним уравнением вращательного движения судна относи-! тельно вертикальной оси, проходящей через эту точ1су.

Результирующая математическая модель охватывает три вида движения судна - свободное плоское до контакта с мелью, плоское от контакта до ' .<,/--О с учетом сил трения о грунт, вращательное с учетом момента трения верчения.

Приемы управления ДРК при самостоятельном снятии суднз с мели достаточно однообразны: это работа ДРК на задний ход , перекладка ДРК с борта на борт, ритмичное изменение частоты вращения двигателей, работа ДРК "враздрай" и т.д.

Искусство судоводителя при снятии с мели собственными силами состоит в исследовании реакции судна на тот или иной маневр и выборе наиболее эффективных действий.

Моделирование маневров по снятию с мели производится на основе описанной выше результирующей математической модели управляемого движения судна с введением системы функций "поощрения" действий судоводителя, если они соответствуют заданной на тренажере эксплуатационной ситуации.

Эти функции уменьшают величину давления судна на груктс тчпн-руя как бы размыв грунта и деформацию поверхности мели. Параметры этих фушщий могут быть откорректированы па основе экспертных оценок опытных судоводителей.

Например, одна из функций - функция "поощрения за настойчивость" вводится при непрерывкой работе двигателей а режиме "назад". Имитируется размыв грунта струен движителей

' кр =А'р0ехр[-2?//(т-Т£)], (9)

где i = • текущее безразмерное время;

т.*- безразмерное время включения двигателей на задний ход;

Jíf0 - значения коэффициента дзплсния в момент т=т>

Коэффициент Вц выбирается исходя из задзяаемого времени сходя судна с меля при выполнении данного маневра, которое зависит от вида грунта, посадки судна, крутизны поверхности мели и др.

Расчгт,производится методом приближений с использованием соот-ноглеккь:'

у2 , г,/., \3

где

бВи = -С',77(бгс)+2,25(5тс} - 4,3{бтс) , (10) '

« *

ьви = &—1\ 1, • (И)

: гс о •

V- безразмерное время снятия с мели (задается экспертом);

Дуо - значения величин первого приближения.

Например, для т/х пр. 21-88 при времени схода с мели равном 9 ыклу-таь-- (г^ЗО) коэффициент Вц$ равен ОД (для песчаного фунта).

Аиалолгаю вводятся функция поощрения за умелое манипулирование частотой вращения двигателя и углом перекладки ДРК.

Пользуясь набором вышеприведенных функций, варьируя их параметры в широких пределах с целью создания реальных или учебных эксплуатационных ситуаций, 'могкпЬ существенно пополнить арсенал оЗу-чающкх к контролирующих средств судоводительского тренажера.

Третья глава посвящена математическому моделировании) да-лизи:;;». судоз н толкаемых составов на участках рек с заданны»! планом течении.

Течение оказывает значительное влияние на управляемость речлкя судо:.. Оссбеш.э сильно это влияние проявляется из толкаемых составах, шяорьв вследствие больших габаритов пересекают участия с самой ргз-. носбразной'вдоль состава плановой структурой течений.

При этом опыт судовождения нияаыьает, что реашдея состава па воздействие течения часто оказывается более быстрой, чем это достигается с помощыо средств управления составом.

В епкзн с этим программы работы судоводителей на трсналъгряп предусматривают, как правило, обучение безопасному маневрироо&кяа судами и составами на течении. •

Впервые проблема управляемости, судос на течении изучаюсь. В.Г.Паа ченко, им исследованы общие аспекты воздействия течения и; судно и получено решение о габаритах, занимаемых судном ка ехг-ма; роиан.ч о м повороте рекк.

Различные вопросы управляемости судов и составов на течений ьс-. следовали Л.М.Витапер, О.И.Гордеев, В.И.Зайков, В.Г.Павленко, РЛ.Псрьшцн АИ.Немзеркдр.

Практически реализованная форма упранленин движения судоз на* учаспг" с задаваемыми планами течений получена актором и 1973-74 г. г.

Дальнейшее развитие этого подхода с диализу даикешг тел ь скэся-с»гм потоке позволило разработать математическую код-^ло длл е/лжодд-тел;-.е»гес тренажеров.

Одной из оогоскы?. задгч теор.-л! уиргаакехюстп сухрз к •гсогс.с.п&с: состааоз па участках с заданным пла;:о:4 тсчзккй паллета: лешш гндродщамическнч усилий, действующ!к па и:: кор,ссц.

а

Обзор работ но управляемости судев и толкаемых cocí азов показывает, что этот вопрос практически не изучен.

В связи с этим автором было выполнено экспериментальное игел'.до вание по определению гидродинамических усилии, действующих im модич» состава при различных згпорах скоростей натекающего г.oí ока.

Эксперимент выполнен на установке, схема которой показана на рис. 1. Модель толкаемого состава, установленная в гидхжамале, обтекалась потоком с различными эпюрами скоростей, которые создавались с помощью специального устройства - гасителя.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки и -эпюры сксччхггей 1 - .модель состава, 2 - динамометрическое устройство, 3 - "рабочая* эпюра скоростей потока, 4 - гаситель

Замеры скоростей воды производились в поперечном ссчсгиш потокл, расположенном п 0,7 м выше но течению от места подвески модели каждые 0,1 м на глубине 0,015 м до установки модели в рабочее положение.

