автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.03, диссертация на тему:Оптимизация формы корпуса корабля

Введение.

1. Технико-исторический анализ мореходности.

1.1 Древние инженерные решения по мореходности судна.

Штормовой режим плавания — лагом к волне.

Активное штормование с ходом по волне. /

Штормование носом, на волну.

1.2 Средневековое кораблестроение.2"?

О постановке задачи непротиворечивого проектирования.

1.3 Расцвет парусного флота и эволюционный переход к механическому движению.

Гидродинамические особенности бортовой качки кораблей конца XIX- начала XX века.

1.4 О современных проектных решениях.

1.5 Предварительные предложения о корабельной архитектуре.

2. О проектировании и аналитическом описании формы корпуса корабля.

2.1 Аналитическое описание формы корпуса.

1. "Параболические" (степенные) обводы.

2. Асимметричный относительно миделъ-итангоута корпус.^S

3. Моделирование уменьшенной площади ватерлинии.

4. Описание штевней.

2.2 Примеры построения аналитических корпусов.

2.3 Представление формы корпуса для расчетов на ЭВМ.

3. Теория волнового сопротивления Ми чел л а.

3.1 Волнообразующий потенциал.

3.2 Граничные условия и интегральное преобразование Фурье.

3.3 Описание единичного волнообразующего источника.

3.4 Описание корабельного волнообразования.

3.5 Основные свойства волнового поля.

3.6 Формула Мичелла для волнового сопротивления.

4. Вычислительная модель волнообразования и волнового сопротивления корабля.8е)

4.1 Условие образования свободных волн.

4.2 Группировка волн в разрушающиеся гребни.

5. Построение вычислительного эксперимента и анализ результатов оптимизации основных параметров формы корпуса корабля.

5.1 Программирование расчета волнового сопротивления по классическим формулам.

5.2 Интеграл по ватерлиниям.

5.3 Интегрирование результатов расчета по ватерлиниям.

5.4 Интеграл по волновому спектру. Расчет сопротивления.

5.5 Об одном из вариантов расчета волнового сопротивления.

5.6 Анализ результатов расчета волнового сопротивления.

6. Проектирование формы корпуса модели корабля.

6.1 Ходкость на спокойной воде и в условиях штормового волнения.

Выявленные недостатки в проекте формы корпуса испытываемой модели.

6.2 Стабилизация корпуса на волнении.

6.3 Безопасность штормового плавания и общие вопросы обеспечения мореходности.

6.4 Построение теоретического чертежа.

6.5 Особенности статики, динамической остойчивости и плавучести корпуса с уменьшенной инерцией площади ватерлинии.

7. Программа и условия ходовых и мореходных испытаний.

Цель экспериментальных исследований.

7.1 Программа опытовых мореходных и сравнительных испытаний.

1 этап. Испытания на тихой воде с использованием. буксировочной тележки.

2 этап. Сравнительные испытания ходкости и качки на регулярном волнении при буксировке в гравитационной системе.

3 этап. Визуальные наблюдения за поведением неуправляемой модели на регулярном волнении, с длиной волны равной длине модели и амплитудой, соответствующей максимуму волны, генерируемой волнопродуктором.

12. Особенности проведения сравнительных опытовых испытаний

Дальневосточные морские пути России, особенно в северо-западных акваториях Тихого океана, характеризуются постоянным ветровым волнением и зыбью повышенной интенсивности. Эффективность морских транспортных коммуникаций и рыбных промыслов в существенной степени определяется способностью судов двигаться произвольным курсом и выполнять производственные задачи при свежем ветре и волнении. Российский Военно-морской флот также должен выполнять поставленные перед ним задачи в любых погодных условиях, когда боеготовность и безопасность плавания в наибольшей степени зависят от мореходных качеств корабля в условиях океанской зыби, штормового ветра и волнения.

Традиционные решения, реализуемые в современном кораблестроении, дают большое разнообразие в форме и обводах корпуса, также как и в принципах построения общекорабельной архитектуры, которые существенно отличаются от аналогичных технических решений, реализованных в конце XIX - начале XX веков, когда в проектах кораблей и судов реализо-вывались практически одинаковые принципы, отличавшиеся от современных существенно более сложными проектными и технологическими решениями.

В связи с вышеизложенным весьма актуальными представляются анализ основных принципов проектирования наиболее мореходных исторических кораблей и судов, направленный на поиск принципиально новых перспективных технических решений по улучшению мореходных качеств корабля, определяемых гидродинамическими особенностями формы корпуса и аэродинамическими особенностями его общекорабельной архитектуры.

В работе рассматриваются вопросы исследовательского проектирования и оптимизации наиболее мореходной формы корпуса корабля, приспособленного к эффективному поддержанию хода и безопасному плаванию в условиях штормового волнения. В основе работы лежат выводы о наилучшей мореходности в различных условиях плавания, сделанные на вахтах на ходовом мостике, а также по результатам анализа маневрирования рыбопромысловых и транспортных судов в штормовом море. Навигационная и судоводительская практика обобщалась теоретическими исследованиями и вычислительными экспериментами, опытовыми сравнительными и мореходными испытаниями моделей судов различного класса, выполненными при активном участии профессора кафедры теория корабля Ленинградского кораблестроительного института Александра Николаевича Холодилина, являвшегося руководителем настоящей работы в рамках научных исследований по специализации «Гидромеханика корабля».

Работа может быть разделена на три взаимосвязанных направления исследований, которые в целом образуют методический подход к проектированию формы корпуса и общекорабельной архитектуры как единой инженерной системы, допускающей реализацию непротиворечивых технических решений. Первое направление представлено технико-историческим анализом развития представлений об оптимальной по мореходным свойствам форме корпуса и архитектуре корабля. Анализ опирается на наиболее известные океанские корабли, которые в прошлом проектировали сами же мореплаватели, знающие как назначение корабля, так и условия его плавания. Второе, теоретическое направление оперирует физико- математическими решениями с использованием вычислительной математики и геометрической интерпретации формы корпуса корабля, как источника излучения корабельных волн и, как объекта, подверженного воздействию со стороны штормового волнения. Третье, экспериментальное направление исследований начинается с проектирования гипотетической модели корабля и интерпретации его кривых элементов теоретического чертежа, диаграмм остойчивости и других архитектурных и мореходных особенностей новой формы корпуса. Эти материалы предваряют сравнительный анализ результатов испытаний ходкости и мореходности нового корпуса.

