автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.03, диссертация на тему:Оптимизация основных проектных характеристик буксиров-спасателей для Вьетнама

На правах рукописи

уС/7

005553547

МАЙ ВАН КУАН

ОПТИМИЗАЦИЯ ОСНОВНЫХ ПРОЕКТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК БУКСИРОВ-СПАСАТЕЛЕЙ ДЛЯ ВЬЕТНАМА

Специальность 05.08.03 - "Проектирование и конструкция судов"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

23 ОКТ 2014

Нижний Новгород - 2014

005553547

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева»

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент Грамузов Евгений Михайлович

Официальные оппоненты: Роннов Евгений Павлович,

доктор технических наук, профессор, ФБОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта», Нижний Новгород, заведующий кафедрой проектирования и технологии постройки судов

Виноградов Владимир Сергеевич, кандидат технических наук, ОАО ЦКБ «Лазурит», Нижний Новгород, инженер-конструктор I категории

Ведущая организация: ОАО Конструкторское бюро по проектированию судов «Вымпел», Нижний Новгород

Защита состоится «26» ноября 2014г. в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д.212.165.08 при ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева» по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24, корп. 1, ауд. 1258.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева» www.nntu.ru/sites/default/files/file/dissertacii/2014/may_van_kwan.pdf

Автореферат разослан »CUM^f ^ 2014 г.

Ученый секретарь __.л/;

диссертационного совета сТ^С,-^ Грамузов Евгений Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Вьетнам - государство, находящее на берегу ЮжноКитайского моря, имеющее 3260 километров береговой линии моря и большую морскую зону площадью около миллиона квадратных километров. Поэтому Вьетнам имеет большой потенциал для развития морской экономики, в том числе морского транспорта, так как Вьетнам находится на оживленном морском пути, соединяющем Европу с Азией. Согласно морской стратегии Вьетнамского правительства, до 2020 г. Вьетнам станет «сильной морской страной». Водный транспорт играет значительную роль в экономической системе Вьетнама.

В последние годы было отмечено увеличение количества морских катастроф, происходящих на морской зоне Вьетнама. Это связывается с ростом водного транспорта с одной стороны, а с другой - с тем, что Вьетнам находится в зоне, подверженной действию штормов. Аварийные происшествия на море принесли колоссальный урон. Поэтому обеспечение морской безопасности является актуальной проблемой для Вьетнама.

Во Вьетнаме, в 1996 году был основан государственный комитет по поиску и спасению пострадавших. Комитет отвечает за руководство и организацию осуществления поиска - спасения людей и транспортных средств, попавших в аварию в воздухе, на море и на прилегающих к нему зонах ответственности Вьетнама и других стран. В данный момент во Вьетнаме существует 4 центра по поиску и спасению пострадавших на море, расположенных в г. Хайфон, г. Дананг, г. Вунгтау и на островах Спратли. Вьетнамские спасательные суда в последнее время провели ряд спасательных операций, но в целом можно сказать, что спасательный флот Вьетнама не соответствует требованиям как по количеству так и по дальности, скорости, современности оборудований. Таким образом, вопрос о проектировании и постройке спасательных судов, оборудованных современной техникой и обладающих хорошими мореходными качествами, является одной из главных задач для судостроительной промышленности Вьетнама.

Таким образом, поставленной в диссертации задачей становится пополнение спасательного флота и определение оптимальных основных характеристик спасательных судов для Вьетнама на основе изучения аварийности на морской обслуживаемой зоне флота.

Цель работы. Целью диссертационного исследования является снижение последствий аварий на море за счет оптимизации основных проектных характеристик спасательных судов и пополнения спасательного флота для Вьетнама. Для достижения цели работы решались следующие задачи:

1. Исследование аварийности на морской зоне Вьетнама, анализ характеристик морских катастроф, проходящих в последнее время, и определение задач для спасательного флота и требований к проектируемым спасательным судам;

2. Определение характеристик спасательных судов и расчет их потребности с учетом решаемых задач;

3. Установление связи элементов спасательных судов со специфическими требованиями, предъявляемыми к ним с их массами, объемами и эффективностью;

4. Разработка методики и алгоритма решения оптимизационной задачи определения основных характеристик спасательных судов и пополнения спасательного флота на начальных стадиях проектирования;

5. Проверка устойчивости задачи в зависимости от переменных характеристик спасательных судов;

6. Разработка практических рекомендаций для проектирования спасательных судов для Вьетнама.