Модели барж и толкача, из которых скомпонован состав типа Т»2, имели следующие г.гчпные размерен»««: 7^'"-1,2»0,228 »0,<СН:> ч;

Ттл,-0М 137x0,033 м; обводы барж - санеобразшле. Длина со става равнял-;.*ь 1,8-1 м.

Динамометрическое устройство устанавливалось в ц.т. модели состава. Подвеска модели обеспечивала ее свободное всплытие и дифферент.

Испытания были проведены при четырех эпюрах скоростей потока (см. рис. 1).и двенадцати углах дрейфа (при повороте модели в обе стороны). Глубина воды в месте установки модели равнялась 0,14 м.

В процессе испытаний замерялись продольная, поперечная составляющие и момент гидродинамических сил.

Анализ. результатов эксперимента позволил выработать гипотезу, дающую эффективный способ определения гидродинамических усилий на корпусах судов и составов, движущихся в потоке- с заданной скоростной структурой.

Эта гипотеза, названная автором гипотезой "эквивалентности'', фор-мулнруется следующим образомг.

гидродинамические усилия на судне (толкаемом составе) в потоке с неравномерным полем скоростей течения равны усилиям,действующим на судно при его движении в спокойной воде с параметрами,, определяемыми из условия эквивалентности эпюр скоростей,, обтекающих судно в рассматриваемом потоке и в спокойной воде.

Тагам образом:

К-

я,а9)-рУ?1Т;

(12)

где Уэ,$э,0.э -эквивалентные параметры движения судна;

оэ =

■ихт\

и%т =

0,51

I

-0,51

ЯТ'» } 0.5Л.

со э = со - (о т;.

(13)

(14)

где и и V, - продольная и поперечная составляющие спорости по тока в точке воображаемой ДГТ судна, с координатой Для составления уравнений движения судна на течении необходимо найти суммарную кинетическую энергию судна, и возмущений жидкости, вносимых им в неравномерный, (в плане) поток

Наиболее общее решение задачи о движении, тела в- сносящем потоке идеальной, жидкости с введением- понятий "соприкасающегося 'поля скоростей" и "Деформационных потенциалов*' впервые было дано Л.МВитавером и В.Г.Павленко,

В диссертации рассмотри приблихгейкый подход к определению кинетической энергии при двияхпчи судна в неравномерном потоке.

Потенциал скоростей возмущений жидкости, вызванных движением тела п неравномерном потоке идеальной кидкости, на основе принципа суперпозиции решений уравнения Лапласа может быть представлен о виде:

ф = фк+фа, (15)

где Фк- потенциал скоростей ¡три движении тела в покоящейся жидкости;

Ф.(- потенциал скоростей, пьппшгоьгх обтеканием тела неравпомер*-ным потоком.

Граничные задачгг по оггределешгю Фг» Фи ({»ротируются следую« щим образом:'

АФГ = 0;

V •

* а >

■ <о

ДФа»0; —а

СП и

1Г-+Х

где

В формулах (16) 'л н Ип- это нормальные к поверхности 5составляющие скоростей точек тела и натекающего потока соответственно.

В диссертации рассматривается приближенный способ нахождения

потенциала скоростей Ф„ тела, движущегося и неравномерном потоке, основанный па представлении составляющих сисростей натекающего потока в районе тела в виде рядов Маклорена с учетом только линейных членов. Тогда граничное условие на поверхности тела, полагал снослпшй поток потенциальным, можно представить в виде:

= -«-0« - " чоР - ифЧ - "«о • + к[Ф + ■

с'л

(17)

• "чсо ' (1Р + Ча) - "«о(§Г + ?<») - (»ПГ +

где

и!А о =

ди^ К ^

( си.

_Ч

(18)

к/, к/- постоянные, определяемые пндом потенциала скор«ггпй сно-

/5

опцего потока.

СП 15

В теории речного судовождения обычно рассматривается. плоское движение судов и составов в плоскоиараллслыюм речном потоке. В этом случае потенциал скоростей, вызванных движением тела, имеет вид:

Ф = (К0, - и0. )Ф1 + (У0ц - + о ;ф6 - Ик(,\|/, - и-г.лоЧ12 . (19) -

В выражении (19) \У^, - юшематичеаше характеристики абсолютного плоского движения тела.

Единичные потенциапы ф/ и ц// должны удовлетворять соответствующим уравнениям Лапласа и граничным условиям.

Величина Тх: выражается' через присоединенные массы тела, кото. рые с учетом продольной симметрии тела образуют симметрическую мат- . рнцу:.

О

(Г 1 V АП 0

^26 0 22

-л 1|/ 01 . АС2

л,п К12

ч-

л Ч"С

(20;

22 У

Присоединенные массы тела в равномерном и неравномерном (с индексом у) пел оках равны:

(¿1

да

с\г/

(5)

оп

и

дп

(21)

Для тела, имеющего ташке я поперечную плоскость симметрии (4О4) имеем:

х26=о; *22=0; = (22)

■ И работе дан метод определения величин лД'3, лТУ, а.22 К" трехосных эллипсоидов в неравномерном потоке, которые предлагается иак>т> зол.-.г/1, (и качестве первого приближения) в расчетах двил.сняя судог и то:х: ^ммх составов на течении. '

:> 'о-шил речных условиях местное распределение сщххтсЯ потока о.г,¡сьтаемое величинами Що, о, ^п-о, не всегда достаточно кхтоэ характеризует поле скоростей в рредолахдепшы судна (ссст-ша), к,> зго.му при практических ргсхотах необходимо перейти к средним (кдшо» судча) значениям этих величин, т.е. гтринять:

J- -0,5 L }

В результате расчетное выражение для кинетической энергии системы судно-жидкость, при движении судна (состава) в неравномерном речном потоке получено в виде:

Т = ТС+ТЖ= + + ji3V -

+>.22иАТ{ицТ-2V2)-2Xl2(ooT+X^co2T +л17'4о]»

где il[=pV+>.n;íi|' = pV+?.2,2;n3r=/í+?.c3. -(25)

Уравнения движения судна (толкаемого состава) на участках рзк с заданным полем скоростей течения в плане получены на основе алгоритма уравнений Эйлера-Лагранжа в виде:

ßf -<а(ц|*К2 + cosw' +Ву sinv]/ ;

т dV-i (//¿„г / т \

1" ~cít ~ kz! + v 1 Vl ~ }"utíiT)~ sllvv'+ Ву COSV'1' = Р'т>; Из ~ - 42 —[■ + - Xa«, г) - П (мГП - + - Af, (26)

где /¿, - проекции главного вектора всех сил, действующих ня с;;;'.:: подвижные оси координат: М- главный момент всех сил относительно вертикальном ог;,,

ходящей чер.п ц. г. судна; \jí' - угол líypca судил,

Вх = кп{гг +

Коэффициенты Д, Д, определяются также ;:.гт: А

+

е.-

Я

опера-ют — чз — и----соответственно.

сл су £п)!'

Уравнения (26) интегрируются совместно с зошелалгичесюшн соотношениями;

■- V¡ eos ц>' - V2 sin ;

di dy

—7 = Vx símj/' -f У2 eosyr';

ái>' di

(28)

Система уравнении (26) - (2S) позволяет при заданном плане течении (U.Xj tly¡ и ííidgctuoíí способе определения усилий на корпусе а ДРК найтк параметры абсолютного дщикения суд-га (толкаемого состава) V\, V2, <а, х,

Для оценки jípcTÓEcpfíocTíi разработанной математической модели бьш цынолиец натурный эксперимент по замеру параметров движения толкземых составов TV1 fía затруднительных для судоходства участках рек: в узле слияния рек Ангара-Енисей и на Новологииовском повороте peras Иртыш. Планы течений из этих участках снимались непосредственно перед испытаниями составов.

В диссертации приведены результаты сопоставления расчетных и экспериментальных данных, удовлетворительное соответствие которых, позволяю рекомендовать разработанную ММ движения судов и толкаемых составов на участках рек с заданным полем скоростей для нсполь- ( зованця в судоводительских тренажерах.

В заключение этой главы приведены схемы расчета поля скоростей течения на поворотах рек, в узлах слияния и разделения потоков на базе известных уравнений движения речного потока в криволинейных координатах, полученных ИАШеренковым.

В четвертой главе на основе исследований автора приведены общие рекомендации и практические методы идентификации математической модели судна (состава) по диаграмме поворотливости, при маневре 'зигзаг", в случае прямолинейного движения при боковом ветре - по натурным данным и по экспертным оценкам судоводителей, предназначенные для специалистов судоводительских тренажерных центров, которые по мере накопления замечаний к маневренным характеристикам "тренажерного судна" (состава) могут производить коррекцию математической модели, не обращаясь к ее разработчикам.

На основе известных подходов к проведению идентификации ММ движения судна принята следующая процедура ее реализации:

1. На основе анализа значений коэффициентов относительной чувствительности выявляются параметры, за счет которых наиболее целесообразно корректировать уравнения движения;

2. Выбираются частные и обобщенные критерии оптимизации:

- по диаграмме поворотливости:

2

- а-) =min>

j'-i

:(ß3;-ß;)2=min;

2.

/=-1

-n^2 +X2(ß3/ -P/f ] =

mm.

где О;, Оз; - расчетное и экспериментальное значения безразмерной угловой скорости при /ом значении угла пере:гадки ДРК соот-. ветствешго;

Ра Рз; -расчетное и экспериментальное значения угла дрейфа при ¿ом значении угла перекладки ДРК; 7-2 - весовые множители. - по данным ?,:аневра "зигзаг":

Р V ~ тч,) = т'ш; | V I ~ V/ ш | - ■и1® г

А„ \ТчЭ - Т<у I + Сч, fvi ~ У m | = nun,

¡"Де ^frar Т- амплитуда и период изменения угла курса;,

Cj,. С%,- постоянные множители. - при боковом ветре:

(30)

•а

Л3

■ mm,

(31>

где а,-, ка- - расчетные и экспериментальные-значения угла перекладя;

ДРК необходимые для удержания судна на курсе- при боковом ветре.

3. Назначаются ограничения; для параметров*, и. характеристик,. имеющих физическую природу,, с учетом коэфф1ггтегггов относительной чувствительности- Например, ограничения на п.;^одитахтческие коэффициенты уравнений движения судна могут быть.приняты в-виде::

■'1ру=1 \ ••\Pi 'PI'

о.

(32)

где С., , С А -величины коз(№щиентов поперечной силы на корпусе

л>Р1-1 11

судна при текущих значениях кинематических характеристик (О,. (], V) при. значениях корректирующих множителей равных еданице и при варьировании корректирующих множителей соответственно; 1$

5П, Ът - заданные величины допустимых относительных otjl'ïo неннй по С-ц и Са.