Сравнительные ходовые и мореходные испытания выполнены в опытовом бассейне гравитационного типа Санкт-Петербургского морского технического университета, целью которых являлась апробация результатов технико-инженерного анализа и физико-математических исследований, и также сбор экспериментальных данных для обоснования новых теоретических исследований в области, как проектирования нового корабля, так и эксплуатации действующего флота. В заключение делается попытка составления новой системы непротиворечивых требований к форме корпуса и внешности корабля в целом.

Технико-исторический анализ мореходности кораблей и судов в большей степени опирается на практический опыт и знания, полученные на теоретических занятиях и семинарских дискуссиях на курсах морского дела Судоводительского отделения Калининградского мореходного училища. Авторитетные судоводители-мореплаватели начала 70-х годов XX века в большей степени передавали свой практический опыт судовождения и управления кораблем в сложных условия плавания.

При анализе исторических проектных решений по форме корпуса и общекорабельной архитектуре средневековых кораблей, использован альбом чертежей «Architectura Navalis Mercatoria» [Friderik Henrik of Chapman, 1968], в котором показан высокий технический уровень при строительстве и эксплуатации морского флота того времени. Подробный и своеобразный анализ мореходности судов русских поморов выполнен К.В. Бадигиным в очерках по истории ледовых плаваний русских поморов: «По студеным морям» [1956]. Он показывает особенности эксплуатации кораблей в сложных условиях полярного плавания, и, пожалуй, является одним из немногих исследований по мореходности корабля, освещающим вопросы штормовой и ледовой эксплуатации древних кораблей. Дополнительные материалы по истории европейского кораблестроения можно найти в книгах X. Ханке, «Люди, корабли, океаны» [1976] или О. Курти, «Постройка моделей судов» [1977]. К 300-летию Российского Флота авторитетными морскими офицерами Тихоокеанского Флота опубликованы две книги с обширными технико-историческими материалами: «Надводные корабли России: история и современность» и «Подводные лодки России: история и современность» [1996], в которых приводится наиболее полный иллюстративный материал по истории флота и судостроения. Нельзя не упомянуть серию любопытных публикаций P.M. Мельникова, таких как «Миноносцы типа Измаил» [1981] и др., однако в этих публикациях много внимания уделяется достижениям в технологии судостроения, количеству вооружений на единицу площади верхних палуб, а также вопросам снабжения и технической эксплуатации флота, успешное решение которых не всегда связано с улучшением мореходных качеств корабля.

Технико-исторический анализ мореходности завершается формированием проектных требований к судовым обводам, которые затем используются в качестве основы при математическом описании и вычислительной оптимизации различных вариантов формы корпуса корабля. Вычислительные эксперименты позволили также оценить влияние основных элементов формы корпуса на корабельное волнообразование и взаимодействие корпуса с морским волнением. При вычислительном анализе волнового сопротивления корабля, основой служила книга Г.Е. Павленко "Сопротивление воды движению судов" [1953], в которой много внимания уделяется физико-геометрической интерпретации корабельного волнообразования, с использованием которого строятся и реализуются полуэмпирические методы численного интегрирования формул Мичелла. В книге Дж. Нъюмена "Морская гидродинамика" [1985] были найдены основные идеи и методы физической интерпретации формул Мичелла, использованные при построении вычислительных экспериментов для решения проектных задач настоящего исследования. В этой же работе наглядно иллюстрируется картина волнообразования, которая была использована при получении математических зависимостей для учета конечности амплитуды корабельной волны вблизи корпуса. При выборе аналитического описания формы корпуса, для проведения систематических расчетов волнового сопротивления, строились эмпирические формулы, обеспечивающие форму шпангоутов близкую к обводам, показанным в статье Ю.С. Тимошина "Возможности применения вычислительных методов для оптимизации обводов корпуса" [1975].

Теоретический корпус гипотетической модели корабля был спроектирован так, чтобы можно было провести сравнение испытаний со стандартной серией Тейлора, материалы о которой приведены в книге "Основы корабельной архитектуры" [Судпромгиз, 1948] и [Павленко, 1953]. Так как испытания проводились на критических скоростях хода и на максимально допустимом волнении, то для получения возможности реального сравнения в этих режимах плавания, параллельно испытывалась модель судна 60-й серии (краткие материалы о 60-й серии опубликованы в книге "Сопротивление, пропульсивные качества и управляемость судов" [Ван-Ламмерен, Троост, Конинг, 1957]).

Форма корпуса корабля с уменьшенными моментами инерции площади действующей ватерлинии была создана в 1977 году, чему послужили лекции и практические занятия при изучении мореходности и управляемости корабля, проводимые замполитом Калининградского мореходного училища Г. С. Маленко. В Калининграде же были проведены и первые испытания небольшой модели корабля с новой формой корпуса, которая продемонстрировала принципиальную возможность минимизации поперечной корабельной волны и, соответственно, возможность существенного снижения силового воздействия на корпус корабля со стороны крупной зыби и штормового волнения.

Основные идеи настоящей работы были сформулированы и представлены в феврале 1985 году в докладе: «Историческое развитие представлений о наилучшей форме корпуса корабля» на кораблестроительной секции Всесоюзной конференции Советского национального общества истории философии естествознания и техники (СНОИФЕТ). Довольно бурные дискуссии по докладу, а также наивысшая научная активность Ленинградских Кораблестроительного института и Государственного университета тех лет позволили успешно объединить возможности вычислительной гидромеханики, опытовых испытаний различных моделей кораблей и судов, а также заинтересованность в научных исследованиях штормовой ходкости со стороны мореплавателей.