Объектом исследования являются спасательные суда и спасательные буксиры, предназначенные для оказания помощи аварийным судам.

Предметом исследования является определение состава спасательного флота и определение основных характеристик спасательных судов.

Теоретической основой диссертационных исследований являются работы в области теории проектирования и оптимизации судов: Ашика В.В, Бронникова A.B., Гайковича А.И., Зуева В.А., Ногида Л.М., Пашина В.М., Ракова А.И., Роннова Е.П. и др.; исследования по проблемам проектирования спасательных судов, морских буксиров и эксплуатации спасательных судов, изложенные в работах Богданова Б.В., Гуровича А.Н., Слуцкого A.B., Родионова A.A., Сидорченко В. Ф., Наугольнова В. И., Бунеева В. М. и др.; работы Краева В.И., Бронникова A.B., Астахова В.Е., Постнова JI. С. и др. в области экономической теории.

Методы исследований и решений. Для решения поставленных задач и достижения намеченной цели в исследованиях технико-экономических показателей использованы методы математической статистики, методы системного анализа, методы математического моделирования, методы математического программирования на основе компонента «Solver» в пакете «Ехсе1»и др., требуемые для исследования вышеперечисленных характеристик и применяемые в судостроении и в других областях создания сложной техники.

При создании математической модели проектирования спасательных судов использованы основные методики и аппарат теории проектирования судов с учетом дополнений, разработанных в настоящем исследовании.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

1. Алгоритм обоснования состава спасательного флота и определения основных характеристик спасательных судов для Вьетнама;

2. Методика определения показателей эффективности спасательного флота и спасательного судна;

3. Математическая модель оптимизации основных характеристик спасательных судов и пополнения спасательного флота для Вьетнама;

4. Анализ адекватности и чувствительности разработанных моделей спасательных судов.

Научная новизна полученных результатов. В результате проведенных исследований были получены следующие новые результаты:

1. Выполнен анализ аварийности судов на морской зоне Вьетнама, сформулированы задачи для спасательного флота Вьетнама;

2. Разработаны зависимости для определения основных характеристик спасательных судов;

3. Разработана методика ТЭО основных характеристик спасательных судов, разработан показатель эффективности спасательного флота и спасательного судна;

4. Разработана математическая модель пополнения спасательного флота и оптимизации основных характеристик спасательных судов для Вьетнама;

5. Разработан алгоритм решения оптимизационной задачи пополнения спасательного флота и определения основных характеристик спасательных судов для Вьетнама на начальных стадиях их проектирования.

Практическая значимость полученных результатов. Практическое значение результатов диссертационной работы состоит в разработке математической модели

пополнения спасательного флота и оптимизации основных характеристик спасательных судов для Вьетнама, и также алгоритма решения данной задачи на начальных стадиях проектирования судна. Предложены так же практические рекомендации для проектирования спасательных судов для Вьетнама. Результаты расчетов могут быть использованы в проектно-конструкторскнх и научно-исследовательских организациях Вьетнама для обоснования выбора проектных характеристик спасательных судов и выбора наиболее эффективных вариантов пополнения спасательного флота Вьетнама.

Достоверность полученных результатов подтверждается совпадением результатов расчетов с характеристиками существующих спасательных судов и буксиров при использовании разработанной информационной базы; выполненными статистическими исследованиями с оценкой погрешности результата и выполненными проверочными расчетами; выполнением тестовых вычислений.

Внедрение. Результаты работы использованы в учебном процессе в Нижегородском государственном техническом университете им. Р. Е. Алексеева.

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 работы в журналах из списка ВАК.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» (Нижний Новгород: НГТУ, 2013 г.), на XI международной научной конференции «Инновации в науке и образовании - 2013» (Калининград: КГТУ 2013), на XIX нижегородской сессии молодых ученых, технические науки (г. Арзамас, 19 марта 2014 г.) и на V межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта» (Санкт-Петербург: ГУМРФ им. адмирала С. О. Макарова).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературных источников и 6 приложений. Диссертации содержит 178 страниц основного материала, 74 рисунок, 61 таблиц, список литературных источников из 105 наименований. Объем приложений - 106 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цели и задачи исследования, предмет исследования, методы исследований и решения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, внедрение и публикации, апробация работы, структура и объем работы.