4. Производится расчет ¡¡а ЭВМ критериев оптимальности при варьировании комплексов параметров по принятому алгоритму оптимизации с одновременной проверкой выполнимости наложенных ограничений на основе разработанного автором метода "послойной идентификации".

Суть метода заточается в следующем. Первоначальные значения п параметров А, (множителей к коэффициентам уравнений) изменяют на ве-:тчп;г/ шага ±ДЛ/. В результате получается система 2п величин ("слой"). Затем производятся*расчеты характеристик движения судна и критериев оптимальности при варьировании групп по п из 2а параметров. Количество

о11

вариантов равно À . .

Группа параметров, соответствующая минимальному значению критерия, принимается за исходную для формирования следующего слоя значений, д ля этого к значениям этих параметров добавляют (при Aj^-jAj) или отнимают (при Aj,i<Aj, }• помер слоя) величину шага, вновь получают систему 2ll величины и процесс повторяется. Шаг АД- принимается либо постоянным для всех параметров, либо переменным, например, обратно пропорциональным величинам соответствующих коэффициентов относительной чувствительности.

Практический опыт идентификации показывает, что при удачно выбранном шаге можно получить набор il параметров, дающих хорошее соответствие расчетных и экспериментальных значений диаграммы поворотливости при рассмотрении всего 2,3 слоев значений параметров.

На основе этого алгоритма была составлена программа идентификации математической модели движения судна, которая реализуется в интерактивном режиме.

В диссертации приведены подробные рекомендации и многочисленные примеры, призванные облегчить практическое использование методики идентификации в судоводительских тренажерных центрах.

В заключение четвертой главы приведена методика коррекции ММ движения судна по экспертным оценкам судоводителей, содержащая методику опроса и схемы коррекции различных эксплуатационных характеристик судов в различных условиях плавания.

Пятая nana посвящена разработке ММ для оценки качества управления судами il толкаемыми составами на судоводительских тренажерах.

При обучении судоводителей на тренажере неизбежно встает вопрос об.оценке степени овладения процессом управления судном в различных ркенлуатлцнонных ситуациях Поскольку один и тот же маневр может быть выполнен с помощыЬ множества различных законов управления ДРК судна, то при такой оценке желательно исходить из условия выполнения oir,4';v.*ié)!H:.nc критериев качества.

20

Опытный с/докодатель, стремясь обеспечить мшеяшаяькрэ безопасность судна и эффективность своих действий, придерживается сгтре-дслеиных "неписаных" правил управления судно.*,!. Например, np« прежкз» деге-от затруднительного для судоходства учйстка peiert си стремятся сст-> asm. некоторые запасы по ширине судового г.одг и по поворотлизосш (углу переклздки ДРК) на случай соверщенк г исаргдт-ВДрнкь». из-за ошибок управления, неучтенных факторос, пеожзддшксс сСстъ> текьетз п т.д. Он' - не "суетлив" - старается ограничатся .мннпмумо; t мзш?« пуляций ДРК, так гак хорошо знает дгшядшчеекча качества своего судка к рзнок плавания, легко прогнозируя поведение суднз в ргзличьых o^crjiya-тацногшьх ситуациях.

В работе рассматриваются-следующие критерии гачгетш упрааякстя судном, представляющие, по мнению автора, клкболшнЛ интерес с грс-иессе обучения судоводителей на трепакере:

1. Критерий максимума запаса ширины судового кода в каьСслс^ опасном района рассматриваемого затруднительного участка. Опасны.! ргйся - место, где ширина ходовой полосы, заюздземос! судно:.!, - кгмЗо}?*-

ШЗЯ.

2. Критерий максимума запаса поворотливости- при прохождении судном затруднительного участка (запас угла переклад<и! ДРК),

3. Критерий минимума времени манипуляций ДРК при прохогддеини затруднительного участка реки или близкий ему по смыслу - критерий мк-нимума количества перекладок ДРК при прохождении затруднительного участка рек]!.

4. Критерий минимума частоты перекладок ДРК в рейсе.

Отмечается, что определяющую роль а удоплгтпорепни крнт*яуг.чм

(1) Ii (2) кгрзет надлгжнций выбор ф~&рмм траектории, роторзЛ судоводитель собирается провести свое судно. К тому зеггруд!п¿тсл^.г л; учгстки не содержат, как привило, больших позмо^нсsr/сяй дкл -¿с--;-*-"*-.er-;-шм формы и поло:ксния судоходной трассы - докустемг.» откжжетл'г/;у: i от оси судового хода еСычпо невелики.

Поэтому наибольшее значение в оценке качества управлгн'ю су;,по* приобретает ¡фнтерий минимума перекладок ДРК. при лдекзеи!'.". т заданной трассе.

Процесс расчета движения судна (состава) по фиксированной "* па ЭВМ можно построить различными cnoccuavn, опираясь на уронен так свободного, так и несвободного диилсенн;' судка.

В работе обсуждаются получешкло автором дне сЬормы урглдглкй дянкения судна его заданной траектории, Пергмя форма - результат !;р;.г."е-нент уравнений Знг.орг.-Лагр?.нх:а с ro.irHcvü-.: ^ -rsuwi

(ур:и::'еш:см трг.е::тори!г). Зторзя окждз нийдс:^ нл ("азг уравнений

^аЛггрсНпл с ясспродедмгды«;! гигогг-п'^лл^:-:. 'Л та п ;-:-;yra.-7 ¿■челгу t:;u; 'г;.!": j?,-з s."ii::ci::.'c>n:. с:- р;.-';'".-::.":-": "чддч су;:'>

Для судоводительских тренажеров отдано предпочтение уравнениям свободного движения судна с разработанным автором алгоритмом оптимального управления ДРК, обеспечивающим движение ц.т. судна по заданной трассе.