Таким образом, основным тезисом исследований стало «сравнение мореходных свойств кораблей и сухогрузных судов конца XIX и конца XX веков», т.е. сопоставление представлений о наилучшей мореходности у морских инженеров, проектировавших корабли типа крейсера «Аврора», и - современные широкопалубные круизные лайнеры и ракетные корабли. Соответственно, гипотетический корабль для мореходных опытовых испытаний явился вариантом формы корпуса, усиливающим особенности обводов крейсера «Аврора», в том числе путем завала бортов не только в надводной части корпуса, но и на уровне действующей ватерлинии. Параллельно были изучены современные математические модели и вычислительные алгоритмы для расчетов волнового сопротивления и корабельного волнообразования, из анализа которых следовало, что современная вычислительная техника только-только подступилась к возможности решения задачи о корабельном волнообразовании с использованием интегралов Мичелла. Попытка физической интерпретации и вычислительной алгоритмизации математического решения Мичелла привела к новым представлениям о процессе зарождения корабельной волны, но что еще более важно -о связи и возможности совместного изучения особенностей корабельного волнообразования и взаимодействия корпуса корабля с внешним штормовым волнением. В результате получен вывод, что стабилизация и уменьшение волновых нагрузок на корпус корабля достигается, в том числе, за счет оптимизации ходкости корабля на всех скоростях хода, в том числе на закритически больших, то есть таких, когда длина корабельной волны становится соизмеримой с длиной океанской зыби и штормового волнения.

По завершении экспериментальных работ, первый же экспресс-анализ результатов во многом подтвердил правильность сделанных технических предпосылок по проектированию формы корпуса корабля, приспособленного к плаванию и решению различных задач в условиях морского штормового волнения. В частности, несомненными достоинствами модели при плавании в условиях крупного волнения стали: 1 - малая потеря хода; 2 - хорошая устойчивость на курсе; 3 - существенное снижение как килевой, так и - бортовой качки; 4 - уменьшение заливаемости и полное исключение зарываемости корпуса под волну; 5 - исключительная пассивность корпуса по отношению к крупным штормовым волнам, которая наблюдалась даже при отсутствии хода и управляемости.

В качестве обобщения можно заключить, что использованный при оптимизации формы корпуса принцип непротивления силовому воздействию со стороны реального морского волнения, обеспечил пассивность или независимость динамики корабля от внешнего воздействия. На некоторых участках корпуса, в результате оптимизационных решений, была допущена чрезмерная гиперболизация свойств его формы, что на определенных режимах движения отмечалось как недостаточная мореходность, однако количественные критерии все равно оставались лучшими, чем у моделей с традиционной формой корпуса. Недостатки нового гипотетического корабля представляются легко устранимыми за счет незначительного изменения локальных участков надводных или подводных обводов корпуса.

В завершение делается попытка концептуального построения эскизных проектов кораблей и судов различного назначения с использованием технических решений по общекорабельной архитектуре как о единой инженерно-технической системе, представленной в книге Томаса С. Джил-мера "Проектирование современного корабля" [1984]. Однако базовые принципы этих проектов формулируются в соответствии с представлениями мореплавателей о хорошей морской практике, суть которой состоит в построении «красивого корабля, на котором нет ничего лишнего». К прии меру: нет вечно пустых бортовых твиндеков; нет широкопалубных бака и юта; а парусность надстроек не влечет опасностей на ураганных ветрах.

В работе над проектом создано новое математическое обеспечение ЭВМ и получен обширный экспериментальный материал, над которым еще предстоит большой объем научных и прикладных исследований, а также поиск методических и количественных критериев оптимального проектирования для локальных участков судовых обводов. Полученные выводы уже могут быть использованы с целью повышения штормовой ходкости и обеспечения безопасности мореплавания для кораблей и судов действующего флота, так как изученные в работе особенности формы корпуса могут быть использованы капитанами или ходовой вахтой при выборе наилучшего курса и скорости относительно морского волнения.

Автор с благодарностью вспоминает своих наставников, многие идеи которых составили основу настоящей работы: искусного судоводителя на штормовых волжских водохранилищах Г.И.Андриянова, и калининградского капитана В.С.Герасимова. Систематизация проектных решений с позиций хорошей морской практики выполнена при участии флотских офицеров - преподавателей Калининградского мореходного училища: А.А.Камышева, Г.С.Маленко, Д.Я.Бронштейна и В.Н.Строкина. Теоретическая часть настоящего исследования сложилась при непосредственном участии профессоров Ленинградского кораблестроительного института: А.Н.Холодилина, А.Н.Шебалова, Л.И.Артюшкова, В.Б.Амфилохиева и А.Ш.Ачкинадзе.

Особую признательность автор выражает профессору ВМИИ С.И. Кроленко, профессору Морского института ДВГТУ В.Г.Бугаеву и директору СКБ САМИ ДВО РАН д.г.м-н. М.Л.Красному, принявшим активное участие в обсуждении проблем мореходности и создавшим благоприятные условия для реализации настоящего исследования.

Выводы из формального анализа буксировочных кривых говорят о том, что модель МИДВ с S= 0.827 показывает лучшие ходовые качества на спокойной воде, чем модель быстроходного судна 60-й серии с S ~ 0.572, при этом несколько уступая ей на числах Фруда от 0.36 -до 0.41, что обусловлено специальным проектированием носовых обводов модели МИДВ, допускающих сравнение ходкости при разной посадке модели. Если же проводить сравнение с формой корпуса эталонной модели «Виктори» с 8 = 0.675, имеющей примерно сходные основные характеристики формы корпуса, то преимущество нового корпуса на экономичных скоростях хода: Fn — 0.27-Ю.37, можно назвать существенными.

Качественный анализ кривых остаточного сопротивления (рис. 49 и 50), также неплохо подтверждает результаты проектных расчетов и численной оптимизации формы корпуса по волновому сопротивлению, выполненной с использованием формул Мичелла.

На рисунках 37-г38 пятой главы прогнозировалось значительное снижение волнового сопротивления на скоростях хода меньше чем Fn=0.32. Это подтверждалось всегда, независимо от осадки модели. Экспериментально подтверждено также увеличение сопротивления на скорости Fnw0.4, которое на рисунках 21-г25 и 37-г38 проявлялось как смещение минимума сопротивления от точки на Fn«0.35, к точке Fn«0.32.

Хорошие ходовые качества модель МИДВ показала при буксировке кормой вперед. В этом случае, несмотря на большую смоченную поверхность («30%), в сравнении с моделью судна 60-серии, полное удельное сопротивление модели МИДВ было меньше на любых скоростях хода. При оценке удельного остаточного сопротивления на скорости: Fn«0.4, также были получены хорошие результаты, что объясняется отсутствием эквидистантных ватерлиний и шпангоутов в кормовой части корпуса.