В первой главе приводится общее описание спасательных судов (краткая историческая справка, классификация и основные требования); рассмотрены развитие мирового транспортного флота, аварийность на море и организация службы оказания помощи аварийным судам в нескольких странах. Исследования показывают роль спасательного флота в обеспечении безопасности морского транспорта по всему миру.

Рассмотрено географическое положение Вьетнама, его потенциал для развития морской экономики, и так же ситуация аварийности на морской зоне Вьетнама. Как показываются на рис. 1 и 2, количество судов и грузов, проходящих через Вьетнамские порты, интенсивно увеличивается.

- Кол нчрспо судов, про*од яишх '«ерез порты Вьетнама и (ОД

Год

- Общий Гр\ЗОЛУО(!<ТТй. П|1СХОДЯ1УК<

150000

140000 4.............

120000

100000 4.............

гоооо 4.............

60000 ¿^388.

40000 420000 4 о

Рис. 1 Количество судов, проходящих через порты Вьетнам за год

Рис. 2 Общий грузооборот, проходящий через порты Вьетнама за год.

В связи с развитием водного транспорта, увеличивается количество морских катастроф, проходящих на морской зоне Вьетнама, приносящих большие ущербы. В то время как, спасательный флот Вьетнама ограничивается количеством и возможностью, особенно при оказании помощи далеко от берега или проведении спасательных работ в условиях непогоды. Таким образом, спасательный флот Вьетнама должен пополняться новыми судами, обладающими хорошими эксплуатационными и мореходными качествами, оборудованными современной техникой.

Во второй главе излагается построение алгоритма обоснования состава спасательного флота и предварительное определение основных характеристик спасательных судов для Вьетнама.

Схема последовательности обоснования состава спасательного флота и оптимизации основных характеристик спасательных судов для Вьетнама представлена на рис. 3.

Ляхлязмврскв» 1 нарл¡<иоггн во Вьпхаме Формуляром* из»ч (пасгтелыгото фаем

1 -

Нмавнпшм *>«р€мскягм< 0, >■*•

X

Ркчп«р«««акка гаргстгрмспгкл екарчетж, м«шгопк,тяп|г«

Расчет-злятельяости рейеоа

X

I

Расчет стрвитг.зъиой сгоямос» суд*«

Расчет перяадя 5кслтт»гавш

требуемаго колычггтха суд«* я с«стам фл»т!

Рягчп ягепхпгапцнвмяых мтрат суд и а

| Расчет пркдедевльп м трат флот» |

1 ______ Продерка усмм! л огт>»вич*мий мт

да

1 Вмбор «пшплмш харяккристжк судна 1

Рис. 3 Схема решения задачи пополнения спасательного флота Вьетнама.

6

Анализ аварийности во Вьетнаме. Формулировка задач флота.

В работе произведен анализ морской аварийности во Вьетнаме за период 2010-2012 г. Сделаны следующие выводы:

- Количество аварийных случаев, происходящих на водной территории Вьетнама, достигло 159 (в 2011 г.);

- Спасательные суда Вьетнама в данный момент могут оказать помощь только примерно в 25% случаев от общего количества аварий;

- Большинство аварийных судов во Вьетнаме - это промысловые суда длиной 2025 м (около 80%). Грузовые суда составляют 20% случаев;

- Аварийные происшествия происходят в условиях ветра силой в 4—6 баллов, иногда 8 баллов;

- Морские аварии происходят в конце и начале года чаще, чем в середине года;

- Присутствуют пиковые аварийные ситуации. Аварии, происходящие в период до 4 дней, составляют около 40% от общего количества в год;

- Среднее расстояние от места происшествия аварии до ближайшей базы спасательного флота составляет около 170 миль;

- Основной причиной морских происшествий является потеря управляемости или хода судна (ошибка при эксплуатации главного двигателя).

Другие причины - скорая медицинская помощь, гибель судна, потеря связи, падение людей в воду.

На основе анализа аварийности на морской зоне Вьетнама в качестве задачи для спасательного флота предлагается дополнительно привести 120 спасательных операций по типам, показанным в табл. 1.