Определение закона оптимального (по' критерию 3) управления осуществляется в следующей последовательности:

1. Производятся расчеты траектории движения ц.т. судна (состава) при различных значениях углов перекладки насадок до касания ею границ "коридора" допустимых отклонений. Выбирается оптимальное значение а на первом участке (ах0"77) по максимуму пройденного ц.т. судна пути

Этот расчет организуется в соответствии с правилом "золотого сечения".

2. Дня определения оптимального момента времени и величины угла второй перекладки ДРК (а, следовательно, и начала второго участка оптимальной траектории) выполняются аналогичные расчеты, но при последовательном (пошаговом) смещении начального положения судна по траектории а.\с::т=соп51 назад от точки ее касания границы "коридора". Искомый момент переключения ДРК и величина о.20ПТ определяются из условия максимума величин З^", подсчитываемых на каждом шаге.

3. Производится определение момента начала и величины третьей перекладки (аз01") и т.д. до тех пор, пои весь рассматриваемых участок не будет пройден.

В результате получаем оптимальную траекторию движения ц.т. судна, состоящую из отрезков траекторий с а™т=сопяи а также оптимальный закон перекладки насадок а«а(0, обеспечивающий движение ц.т. судна по этой траектории. '

Натурные исследования по проводке толкаемого состава Т+1 (т/х пр. 758, баржа пр. Р-56) на Новологиновском и Тайчинском поворотах р.Иртыш показали, что расчетные законы оптимального управления ДРК толкача в целом соответствуют реальным, а расчетные параметры движения состава близки к натурным. В качестве заданных использовались траектории дви-гхення ц.т. состава, полученные из эксперимента. Допустимые отклонения ц.т. состава - но более 10 м. .

Порченные данные позволили рекомендовать разработанный способ оценки качества управления движением судна (толкаемого состава) по заданной трассе на затрудненных участках рек к использованию в работе судоводительских тренажеров.

Заметим также, что алгоритм управления движением судна по заданной трассе с успехом использован при определении габаритов судовых ходов в проектах по улучшению судоходных условий на затруднительных участках рек Иртыша, Оби, Енисея, Лены.

Оценка качества управления производится визуально (из о крапе дисплея), путем сопоставления законов перекладки ДРК, полученных обу-

чземым при проводке "тренажерного судна через затруднительный для судоходства участок реки, с законом оптимального управления, рассчитанным по математической модели, приведенной в этой главе.

Оценка качества управления судном в рейсе производится путей сравнения средней частоты перекладок ДРК "тренажерного судна" (5) с некоторым нормированным значением этой величины (8с).

В качестве нормированной - принята частота перекладок ДРК для "идеального рулевого" при движении рассматриваемого судаа' по задзнк> му участку речного пути, которая определяется по методике, приведенной в этой главе.

Частота перекладок ДРК в рейсе зависит от следующих основных факторов:

1. Гидродинамических свойств речных судов и составов, определяемых их геометрией, грузоподъемностью, мощностью судовой сияопой установки, типом движитель но-рулевого комплекса н др.

2. Гндролого-мсрфологичсских особенностей района плавзнш; - извилистости судового хода, его ограниченности по ширине и глубине, с.торо етей точения и т.д.

3. От "населенности" реки - количества населенных пунктов кпротяженности вдоль рещ:;

4. От взаимодействия с другими судами (обгоны, расхождения и,их количество за время рейса);

Величина о зависит также от погоды, времени суток и психофизиологических качеств судоводителя.

При оценке качества управления 'тренажерным судном* ¡м учебных полигонах, моделирующих реальные участки рс.и Ооль^л протяжепнеегк, представляет интерес, в основном, одна составлякщ-« - средняя частэтг перекладок ДРК вызванная эжплуатационной цсустойчкйостш дшкхешк? судна по судоходной трассе.

II заключение пятой главы дан метод расчета этой величины, базирующийся из следующих предпосылках.

Процесс удержания суд:;а (толкаемого состава) на заданной трассе (£) существенно зависит от местных значений кризнзпы (£=57,3/72. град./км), ширины {Б), глубины (II) и относительной скорости течение (и/ У0). Сочетание этих параметров в процессе движения судна постоянна

изменяется, поэтому определение б о является не простой задачей. Наиболее целесообразно при этом применить приищш суперпозиции, а та;о;;е

связать величину до с морфологическими характеристиками рассматрн-паемого участка реки.

2Ъ '

Величина 5ре о&цем случае определяется выражением:

8ъ = - (33)

* 0 ^ 'О'

( иЛ .

где § Ь,Н,к~г - частота перекладок .ДРК при движении судна по V >(¡1

участит/ реки с параметрами Ь, II, к, И/1у. Интеграл (33) представлен в виде:

= + + + (34)

где ро - частота перекладок ДРК судна (толкаемого состава) при

движении по прямолинейной трассе в безграничной жидкости (1/мин);

Ац, Ак - добавки, обусловленные ограниченностью судового хода по ширине, глубине и искривленностью его осн. Если разбить рассматриваемый участок реки С на отрезки равной длины, в пределах которых величины Ь;, //;, л/ можно считать постоянными, тс параметры Н-ь к,- можно рассматривать как случайные, и для вычисления интегралов (34) воспользоваться методами статистического анализа.