Из анализа кривых сопротивления следует вывод, что модель МИДВ нуждается в дальнейшей доработке формы корпуса:

1. Необходима доработка формы корпуса для обеспечения (восстановления) минимума волнового сопротивления на скорости хода; Fn = 0.4;

2. Коэффициент общей полноты модели, при необходимости, может быть значительно увеличен, что дополнительно снизит полное удельное соппотивление без особо сильного влияния на волнообоазование. я. i

3. Для дополнительной минимизации полного сопротивления может быть уменьшена смоченная поверхность корпуса;

Рекомендации к изменению теоретического чертежа разрабатывались с использованием геометрической картины волнообразования, построенной с помощью теории корабельного волнообразования Мичелла.

В эксперименте с моделью МИДВ, на осадках, близких к проектной, наблюдалось почти полное отсутствие поперечных корабельных волн за кормой, иа любых скоростях движения. Из этого следует вывод, что с позиций интерференции волнообразования, форма корпуса модели МИДВ близка к оптимальной. Расходящаяся же волна, особенно на скоростях движения Fn«0.35~0.5 была чрезмерно большой, что привело к увеличению волнового сопротивления на скорости Fn«0.4.

Рис 59. Геометрическая интерпретация расходящейся волны с помощью вихря, рождаемого вблизи судовой обшивки.

Интерпретация процесса отталкивания волны от корпуса, основывающаяся на свойствах нелинейных вихревых волн Герстнера, может показать ошибку, которая была допущена при проектировании формы корпуса, и которая проявлялась на скорости Fn~0.4, когда длина поперечной волны приблизительно равна длине корпуса. Этот процесс может быть показан на качественном примере, описывающем кинематику взаимодействия потоков вблизи носовой скулы (рис.59).

Рис. 60 Носовые ветви шпангоутов лайнера "United States".

В носовой части корпуса происходит группирование (сложение) расходящихся волн, которые не могут оторваться от корпуса, ввиду малой скорости их распространения. На рис.59 изображены линии тока в районе отрыва расходящейся волны от поверхности корпуса. Отрыв корабельных волн с малым периодом происходит только после того, как их амплитуда вырастет до такой степени, чтобы соответствующее увеличение длины достигло величины, когда скорости свободного движения этой новой волны, суммировавшей весь высокочастотный спектр корабельного излучения, будет достаточной для отрыва от корпуса. По рисунку видно, что если в этой области потока создать как бы "закручивание" линий тока в обратную сторону, то, вероятно, произойдет гашение амплитуды расходящейся волны. Таким простейшим способом можно объяснить влияние бульба на носовую подпорную волну, при движении судна с относительно малой скоростью. Такими обводами обладают быстроходные суда, у которых подкручивание" потока осуществляется не только бульбом, но и всеми носовыми шпангоутами (рис,60) [Katie Jone R., 1978].

Аналогичные рассуждения приведут к необходимости увеличения полноты верхней части кормовых шпангоутов, где происходит отрыв волны и ее нужно прижимать к корпусу.

9.2 Ходовые испытания на волнении

Ходовые испытания на регулярном волнении, в основном, показали улучшение мореходных качеств модели МИДВ, по сравнению с быстроходным судном 60-й серии. Это проявлялось в значительном уменьшении амплитуды килевой качки, увеличении ее периода, и в значительно меньших потерях хода (рис.51 :-57).

Успешно удовлетворено требование к модели МИДВ, касающееся взаимодействия корпуса с волнением, и в эксперименте можно было наблюдать, что модель МИДВ оставляет за кормой встречные волны почти не деформированными.

Замечено, что продольная качка модели МИДВ происходит вокруг оси, лежащей вблизи форштевня, вследствие чего носовая часть корпуса была всегда хорошо стабилизирована, а также, всегда обеспечивалось условие незаливаемости верхней палубы, в отличие от модели 60-й серии, высокий форштевень которой способствовал усилению килевой качки, и, как следствие, - интенсивной заливаемости высокоскоростными гребнями встречных волн.

При буксировке модели МИДВ кормой вперед наблюдалось значительное усиление килевой качки, хотя амплитуда ее не превосходила амплитуду качки модели б0-й серии. Последнее объясняется ухудшением мореходности в случае больших надводных объемов в носовой части корпуса. Но из-за уменьшенной площади действующей ватерлинии качка не была сильнее, чем у модели из серим 60.

Модель 60-й серии при испытаниях на длине волны равной длине корпуса и амплитуде равной половине осадке, при буксировке с минимальной силой тяги неожиданно потеряла ход, при этом резко возросла килевая качка, а возникший параметрический резонанс привел сильному рысканию и, - разрушению палубных креплений модели в упряжке гравитационной системы. Дальнейшие испытания модели 60-й серии в этом режиме волнения были прекращены, несмотря на то, что в проведенные ранее испытания на той же длине волны, но с большей амплитудой, не приводили к аналогичным аварийным ситуациям. При испытаниях модели МИДВ таких же неблагоприятных режимов качки обнаружить не удалось, несмотря на то, что после аварии модели 60-й серии, был произведен специальный поиск опасных режимов плавания.

При движении по волне с минимальной тяговой силой, модель МИДВ легко "подхватывалась" и шла со скоростью волны. Однако, при этом не наблюдалось тенденций к рысканию или уходу с курса с резким поворотом, которые в случае традиционных судов грозят сильным накре-нением или опрокидыванием.

К обнаруженным недостаткам корпуса модели МИДВ можно отнести малую полноту надводной части кормовых шпангоутов. Острые кормовые шпангоуты с малой полнотой надводных ветвей, способствовали увеличению периода килевой качки, так как в корме не происходило достаточного демпфирования амплитуды' вертикальных колебаний. В результате у модели МИДВ отмечалась интенсивная килевая качка при движении с большой скоростью на длинной волне, где модель 60-й серии очень хорошо демпфировала амплитуду килевой качки, двигаясь в режиме отслеживания формы волны.

9.3 Наблюдения за свободным плаванием модели МИДВ на волнении

После окончания первого этапа испытаний, проводились испытания модели МИДВ в свободном плавании на волнении. Ставилась цель: выявить, выходит ли модель самостоятельно на курс "носом на волну". Для этого была выбрана проектная посадка и варьировались характеристики остойчивости и параметры волнения. Амплитуда волн всегда назначалась предельно максимальной, которую допускал плунжерный воянопродуктор опытового бассейна.