Таблица 1. Задачи спасательного флота Вьетнама

Задачи Составляющие, % Количество операций

Оказание помощи судам, терпящим потерю управляемости или хода. 40 48

Оказание медицинской помощи пассажирам или членам экипажа судов. 20 24

Оказание помощи аварийным судам при их гибели, пробоине, посадке на мель и пожаре. 22 26

Поиск людей, попавших в воду и судов, пропавших без вести. 18 22

Расчет проектных характеристик.

Одной из особенностей спасательного судна является наличие 3 разных скоростей: максимальная скорость, экономическая скорость и скорость при буксировке аварийных объектов. Это означает, что энергетическая установка спасательного судна работает в разных режимах. Как правило, при максимальной скорости и при буксировке аварийного объекта, главный двигатель работает на максимальной мощности. Полагается, что при экономической скорости главный двигатель работает на 50% от максимальной мощности; а при режиме обслуживании - 15 % от максимальной мощности.

Экономическая скорость может определяться по следующей формуле:

о.

Для расчетов в первом приближении пополнения спасательного флота Вьетнама

принимаем у6ук=5уз.

Мощность энергетической установки определяется по Адмиралтейской формуле:

ЛГ

= —- (2)

^а

где, О - полное водоизмещение судна, т; V - скорость судна, уз; Са - адмиралтейский коэффициент.

Тяга буксирного устройства может определяться по следующей форме:

^тяг ~ •гт«г' (3)

где гтяг - удельная тяга спасательного судна, кН/кВт.

Водоизмещение порожнем в зависимости полного водоизмещения показано на рис. 4 и приближено определяется по формуле:

А,ор =0,7-0

(4)

Дедвейт спасательного судна определяется по формуле:

И1¥ = Б — £>пор = 0,3 • £> (5)

Запас топлива спасательных судов в зависимости от его дедвейта продемонстрирован на рис. 5 и определяется по формуле:

Ртоп =0,834 /Ж-61,5 (6)

Рис. 4. Зависимость водоизмещения Рис. 5. Зависимость запаса топлива порожнем спасательного судна от его спасательного судна от его дедвейта, полного водоизмещения. Расчет длительности рейсов.

Проведение спасательных операций является сложной процедурой, включающей много аспектов. В общем, длительность рейса при выполнении /-той операции можно определить так:

у _ уПОДГОТОВ у пря у поиск уопр у обр умрем. /"7Л

ж/ XI XI XI ^ .VI XI ' XI У')

где, Тх,"ол - время подготовки к рейсу; Тх,"р' - время пути к аварийному месту; Тх"°" -время поиска цели; Тх"а - время проведения спасательных работ; 7Убр - время возвращения в базу; Гх,м рем - время после рейса для проведения малого ремонта. Время выполнения всех рейсов флота рассчитывается по формуле:

т = 2Х,

(8)

Расчет периода эксплуатации.

Период эксплуатации судна за год можно определить так:

Тэ =365-Грсмидок (9)

где 7рем„док - среднегодовая продолжительность стоянки судна на ремонте и доковании.

Расчет требуемого количества судов в составе флота.

Требуемое количество спасательных судов в составе флота может быть определено по формуле:

N=Si- (10)

к""г • т,

где, AJ,ar - коэффициент нагрузки, рассматривающий вероятность аварийных случаев за короткий период времени.

Расчет строительной стоимости судна.

Строительная стоимость спасательного судна рассчитывается по рекомендации A.B. Бронникова, учитывая увеличение стоимости постройки судов по сравнению с 1997 г.

Строительная стоимость серийно освоенного судна:

Кс=(К^+Кп+Кж^ж (11)

где А"ков - стоимость корпуса с оборудованием; К1п - стоимость главного двигателя; Кыо - стоимость механического оборудования, т.е. остальной части СЭУ; р. -коэффициент, учитывающий прочие затраты при постройке судна и сдаче судна заказчику; ц„ - поправочный коэффициент, зависящий от категории ледовых усилений корпуса судна.

Среднесерийная стоимость постройки судов, входящих в серию, в зависимости от их количества N может определяться по формуле:

к.

-1 (12)

Ср.С

N

где, цп — коэффициент перехода от серийно освоенного судна к любому судну серии.