Например, величина первого интеграла (34) может рассматриваться как математическое ожидание величины Д/у;;

(35)

С о ¡=\ п Л ¡=\

тс *

„/(#)</#, . (36)

¿0 о

где ЛII) - плотность распределения случайной величины II.

На основе обработки натурных данных по эксплуатационной устойчивости таляаеыык составов (они более чувствительны вследствие' больших габаритов ц нзменрнню внешних условий, чем обычные суда) получены следующие при&ншенные зависимости:

Дя=8,3р0^) при ,7;

Аь=0,6р0[|] при 0^3;,

( кЬ 457,3-1

Ла- = 5Л)1—^ о) при 02—— --¿0,8, * 57,3-103

При вычислении интегралов вида (36) использованы известные законы распределения величин Ь (нормальный закон), Н (закон гамма распределения), ^(экспоненциальный, найденный автором).

Результаты вычислений интегралов вида (36) аппроксимированы, приведены формулы для нахождения 5г>.

Морформетрические характеристики необходимые для расчета величины 5о подсчитаны и собраны автором для 22 судоходных сибирских рек. Приведены результаты натурньрс исследований по замеру величин 5 и сопоставление их бо для состава Т+2+2+2 (т/х пр. 428, баржа пр. Р-56) на участк, р. Обь от устья р. Томь до-устья р. Тым.

Значения 5 а найденные расчетом для смоделированного участка реки принимаются в качестве "эталонных" для."тренажерного судна".

Сопоставление значений 5, полученных судоводителем на тренажере, со значением Ьо позволяет судить о качестве управления судном.

Здесь следует заметить, что из-за большой трудоемкости моделирования районов плавания на судоводительских тренажерах часто не удается воссоздать процессы эксплуатационной неустойчивости судна близкие к реальным.

Эту проблему можно решить, используя математические модели, имитирующие воздействие внешних условий на процессы эксплуатационной неустойчивости движения судна

Одна из таких имитационных моделей разработана для Омского судоводительского тренажера "Мастер*. В уравнения движения судна добавлены члены, генерирующие случайные силовые импульсы, стремящиеся изменить курс судна. Величина и частота этих импульсов подбираются так,

чтобы достичь расчетных величин

Использование подобных математических моделей существенно расширяет обучающие возможности судозодитсльскнхтреклжсров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. На основе систематических модельных испытаний в прямом и ротационном (созданном под руководством автора) опытовых бассейнах разработаны методы расчета гидродинамических усилий, действующих на толкаемые составы различных типов, в том числе многониточные, порожние, нестандартной компоновки, что позволяет значительно расширить диапазон объектов управления судоводительских тренажеров.

2. Разработаны методы расчета характеристик присоединенных масс для стандартных, нестандартных и порожних толкаемых составов, необходимые для построения ММ.

3. На основе систематических расчетов на ЭВМ выявлены основные характеристики управляемости толкаемых составов различных типов, необходимые при разработке программ обучения судоводителей на тренажерах.

4. На основе систематических модельных испытаний в опытовых бассейнах разработан метод расчета гидродинамических усилии, определяющих управляемость толкаемых составов на ограниченной глубине.

5. Разработана математическая модель маневрирования судов при контакте с мелью для использования на судоводительских тренажерах.

6. Разработала теория движения судов и толкаемых составов на участках рек с заданным планом течений включающая:

- метод расчета гидродинамических усилий, действующих на суда и составь! в потоке с неравномерным полем скоростей течения;

- метод определения кинетической энергии судна и возмущений жидкости, вызванных его движением в неравномерном речном потоке;

- уравнения движения судна (состава) на участках рек с заданным полем скоростей течения;

- результаты сопоставления расчетных параметров движения толкаемых составов с данными натурных экспериментов, выполненных под руководством автора на затруднительных участках рек Иртыша, Оби, Ангары и Енисея. .

- разработаны схемы и программы расчета поля.скоростей течений для учебных полигонов судоводительских тренажеров.

7. Разработаны практические методики параметрической идентификации ММ движения судна (состава) на ЭВМ для использования в условиях судоводительских тренажерных центров на основе:

- диаграммы поворотливости судна (состава), полученной из эксперимента;

- натурных данных о маневре "зигзаг";

- натурных данных о параметрах движения судна при боковом ветре;

- экспертных оценок опытных судоводителей.

8. Разработана методология оценки качества управления "тренажерным судном" на затруднительных для судоходства участках рек и в рейсе на основе:

- ММ оптимального управления движением судна (состава) по заданной трассе;

- ММ "идеального рулевого".

• 9. На основе обработки лоцманских карт найдены морфологические характеристики двадцати двух судоходных рек Сибири для построения методика оценки качества управления "тренажерным судном (составом)" в рейсе.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах. - .

1. Гордеев О.И. Ротативная установка НИИВТ//Экспериментальная гидромеханика судна. НТО СП им. акад. АН.Крылова. Материалы по обмену опытом. Судостроение, Л., 1968. - Вып. 118. - С. 66 - 70 (соавтор Павленко В.Г.).