Самопроизвольного выхода модели МИДВ на курс «носом на волну» обнаружено не было. Корпус не стремится встать лагом к волне, и всегда уходит из этого положения, вставая под углом 45° к фронту, обычно кормой на волну.

Рис, 61. В случае удара волны о борт судна (резонансное раскачивание корпуса с высокой начальной остойчивостью), находящегося в положении илагом к волне", усиления качки не происходит, что обусловлена ярко выраженной S-образностью диаграммы остойчивости и связанной с этим нелинейностью бортовой качки

На левой фотографии (рис.61) видно, что волны проходят через корпус, не претерпевая сильных искажений своей формы. На правой фотографии зафиксирован момент "удара" корпуса о волну, при этом резонансного усиления амшштуды бортовой качки не произошло. После уменьшения чрезмерно большой начальной остойчивости, столь интенсивного взаимодействия модели МИДВ с волнением больше не наблюдалось.

Второй этап аналогичных эксперименты но безопасности мореплавания был проведен после окончания заключительно этапа испытаний, испытаний на попутном волнении, так как ожидалось, что на предельно интенсивном волнении модель МИДВ может быть повреждена или разрушена. Сначала были проведены несколько прогонов на попутном волнении, при длине волны, равной длине корпуса и имеющей максимально допустимую амплитуду (Авошы^Юсм, при этом волны, ударяясь о стенку, выплескивались из бассейна). Модель легко захватывалась волной, но остойчивость не теряла, за ней, также, не наблюдалось стремления к рысканию или уходу с курса.

Рис.62. Свободное движение модели навстречу волнению. Рыскания, килевой качки и ухода с курса не проявлялось. Затем проводились наблюдения за свободным плаванием модели на этом же волнении, при варьировании дифферента и начальной остойчивости. При уменьшении остойчивости, после загрузки балласта на палубу, бортовая качка практически исчезла, модель перестала крениться на сильном волнении. Это обусловлено тем, что собственный период бортовой качки модели достигал: Тм - 6 сек., а период волнения был существенно меньше: iw = 1.21с. Снова наблюдалось пассивное отношение модели к курсу относительно фронта волн.

На фотографиях (рис.61) показано положение модели в движении по инерции навстречу волне. В этом режиме плавания она долго сохраняла курс и скорость хода» даже при длине волны, равной длине корнуса. Модель начинала уходить с курса только после полной останови!, - в процессе дрейфа по волне. Отсюда следует вывод, что такое судно будет легко удержаться на штормовом курсе при работающих движителях.

Опять было обнаружено, что в свободном дрейфе модель выходит на курса45* к фронту кормой на волну. При придании импульса движения по волне модель не останавливалась и не стремилась к быстрому уходу с курса, даже если захвата волной не происходило. Создается впечатление, что, несмотря на малую скорость хода в режиме эпизодического захвата корпуса попутной волной, сил на рулях будет достаточно для удержания судна на курсе по волне, даже при остановленных двигателях.

Рис. 63. На фотографии изображен захват корпуса попутной волной.

При иопытке развернуть корпус из положения лагом к волне на курс носом на волну с помощью нити, закрепленной на палубе в районе 3-гсг шпангоута, было обнаружено, что центр действия сил дрейфа находите» носовее. Это подтвердилось, когда при подтягивании модель стала приближаться кормой вперед. По срыву волновых потоков с верхней кромки выдающегося вперед бульба, было сделано предположение, что в смещении центра бокового сопротивления в нос, принимает участие бульб также и тем, что тормозит вершину волны, в которой наблюдается максимальная скорость волнового потока. Это означает, что заостренный в верхней части и выступающий вперед бульб, не позволяет модели самостоятельно выйти на курс носом на волну»

Наблюдения за свободным плаванием оптимизированной модели на взволнованной новерхности опытового бассейна, позволили сделать только предварительные технические замечания об особенностях оптимизированного по условиям безопасности штормового плавания >■■ Gc . вд — которые, тем не менее, не выявили противоречий между стремлением к наилучшей штормовой ходкости и стабилизации корпуса, и безопасности штормового плавания аварийного судна.

Рис.64. К корпусу модели, находящейся в свободном плавании без хода, приближается большая волна с предельной амплитудой и разрушающимся в ее вершине гребнем. Б следующий момент времени, вблизи корпуса модели с заваленным бортом, амплитуда этой волны уменьшится, волна начнет перетекать под днищем на другой борт без особо сильной деформации, а модель - сохранит свою пассивность, и не проявит каких либо резких движений под воздействием этой гидродинамически правильной прогрессивной волны

Оптимизированная модель МИДВ, несмотря на далеко выдвинутый вперед бульб и нависающую над водой корму, не проявила свойств флюгера, и не проявляла активного стремления к выходу на курс «носом на волну». Однако в реальных штормовых условиях на корпус корабля будет оказывать большое влияние давление ветра, и вызываемое ветром и нелинейными процессами в гребнях волн, сильное дрейфовой движение корабля. В этом еду нас должно проявит ься сильное смещение в нос центра бокового сопротивления корпуса, которые, при парусящей на ветру и под ударами гребней волн в кормовой части корпуса, создадут необходимый момент для выведения корабля курсом «носом на волну»

Из визуальных наблюдений за ударами волн о корпус модели, следовал вывод, что наибольшую ширину ватерлинии и объем надводного кор-rrvca. отвечающих за всплытие на волнении (в безбульбовом ваоианте - основной объем подводной части корпуса), необходимо сосредотачивать в его средней части, что должно обеспечивать динамически уменьшенную длину корпуса. Это должно позволить перенести силовое воздействие встречных волн ближе к средней части корпуса, и, соответственно, частично перераспределить пары сил (дифферентующих моментов) в силы, направленные на поступательное всплытие/погружение корпуса.

Килевой качки, видимо, невозможно избежать полностью, или, по крайней мере, пока не найдено соответствующих простых проектно-технических решений. Однако остаточную килевую качку можно эффективно гасить силами демпфирования, возникающими в районе скуловых шпангоутов, которые из условий оптимизации ходкости, должны иметь довольно сложную форму, обеспечивающую своеобразное затягивание (закручивание) под днище набегающего потока и гашение расходящейся корабельной волны.