К„

Я»" (13)

где, Кс - стоимость серийно освоенного судна; К„ - стоимость п-того судна в серии; Кпр - стоимость проектирования судов; КоС„ - стоимость оснастки и приспособлений для постройки судов.

Расчет эксплуатационных затрат судна.

Суммарные затраты С при эксплуатации судна за год рассчитываются по формуле: с = £с, =С, +С„„„„ +Сор„руд +С„„_„ + С_ (14)

где, Сэ - расходы на оплату труда экипажа; Сф01и1 - отчисление во внебюджетные фонды; Спитание - расходы на питание экипажа; Сорх ТруД - расходы на охрану труда; Стописмаз - затраты на топливо и смазочные материалы; Сремо,гт - затраты на ремонт судна; Спро - прочие расходы.

Расчет приведенных затрат флота.

При проектировании специальных судов, к которым относятся спасательные суда, возможно «дисциплинировать» варианты по единичному полезному эффекту и провести сравнение по минимуму абсолютных затрат. Приведенные затраты могут быть определены по следующей формуле и должны быть минимальными:

Г = (15)

где £„0р„ - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений; N -

количество спасательного судна в составе флота.

Проверка условий и ограничений.

При решении задачи должны быть выполнены следующие условия и ограничения:

1. Условие по запасам топлива:

Р^к-(д^)- (16)

где, ((УтоП)тах - максимальный расход топлива при выполнении спасательных задач в случае среднего расчета; Ртоп - запас топлива судна, т; к - коэффициент, учитывающий увеличение расхода топлива по сравнению с расходом топлива в случае среднего расчета.

В этом случае автономность и дальность плавания проектируемого судна должны быть достаточными для того, чтобы судно оказалось способно выполнять длительные спасательные операции. Практика проведения спасательных работ в морской зоне Вьетнама показывает, что автономность должна достигать 10-12 суток, а дальность плавания: 3000 - 4000 миль.

Дальность плавания судна при экономической скорости может быть определена по формуле:

Д =-^

Р" (17)

Автономность судна при экономической скорости может быть определена по формуле:

А =--: (18)

кгк2-Рт.МГ-24 ( '

2. Условие по времени пребывания спасательного судна на месте происшествия:

у»преб ^ утчсл (19)

где, Тчел=/2ч - время проживания человека в морской воде при температуре 20-25°С.

3. Граничные значения входных величин:

ртт < £) < (20)

V <у <у тах (21)

макс ~~ макс макс 4 '

4. Требование по тяге буксирного устройства:

гг,г>г^ (22)

где - фактическое тяговое усиление буксирного устройства, кН; Z^ягlr":6 -требуемое тяговое усиление буксирного устройства.

5. Количество спасательных судов должно быть целым и не меньше 4, так как каждый центр по поиску и спасению пропавших должен иметь хотя бы одно спасательное судно.

Выбор оптимальных характеристик судна.

Характер задачи оптимизации и возможные методы решения существенно зависят от той информации о критерии оптимизации, которая доступна в процессе исследования. В случае оптимизации проектных характеристик судна критерий оптимизации может быть вычислен в различных точках пространства, но функцию для определения критерия нельзя дифференцировать или получить явное выражение для градиента. Поэтому изо всех методов оптимизации в данном случае можно использовать лишь методы, оперирующие непосредственно со значением критерия.

Ю

Особенностью выбранных критериев оптимизации является то, что нельзя что-либо сказать о характере функции, в том числе и о том, сколько она имеет экстремумов. В данном случае наиболее надежным является метод сплошного перебора. Его суть состоит в разбиении диапазонов изменения оптимизируемых параметров на конечное число отрезков, и в расчете критерия оптимизации в образовавшихся узлах пространственной сетки. Затем критерии сравниваются между собой. Оптимальным считается набор параметров оптимизации, для которого величина критерия принимает в данном случае наименьшее значение. Этот алгоритм может применяться при любых типах целевых функций и при любых ограничениях.

Сплошной перебор для больших задач можно заменить случайным поиском, но последний метод является менее надежным. Кроме того, при быстродействии современных ЭВМ не возникает проблем с экономией времени. Это важно, так как метод сплошного перебора является трудоемким, особенно при большом количестве параметров оптимизации.