2. Гордеев О.И. Общие уравнения движения судна в реальных путевых условиях//Гидромеханига судна и судовождение: Сб. науч, тр./Новосиб. ин-г инж. водн. трансп. - 1969. - Вып. 34. - С. 22 - 32 (соавтор Павленко В.Г.).

3. Гордеев О.И. Инерционные коэффициенты счала толкаемых соста-|!ов//Гидромехапика судна и судовождение: Сб. науч. тр./Новосиб. ин-т инж. водн. трансп. -1970. - Вып. 44. - С. 75 - 82.

4. Гордеев О.И, К определению характеристик присоединенной инерции толкаемых составов при поперечном и вращательном движении //Гидромеханика судна и судовождение: Сб. науч. тр./Новосиб. ин-т инж. водн. трансп. -1970. - Вып. 44. - С. 108 -116.

5. Гордеев О.И. Метод расчета управляемости толкаемых составов при больших углах дрейфа/Дидромеханика судна и судовождение: Сб. науч. тр./НовоснО. ин-т инж. вода, трансп. -1970. - Вып. 45. - С. 30 - 44.

6. Гордеев О.И. К расчету гидродинамических усилий, действующих на толкаемые составы при больших угловых скоростях //Гидромеханика судна и судовождение: Сб. науч. тр./Новосиб. ин-т инж. водн. трансп. -1972. - Вып. 87. - С. 99 -108 (соавтор Мустафин АН.).

7. Гордеев О.И. Метод расчета гидродинамических усилий, действующих на толкаемые составы при их движении на мелково-дье//Гидромеханика судна и судовождение: Сб. науч. тр./НоЕосиб. ин^г инж. водн. трансп. -1972.- Вып. 87. - С. 80 - 90 (соавтор Мустафин АН.).

8. Гордеев О.И. Исследование гидродинамических усилий, действующих на толкаемые составы произвольной компоновки при их криволинейном движенин//Гндромеханика судна и судовождение: Сб. науч. тр./Новосиб. ин-т инж. водн. трансп. -1972. - Вып. 87. - С. 136 -148 (соавтор Мустафин АН.).

9. Гордеев О.И. Уравнения движения судна по заданной трассе //Гидромеханика судна и судовождение: Сб. науч. тр./Новосиб. шнг инж. вода, трансп. -1973. • Вып. 96. - С. 133 -139.

10. Гордеев О.И. О движении судна по заданной траектории. //Гидромеханика судна и судовождение: Сб. науч. тр./Новосиб. ин-т инж. вода!, трансп. • 1973. - Вып. 9G. - С. 119 -125.

11. Гордеев О.И. Задача об оптимальном управлении Д РК при движении судна по заданной траектории//Гидромеханика судна и судовождение: Сб. науч. тр./Новосиб. ин-т инж. водн. трансп. -1973. Вып. 96. - С. 146 -151.

12. Гордеев О.И. Исследование движения судов на течении. //Гидромеханика судна и судовождение: Сб. науч. тр./Новосиб. нн-т инж. вода, трансп. -1974. - Вып. 103. - С. 154 -161.

13. Гордеев О.И. Расчет движения речного судна по заданной трассе на ЭВМ. XV научно-техническая конференция "Очередные задачи речного судостроения". Волжско-Камское межобластное правление НТО СП им. акад. А.Н.Крылова, Волжское бассейновое правление НТО ВТ. - Горький, 1985.

14. Гордеев О.И. К определению параметров переносного движения судов при анализе их управляемости на течении//Гидромеханика судна и судовождение: Сб. науч. тр./Новосиб. ин-т инж. водн. трансп. -1977. - Вып. 123.-С. 13Ы51.

15. Гордеев О.И. Расчет параметров донжения толкаемых, составов на установнвшенся,циркуляции//Пути повышения эффективности работы флота в пароходствах восточных бассейнов: Сб. науч. тр./Новосиб. ин-т инж. водн. трансп. ■ 1978. - Вып. 134. - С. 112 -134.

16. Гордеев О.И. Определение продольной состаатяющей гидродинамической силы, действующей на толкаемые составы при их криволинейном двнжешш/Дндромеханика судна и судовождение: Сб. науч. тр./Новосиб. ин-т кнж. водн. трансп. -1979. -147, - С. 97 -101.

17. Гордеев О.И. Оценка влияния вариаций гидродинамических коэффициентов на результаты расчета характеристик управляемости толкаемых составов//Ходкость и управляемость судов: Сб. науч. тр./Новосиб. ижг тт. водн. трансп. -1979. • Вып. 140. - С. 43 - 49.

18. Гордеев О.И. Расчет характеристик присоединенной инерции толкаемых составов//Расчеты прочности судовых конструкций и механизмов: Сб. науч. тр./Новосиб. ин-т инж. водн.'трансп. -1979. - Вып. 137. - С. 105-110.

19. Гордеев О.И. Расчет параметров движения толкаемых составов, % выполняющих маневры в спокойной воде//Речная гидравлика и судовождение; Сб. науч. тр./Новосиб. ин-т инж. водн. трансп. -1980. - Вып. 139. - С. 85-108.

20. Гордеев О.И. Определение гидродинамических усилий, действующих на толкаемые составы в потоке с неравномерным (в плане) полем скоростей течения //Речная гидраатика н судовождение: Сб. науч. тр./Новосиб. ин-т шш. води, трансп. -1980. - Вып. 139. - С. 114 -125.