Рис.65. Схема воздействия на корабль встречного волнения, показывающая динамические особенности качки, связанные с формальным понятием волнообразующей - волновоспринимающей длины корпуса корабля, при его взаимодействии с «правильной» прогрессивной штормовой волной.

При формальном рассмотрении процесса демпфирования килевой качки, можно сделать заключение, что она зависит от своеобразной волнообразующей длины корпуса. Это позволяет сделать логический переход к понятию «волновоспринимающей» длины, которая в случае упоминаемого

169 здесь процесса «волнообразования» соответствует скорости хода на последнем интерференционном минимуме волнового сопротивления на Fn=0.4. Минимизация волнообразования на этой скорости соответствует оптимизационному решению с «закручиванием» потока под корпус, показанному на рисунке 59.

Таким образом, добиваясь минимизации волнообразования на скорости хода Fn=0.4, параллельно будет решаться задача уменьшения и -демпфирования килевой качки.

Для уточненного изучения данного вопроса, планируется поиск или разработка математических моделей продольной качки корабля, корректно учитывающей все компоненты присоединенных масс, и их динамическую перегруппировку в процессе килевой качки и рыскания судна на реальном штормовом волнении.

Заключение

В настоящей работе выполнены поисковые исследования методов проектирования и оценки мореходности кораблей и судов, с использованием качественно новых подходов к изучению исторических проектных решений в судостроении, анализ которых был дополнен новыми математическими моделями, вычислительными и опытовыми сравнительными экспериментов. Предметом исследований является три взаимосвязанных и взаимозависимых направления работ.

1) Технико-исторический обзор, анализ мореходных качеств и особенностей общекорабельной архитектуры наиболее известных исторических кораблей и судов. Сопоставление исторического опыта и современных решений по проектированию кораблей и судов океанского флота различного назначения.

2) Исследование гидродинамических особенностей обводов корпуса с использованием математических моделей корабельного волнообразования и взаимодействия корпуса с волнением и зыбью. Новые математиче* ские модели реализованы в виде интерактивных вычислительных экспериментов на cusivi, позволяющих на исниве i сОмсгр^нс^лш о ашшз&ла пиля корабельного волнообразования произвести локальную оптимизацию как отдельных элементов бортовой обшивки, так корпуса корабля в целом.

3) Проведение натурных наблюдений за мореходными качествами современных кораблей, которые поверяются сравнительными испытаниями ходкости и штормовой мореходности в опытовом бассейне гравитационного типа. В опытовых иеошшш аншшзврудашя записи качки и ходкости в различных режимах встречного и попутного волнения.

По результатам технико-исторических исследовании, математической оптимизации корабельных обводов и изучения особенностей волнообразования и поведения на волне новой модели МИДВ, были проработаны новые варианты формы корпуса и общекорабельной архитектуры перспективных кораблей и судов различного назначения, которые подтвердили, что проектные решения для многих кораблей конца XIX - начала XX веков удовлетворяли как критериям непротиворечивой оптимизации, так и хорошей морской практике.

Для теоретического обоснования и вычислительной поверки проектных решений в работе были использованы две математические модели судовых обводов, с использованием которых проведен предварительный анализ влияния основных характеристик корпуса на волновое сопротивление. Новая геометрическая интерпретация интеграла для расчета волнового сопротивления по Мичеллу позволила представить аргумент в виде амплитуды излучаемой корпусом корабельной водны, а подынтегральную функцию связать с амплитудой этой волны. Это позволило на новом уровне провести анализ физических процессов, протекающих вблизи обшивки волноизлучающего корпуса, и построить целить комплекс эмпирических поправок, необходимых, как для уточнения особенностей реального корабельного волнообразования, так и для восстановления картины расчетного волнового поля;

Важным теоретическим результатом является обнаружение связи между корабельным волнообразованием при ходе на спокойной воде, и интенсивностью силового взаимодействия корпуса корабля с внешним волнением, которое тем активнее, чем менее оптимизирован корпус по волновому сопротивлению на скорости хода, когда порождаемая корпусом поперечная волна соизмерима с длиной внешней штормовой волны. Это позволило найти основные оптимизационные решения по построению теоретического чертежа корабля, приспособленного к плаванию в условиях интенсивного волнения, которые затем были подтверждены экспериментальными исследованиями мореходности различных морских судов в опытовом бассейне гравитационного типа.

Исходя из принципиальной возможности оптимизации штормовой мореходности кораблей и судов различного класса, изложенные в настоятцем исследовании принципы проектирования формы корпуса и общекорабельной архитектуры могут быть использованы для следующих типов кораблей и судов:

1. Быстроходный боевой корабль (рис.66),

2. Морской спасатель или гидрографическое судно;

3. Пассажирское судно;

4. Универсальное грузовое судно (рис.14);

5. Рыболовный траулер и экспедиционный транспортный рефрижератор,

6. Судно ледового класса (ледорез) для автономною плавания.

С использованием новых разработок по комплексному и непротиворечивому проектированию формы корпуса и общекорабельной архитектуры, каждый из перечисленных проектов может быть дополнительно проработан для удовлетворения требований по остойчивости и непотопляемости, исследованы особенности корабельного волнообразования и взаимодействия корпуса с морским волнением, а также проработаны рекомендации но штормовому управлению кораблем на различных режимах штормового хода и других операциях маневрирования или позиционирования на точке в штормовом море.

Рис.66. Эскизная прорисовка формы корпуса быстроходного корабля. Так же как и у средневековых парусников, и быстроходных и военных кораблей конца XIX начала XXвеков, миделъшпангоут вписан в окружность. В этой же окружности должны бы размещены основные палубные надстройки, что в целом обеспечит пассивность корпуса, как по отношению к штормовому волнению, так и его невидимость по отношению к внешним гидроакустическим и радиолокационным средствам обнаружения.

В заключение к технико-историческому анализу мореходности был приведен эскизный проект универсального грузового судна с уменьшенными моментами площади действующей ватерлинии, в котором показано, что новая форма корпуса может быть использована даже для наиболее сложных транспортных судов, в том числе допускающих горизонтальные методы погрузки, и стандартные контейнерные перевозки.

На рисунке 66 показан согласованный теоретический чертеж и аксонометрическая прорисовка формы корпуса быстроходного военного корабля, в носовой части которого установлен заглубленный бульб, в котором могут быть размещено гидроакустическое оборудование. Как показывалось в результатах анализа мореходности модели МИДВ (глава 9), наличие развитого бульба приведет к стабилизации на волнении носовой части корабля, что будет очень благоприятно сказываться на работоспособности приемоизлучающей гидроакустической аппаратуры, установленной в носовом бульбе.