С помощью компонента Solver в пакете Microsoft Excel найдены результаты задачи оптимизации характеристик спасательных судов и пополнения спасательного флота Вьетнама, приведенных в табл. 2.

Таблица 2. Результаты решения задачи пополнения спасательного флота Вьетнама

Элементы Обозначение Значение Размерность

Оптимальное водоизмещение судна D 503 т

Оптимальная максимальная скорость судна щмакс 15,7 уз

Количество судов N 4 -

Экономическая скорость судна иэко 12,6 уз

Скорость судна при буксировке аварийного объекта ибук 5,0 уз

Мощность при максимальной скорости судна NeMaKC 1815 кВт

Мощность при экономической скорости судна Ne3K0 929 кВт

Мощность при буксировке аварийного объекта Ne6yK 1815 кВт

Приведенные затраты F 5,47 млн. $

Среднесерийная стоимость постройки судов Kctic 5,445 млн. $

Годовые затраты при эксплуатации судна С 0,714 млн. $

Автономность при экономической скорости A 11,5 сутки

Дальность плавания при экономической скорости R 3476 миль

Рассматривая результаты задачи при изменении ее некоторых исходных данных, очевидно, что изменяя общее количество аварий, проходящих в морской зоне Вьетнама с сохранением составляющих аварий по 4 типам, оптимальные характеристики спасательных судов неизменны, а изменяется требуемое количество судов в составе флота. При увеличении общего количества аварий до 130, 160 и 190 случаев в год, требуется 5, 6 и 7 спасательных судов соответственно. Это значит, что в будущее время при учащении случаев морских аварий, администрация флота может заказать новые спасатели такого же типа, чтобы решать все поставленные задачи.

При изменении численности экипажа, оптимальные характеристики спасательных судов не изменяются, меняются только эксплуатационные затраты судна, то есть приведенные затраты. Эксплуатационные затраты и приведенные затраты судна при

разной численности экипажа показаны на рис. 6.

Аналогично для ценовых коэффициентов (стоимость топлива и смазочных материалов, зарплата одного члена экипажа, суточная норма питания на одного человека ...) оптимальные характеристики спасательных судов неизменны, а меняются только эксплуатационные затраты и приведенные затраты.

Оптимальные характеристики спасательных судов зависят от характеристик аварий во Вьетнаме (распределение аварийных случаев по типам задач, среднее расстояние от места происшествия к базе флота, длительность пути поиска целей) от коэффициента, учитывающего увеличение расхода топлива по сравнению с расходом топлива в случае среднего расчета, от требуемой тяги для спасательного судна. При увеличении требуемой тяги, то есть повышении способности буксировки спасателя, требуется спасательное судно, обладающее большой мощностью энергетической установки, при этом водоизмещение и максимальная скорость судна увеличиваются. В табл. 3 приведены изменения водоизмещения и максимальной скорости судна при увеличении требуемой тяги судна.

Среднесерийная стоимость постройки спасательного судна и годовые расходы на топливо и смазочные материалы зависят значительно от характеристик проектируемого судна. Расходы на топливо и смазочные материалы составляют около 25% от приведенных затрат флота. На рис. 7 приведен состав приведенных затрат флота.

6 Приведенные затраты Годовые затраты при эксплуатации судна

| 5 503, 1--язв--

;

* ; 0.604 0 6ЗД 0.714 0.769

пэ=15 пэ=20 пэ=25 пэ=30 Численность экипажа, чел

Рис. 6 Приведенные затраты флота и годовые эксплуатационные затраты спасательного судна при разной численности экипажа.

Рис. 7 Состав приведенных затрат спасательного флота

X ►а н ж и: =5 X к ПС и

я о о о о о о о

Элементы га я п. т <ч II сч II СП II

м о ю 2 со га е- 2 2

О ь Н н 1-

Оптимальное водоизмещение судна О т 503 503 524 566

Оптимальная максимальная скорость судна ^макс уз 15,7 15,7 16,1 16,8

Мощность при максимальной скорости Ме„акс кВт 1815 1815 7000 ?400

судна

Автономность при максимальной скорости А сутки 11,5 11,5 11,3 10,8

Дальность плавания при экономической Я миль 3476 4476 3483 3496

скорости

В третьей главе диссертации произведено определение основных элементов

проектируемого спасательного судна для Вьетнама на основе метода совместного решения уравнений теории проектирования судов.