21. Гордеев О.И. Метод расчета параметров движения льдин иг участках рек со сложным планом теченнн//Речная гидравлика п судовождение: Сб. науч. тр./Новосиб. ши- инж. води, трансп. -1980. - Вып. 139. - С. 39-73 (соавтор Дегтярев В.В.).

22. Гордеев О.И. Управляемость толкаемых составоз на мелководье. Сб. науч. тр./Новоснб. ин<г инж. вода, трансп. -1981. - Вып. 155. - С. 10S -117.

23. Гордеев О.И. Управляемость составов//Речной транспорт. -1983. -N 10.-С. 24-25.

24. Гордеев О.И. Исследование маневров толкаемых составов на участгах рек с заданным планом течений//1езисы докладов Всесоюзной научно-технической конкуренции "Проблемы повышения ходкости, мореходности и.улучшения маневренности судов-внутреннего .и смешанного плавания и судов с динамическими принципами поддержания". НТО СП им. а!шд. А.Н.Крылова. XXXI Крыловские чтения. - Л.: Судостроение. -1983.

25. Гордеев О.И. К определению кинетической энергии возмущений жидкости, вызванных движением судна в неравномерном потоке. Сб. науч. тр./Горьковскин ин-т ин;;с. водн. трансп. -1933. - Вып. 197. - С. 30 - 38.

26. Гордеев О.И. Практические расчеты маневров толкаемых составов на затруднительных для судоходства участках peje. Сб. науч. тр./Горьконскии ип-т инж. води, трансп. -1983. - Вып. 197. - С. 39 - 57.

27. Гордеен О.И. Гидродинамические характеристики порожних толкаемых составов. Депонирована в ЦБНТИ M РФ РСФСР 20.11. 81., N 64 РФ-Д84. Рес{)ерат опубликован в "Указателе неопубликованных и ведомственных материалов". - Речной транспорт. -1984. - Вып. 12. ДЕП.

28. Гордеев О.И. Гидродинамические характеристичен толкаемых составов из барж с различными осадками и с баржами-'подвесками". Депонирована в ЦБНТИ МРФ РСФСР 18.07.85, N 93 РФ. Реферат опубликован в "Указателе неопубликованных и ведомственных материалов". - Речной транспорт. - 198.г. - Вып. 8. ДЕП.

29. Гордеев О.И. Гидродинамические характеристики многониточных толкаемых составов. Депонирована в ЦБНТИ МРФ РСФСР 18.03.86, N 126 РФ. Реферат опубликован в Экспресс-информ. - Речной транспорт. -1986. -Вып. 25 (1092). ДЕП.

30. Гордеев О.И. Проектирование путевых работ с использованием ЭВМ: Уч. пособ./Новосиб. ин-т инж. водн. трансп. - 1990. - 122 с (соавторы Ботвинков В.М., Долгашев В.А., Жук АЮ., Суровцев И.В.).

31. Гордеев О.И. Проектирование мероприятий по улучшению судо- . ходных условий в узлах слияния рек: Уч. пособ. - Новосиб. ин-т ииж. водн. трансп. - 1981. - 88 с (соавторы Ботвинков В.М., Дегтярев В.В., Чернышев Ф.М.).

32. Гордеев О.И. Основы научных исследований. Часть I; Эксперимент: Уч. пособ. - Новосиб. ин-т инж. води, трансп. -1991. -115 с.

33. Гордеев О.И. Идентификация математической модели движения судна по диаграмме поворотливости, полученной из эксперимен-

та//Эксш^гтациа речного флота Сибири в новых условиях: Сб. на уч. тр. ДЬзссиЗ. гос. акад. воды. трансп. -1994. - С. 81 - 91.

* 34. Гордеев О.И. К расчету' поля скоростей течения для учебных по лигоггов судоводительского трензйера//Эксплуатация речного флота Сгзоют в назьнж условиях: Сб. науч. тр./Новосиб. гос. акад. води, трансп. -1994. *■ С. 32-103 (соавтор Дегтярева В.В.).

35. Гордеев О.И. Комплексный подход к обоснованию полноты транспортного использования пропускной способности рек: Тезисы докладов г,;г:;узуигрордой научно-практической конференции "Параметры перспективных транспортных систем республики Саха (Якутия), 18 - 22 июля 1995 (соавтор Деггяреза В.Б.).

36. Гордеев О.И. Моделирование движения судна при контакте с мелыо на судоводительском тренажере: Сб. науч. тр./Новоспб. гос. атд. mm-, тргисп. - Омск НГАВТ, 199S. - С. 56 - 62.

37. Гордеев О.И. Оценив напряженности управления судном на различных участках реж Научные тр./Новосиб. гос. акад. водн. траисп. - Новосибирск: НГАВТ, 1S96. - 29 с.

33. Gcrdeev O.I. Matheinatic modelling of Ship steering for navigate Simulator "Master" (Omsk)//Second International Conference "300 years of Russian Fleet*, St Petersburg, 5 -12, june. -1994 (co-author Andreev V.N.).

39. Gcrdeev O.I. Computation of Trajectories of Ice Floes movement on the Rivers, Freprh)ls//JAHR International Symposium of Ice, Cuebec - Canada,. 1901. - July 27 - 31. - P. 242 - 250 (co-author Degtyarev V.V.).

40. Гордеев О.И. Математическое моделирование дрижения речных судов для судододн'гельскмх тренажеров (грузовые суда и толкаемые составы) - Новосибирск, юд-во НГАВТ, 1996, -178 е., (монография).