Минимизация силового взаимодействия корпуса корабля с внешним морским волнением, выполняемая с целью повышения мореходных качеств и безопасности мореплавания, одновременно обеспечивает военному кораблю снижение огражательной способности корпуса, как от удаленных подводных гидроакустических средств, так и от надводных радиолокационных систем дальнего обнаружения и опознавания этого корабля, что объясняется одинаковой волновой природой, как штормовых волн, так и гидроакустических или радиолокационных. Из этого следует дополнительный вывод о том, повышение штормовой мореходности за счет достижения пассивности корпуса корабля по отношению к волнению, одновременно делает его невидимым для гидроакустических и радиолокационных средств дальнего обнаружения.

Одним из важных выводов из текущих исследований является обнаружение режимов плавания оптимизированного корабля, при которых достижение стабилизации качки и улучшение ходкости достигается путем за

1. Аносов /1/2., Дидык. А,Д. Управление судном и его техническая эксплуатация. М.: Морской транспорт, 1964. - 465 с.

2. Антоненко С. В., Суров О.Э. Использование модели ветровых волн для расчета поведения судна на морс // Труды международной конференции. Проблемы прочности и эксплуатационной надежности судов: ДБГТУ. Владивосток, 1999. - с. 135-140.

3. Артюшков Л. С. Расчеты сопротивления при движении судов в особых условиях. Л.: Жй, 1983. - 64 с.

4. Артюшков Л, С. Расчеты сопротивления воды движению морских транспортных судов. -Л.: ЛКИ, 1980. 88 с.

5. Артюшков Л. С. Динамика неньютоновских жидкостей. СПб.: Изд. ГМТУ, 1997. - 460 с

6. АстаритаДж. Маруччи Дж. Основы гидромеханики неньютоновских жидкостей. М.: Мир, 1978. - 312 с.

7. Астахов А. В., Широков ЮМ. Курс Физики. т.П, Электромагнитное гюле. М.: Наука, 1980.

8. Ашик В.В. Проектирование судов. Л.: Судостроение, 1975. - 352 с.

9. Бадигин К По студеным морям. М.: Государственное издательство географической литературы, 1956 - 424 с.

10. Белоцерковский О.М. Численное моделирование в механике сплошных сред. М.: Наука, 1984. - 520 с.

11. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. Вычислительный эксперимент. М.: Наука, 1982. -392с

12. Благовещенский С.Н. Качка корабля. Л.: Судпромгиз, 1954. - 520с.

13. Благовещенский С.Н., Холодилин А. II. Справочник по статике и динамике корабля. Д.: Судостроение, 1976.

14. Бронштейн Д.Я, Устройство и основы теории судна. Д.: Судостроение, 1988. - 336 с.

15. Буров В.Н., Юхнин В.Е. Крейсер «Аврора». Памятник истории отечественного кораблестроения. Д.: Лениздат, 1987. - 162 с.

16. БэтчелорДж. Введение в динамику жидкости. М.: Мир, 1973.760 с.

17. Ван-Дайк М. Альбом течений жидкости и газа. М.: Мир, 1986.182с.

18. Ван-Ламмерен, Троост, Конинг. Сопротивление, пронульсивные качества и управляемость судов. Л.: Судпромгиз, 1957. - 388 с.

19. Воеводин Н.Ф. Изменение остойчивости судов,- Л.: Судостроение,1973.-200 с.

20. Войткунский Я.И. Гидромеханика. Д.: Судостроение, 1982.

21. Войткунский И.И., Першиц P.M., Титов И.А. Справочник по теории корабля. Л.: Судпромгиз. - 1973. - 682 с.

22. Войткунский Я.И. Сопротивление воды движению судов. Л.: Судостроение, 1964. - 412 с.

23. Готман А.Ш. Проектирование обводов судов с развертывающейся обшивкой. Л.: Судостроение, 1979. - 192 с.

24. Готман А.Ш. Определение волнового сопротивления и оптимизация обводов судов (Часть. 1 Волновое сопротивление судов. Чаеть.2 Методы расчета волнового сопротивления. Оптимизация обводов корпуса водоизмещающих судов). Новосибирск: НГАВТ, 1995. - 322 с.

25. Готман А.Ш. Волновое сопротивление и оптимизация обводов водоизмещающих судов. Новосибирск, Диссертация д.т.н. № Г/р 05.9.60 001867, 1996. - 207 с, прил. -81 с.

26. Грибовский В.Ю., Познахирев В.П. Вице-адмирал З.ГТ. Рожествен-ский СПб; Цитадель, 1999. - 280 с.

27. Громов Г.Н. Дифференциально-геометрический метод навигации. -М.: Радио и связь, 1986. 384 с.

28. Лжилмео Томас С. Пооективование еовоеменного кооабля. Л.: Cv1. Г 1 Л t JL X A Jдостроеиие, 1984.

29. Егоров Н.И. Физическая океанография. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. -456 с

30. Жизнь и деятельность кораблестроителя В.П. Костенко. СПб: «Га-лея-11ринт», 2000. - 204с.

31. Кацман Ф.М., Пустотный А, Ф,, Штумпф В.М. Пропульсивные качества морских судов. JI.: Судостроение, 1972.

32. Клейтон Б, Бишоп Р. Механика морских судов. Л.: Судостроение, 1986. - 436 с,

33. Костенко В.П. На «Орле» в Цусиме Л.: Судостроение, 1968. - 525 с,

34. Костюков А. А. Сопротивление воды движению судов. Л.: Судостроение, 1966. - 448 с.

35. Костюков А.А. Теория корабельных волн и волнового сопротивления. Л.: Судпромгиз, 1959. -310 с.

36. Кочин Н.Е.у Кибель И.А., Розе Н. В. Теоретическая гидромеханика. Ч. I и II, IvI.: Физмаггиз, 1959.

37. Крылов А.Н. Избранные труды. Л.: Академия наук СССР, 1958. -804с.

38. Крылов AM, Лекции о приближенных вычислениях. Л.: Академия1./-(fk 1 ЛЛЛ ^ i 11наук LtLl', I yjj. 34 i С.