Уравнение плавучести:

И = кгрЫВТ (23)

где р - плотности морской воды; к, - коэффициент выступающих частей; б -коэффициент общей полноты судна; Ь, В, Т - расчетная длина, ширина и осадка проектируемого судна, м.

Уравнение нагрузки:

Водоизмещение судна, О, т, включает в себя водоизмещение порожнего судна Опор, т, и дедвейт т.

П = (24)

Водоизмещение судна порожнем разбивается на укрупненные статьи нагрузки и записывается в виде:

0„„р =Р,+Р+ + Ри+ Р,„ +Р,+Р,+ РПОСГТГ1 + Рсн + Р» (25)

где: РК - масса корпуса; Ру - масса судовых устройств; Рсс - масса судовых систем; Ри - масса энергетической установки; Ра - масса электроэнергетической системы, внутрисудовой связи и управления; Рв - масса вооружения; Р2 - масса запасных частей; РПос груз - масса постоянных жидких грузов; Рсн - масса снабжения, имущества; Р,в - запас водоизмещения.

п _ (Р. + Ру + Рсс + Р,, + Р.+Р,+ Pnoc ^+PcJLBH + puNe

пор - :--(26)

Дедвейт DIVспасательного судна: m

DW=n1A(-j + Pnp +Pt +P^P)+pAk2Ne24A+Px +pmn3A (27)

Уравнение нагрузки в общем виде: „ pLBH+pNr m,

D = -tss.+^+ + )+ k k N24A + p + A

1 -p„ А

Уравнение ходкости:

Полное сопротивление движению судна может быть приближённо рассчитано по формуле:

R = (29)

где Rrp - сопротивление трения; R^ - остаточное сопротивление.

(3°)

где - коэффициент трения эквивалентной гладкой пластины; - надбавка на шероховатость; - надбавка выступающие части; П - смоченная поверхность корпуса судна, м2; v - скорость судна, м/с;

Остаточное сопротивление может быть определено по рекомендации Гуровича А. Н. и Родионова А. А.:

Rm = 36,2 • 1(Г5 • e16FrD (31)

Полезная мощность определяется по формуле:

Nr=R-V (32)

Мощность главной ЭУ судна определяется по формуле:

« „ г. KJJ)

Tlslo

где Г|5 - КПД передачи мощности; r|D - пропульсивный коэффициент. Уравнение остойчивости:

В начальных стадиях проектирования, когда известны основные элементы судна, но еще нет теоретического чертежа, записывается уравнение остойчивости в виде принятом в теории проектирования судов:

h = + (34)

11,45 Т U;

где, h - абсолютная метацентрическая высота судна, м; В, Т - главные размерения судна, м; а - коэффициент полноты площади ГВЛ; 8 - коэффициент общей полноты судна.

Уравнение вместимости можно записать в виде:

^ф = (35)

где ZWj - сумма потребных теоретических объемов, м3; - фактическая вместимость корпуса и надстроек, м3.

B.JI. Поздюниным была введена формула определения вместимости судна:

^=K(l + sJ (36)

где su - коэффициент развития надстроек (отношение объемов надстроек (рубок) и корпуса); WK - объем корпуса, м3;

Объем корпуса определяется по формуле:

K-K^f

где кс - коэффициент седловатости; р - плотность воды;

На ранних стадиях проектирования спасательного судна в общем случае нужна разбивка объемов по функциональному назначению на сравнительно небольшое число слагаемых (статьей). Тогда структура правой части уравнения вместимости будет иметь вид:

2Х + wn + WIIU +wT+wcr+wTr+ ivcn + + Wln + Wnp + Wcn+W3 (38)

где, WM - объем машинного отделения, м3; IV^ - объем туннеля гребного вала, м3; W,M - объем помещений для подпалубных механизмов и судовых устройств, м3; Wr -объем цистерн для размещения запасов топлива и смазки, м3; W„ - объем сточных цистерн, м3; fV6„ - объем цистерн для балластной воды, м3; W,v - объем помещений постоянных жидких грузов, м3; Wc„ - объем помещений для снабжения и имущества, м3; Wx - объем жилых и бытовых помещений для экипажа, м3; Wae - объем цистерн пресной воды, м'; fVuv - объем помещений провизионных кладовых, м3; lVcn - объем помещений для спасенных людей, м3; W-t - запас вместимости, учитывающий мелкие объемы, м3.