39. Курти О,. Постройка моделей судов. Энциклопедия судомоделизма. -Л.: Судостроение, 1977.

40. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1973. -848 с.

41. Луговский 5.5. Гидродинамика нелинейной качки судов. М.: Наука, 1973. - 848 с.

42. Мельников P.M. Миноносцы типа "Измаил". Судостроение, № 8. Л.: Судостроение, 1981.

43. Митрофанов В.П., Митрофанов П. С. Школы под парусами. Л.: Судостроение, 1989. - 232 с.

44. Невельской Г.И. Подвиги dvcckhx мооских оАипепов на коайнем"" А А X ' i А

45. Востоке России 1849 1855. - Хабаровск. Хабаровское книжное издательство, 1969. - 421 с. 46 Ногид Л Ж, Остойчивость судна и его поведение на взволнованном море. - Л.: Судостроение, 1967. - 242 с.

46. Ногид JI.M. Проектирование морских судов. Л.: Судостроение, 1976.- 208 с.

47. Ньюмен Дж. Морская гидродинамика. Л.: Судостроение. 1985.-368 с.

48. Орлов Ю.Ф. Потенциал ускорений в гидродинамике корабельных волн.- Новосибирск: Наука, 1979. 214 с.

49. Основы корабельной архитектуры. Т. 1-2.-Л.: Суднромгиз, 1948.

50. Павленко Г,Е1 Сопротивление воды движению судов. М.: Водтранс-издат, 1953. - 507 с.

51. Павлюченко Ю.Н. Основы художественного конструирования судов.- Л.: Судостроение, 1985. 264 с.

52. Панченков А.Н. Теория потенциала ускорений. Новосибирск: Наука, 1975. - 222 с.

53. Гуляш Ш, Певной П. Парусники. Минск: Лильт, 1996. - 224 с.

54. Прандтль Л., Титьенс О. Гидро- и аэромеханика. Т.1. Равновесие. Движение жидкостей без трения. М. - Л.: Государственное технико-теоретическое издание, 1932. - 222 с.

55. Прандтль Л, Титьенс О, Гидро- и аэромеханика, Т.2, Движение жидкостей с трением и технические приложения. М. - Л.: Государственное технико-теоретическое издание, 1935.- 312 с.

56. Проблемы прикладной гидромеханики судна / Под редакцией Титова И.А. Л.: Судостроение, 1975. - 352 с.

57. Роуч SI. Вычислительная гидродинамика. М.: Мир, 1980. - 616 с.

58. Семенов-Тян-Шанский В. В. Статика и динамика корабля. JI.: Судостроение, 1973. - 603 с.

59. Семенов-Тян-Шанский В.В., Благовещенский С.Н., Холодилин А.Н.

60. Качка копабля. Л : Сулостпоение. 1969 - 392 с.1. X J ' A J

61. Справочник капитана промыслового судна. / Под редакцией Ширяева Е.Д. М.: Агропромиздат, 1998. - 638 с.

62. Сппавочник по теопии копабля Том 1-^-3 / Под пеягакпией Boumkvh . ^ . .X ------J------------. .Г - Г-1-------1--------- - - - - - V - ского Я.И. JL: Судостроение. 1985.

63. Стокер Дж. Волны на воде. М.: Иностранная литература, 1959. -618 с.

64. Титов И.А., Егоров И. Т., Дробленков В. Ф. Холкость быстроходных судов. Л.: Судостроение, 1979. - 256 с.

65. Турбал ВЖ, Шпаков B.C., Штумпф В.М. Проектирование обводов и движителей морских транспортных судов. Л.: Судостроение, 1984.

66. Филин А.П. Введение в строительную механику корабля. — СПб: Судостроение, 1993. 640 с.

67. Ханке X. Люди Корабли Оксаны. Л.: Судостроение, 1976.

68. Ханович X. Сопротивление воды движению судов. М.: Военное издание. МВС, 1946. - 316 с.

69. Хаскинд М.Д. Гидродинамическая теория качки корабля. М.: Наука, 1973. -327 с.

70. Хмельное И.Н., Кожевников В.А., Турмов Г.П., Илларионов Г.Ю. Подводные лодки России: история и современность. Владивосток.: Уссури, 1996. - 296 с.

71. Хмельное И.Н., Турмов Г.П., Илларионов Г.Ю. Надводные корабли России, история и современность. Владивосток.: Уссури, 1996. -445с.

72. Холодилин А.Н. Стабилизация судна на волнении. Л.: Судостроение,1972.-232 с.

73. Храмушин В.Н. Геометрическая интерпретация волнового сопротивления с целью проектирования формы корпуса судна // X Дальневосточная научно-техническая конференция. «Опыт проектирования и модернизации судов для дальневосточного бассейна». Владивосток:

74. ВНТО им, ак. Кпылова. 1989. с. 56-58. j.

75. Храмушин В.Н. Историко-технический анализ мореходности и выработка эвристических правил проектирования формы корпуса судна // Там же, с. 59-60.

76. Храмушин В.Н. О постановке вычислительного эксперимента в гидромеханике. Реализация задачи о распространении длинных волн,

77. Препринт. Южно-Сахалинск: ИМГиГ ДВО АН СССР, 1988. - 41 с.

78. Храмушин В.Н. Применение троичной матрицы при проектировании вычислительного эксперимента // Актуальные вопросы геологии, геофизики и биологии. Южно-Сахалинск: ИМГиГ ДВО АН СССР // Материалы XVI Конференции молодых ученых ИМГиГ, 1990. с. 86-102.

79. Храмушин В.НРазработка требований к системе программирования для проведения вычислительного эксперимента. // Там же, с. 103-118.

80. Храмушин В.Н. Использование особенностей цифровой ЭВМ для постановки вычислительного эксперимента в гидромеханике. /7 Там же, с. 119-133.

81. Шебалое АЖ Нелинейная теория волн и волнового сопротивления,1. ТТ ТТТ/»ТТ 1 АЛ Л1. Jl.: ЛАП, 1У5Ч.

82. Friderik Henrik of Chapman, Archiiectura Navalis Mercatoria, VEB Hinsiorf Verlag Rostok, 1968. P. 104.

83. Kane John R., The Speed of the SS United States, Marine Technology, vol. 15, '2, April 1978, P. 119-143.