Перечисленные объемы могут быть определены следующими выражениями: Wu=blBH (39) \УШ =bsN, (43)

W„=b2L (40) K,+W^=bbANl (44)

W^+W^+W^+W^b.D (41) IVCI. =b1Nm (45) fVr + W^ = btN (42)

Кроме этого при проектировании спасательных судов должны учитываться следующие требования:

Требование к запасу плавучести:

Р = Н-Т = /Т+К&+КН+КЩ+К3 (46)

где,/г - табличный или базисный надводный борт, мм; АГ5 - поправка на отклонение фактического коэффициента общей полноты от стандартного, мм; Кн - поправка на отклонение фактической высоты борта от стандартной, мм; ЛГНг - вычет на наличие надстроек, мм; - поправка на отклонение фактической седловатости верхней палубы от стандартной, мм.

Начальная метацентрическая высота судна Н0 должна быть не менее его минимально допустимого значения /?0т,„:

К > А0„,„ (47)

Требования к параметрам диаграммы статической остойчивости:

- максимальное плечо остойчивости /тшдолжно быть не менее 0,25 м для судов длиной 80 м.

- максимальное плечо должно соответствовать углу крена 0(яш1 ^ 30°.

- угол заката диаграммы 9 > 60°.

Критерий остойчивости при рывке буксирного троса в процессе проведения морских буксировок.

Ъта, -АК>10 (48)

к,= -

где ¡¿¡тах - плечо динамической остойчивости при угле крена, соответствующем максимуму диаграммы статической остойчивости или углу заливания, в зависимости от того, какой из них меньше, м; динамическое кренящее плечо, м, вычисляемое по рекомендациям; ДК - составляющая К2, учитывающая влияние бортовой качки на результирующий угол крена.

Выбор показателя для оценки эффективности спасательного судна.

Для оценки эффективности спасательного судна можем принимать приведенные затраты, определяемые по формуле:

^ = £„„Рм К + С (49)

Строительная стоимость судна на этой стадии проектирования судов при наличии нагрузки судна может определяться по формуле Б. А. Царева:

К = 0.004РК +0.008Рус +0.016РМ +0.032Рм,млн.$ (50)

Задача определения оптимальных элементов спасательного судна может быть решаться по схеме, представленной на рис. 8. А результатами задачи являются основные элементы проектируемого спасательного судна, представленные в табл. 4.

Рис. 8 Блок-схема решения задачи определения оптимальных элементов

спасательного судна _Таблица 4. Основные элементы спасательного судна для Вьетнама

Элементы, размерность Обозначение Значение

Длина, м Ь 39,72

Ширина, м В 8,99

Высота борта, м Н 3,64

Осадка, м Т 2,27

Коэффициент общей полноты 5 0,60

Коэффициент полноты ватерлинии а 0,80

Масса корпуса, т Рк 186,0

Масса судового устройства, т Ру 30,4

Масса судовых систем, т Рсс 22,0

Масса электроэнергетической системы, внутрисудовой связи и управления, т р 1 эл 20,3

Масса вооружения, т Рв 2,5

Масса запасных частей, т Рз 1,1

Масса постоянных жидких грузов, т р 1 пос.груз 16,1

Масса снабжения, имущества, т р 1 сн 5,1

Масса ЭУ, т р» 76,7

Запас водоизмещение, т Р,В 3,6

Водоизмещение порожнем, т 363,8

Масса экипажа, провизии, воды, расходных р 30,6

материалов, т 1 эки

Запас топлива, масла, воды , т р 64.4

Масса переменных жидких грузов , т Рпж 44,2 :

продолжение табл. 4

Дедвейт, т DW 139,2

Минимальный борт, м F 1 min 0,70

Центр тяжести, м Z2 2,92

Центр величины, м zc 1,30

Метацентрический радиус, м го 3,33

Метацентрическая высота, м h 1,72

Максимальной плечо статической остойчивости, м lmax 0,53

Плечо статической остойчивости на 60 градусов, м Uo 0,02

Угол при 1тах, град. ®max 30

Период качки, с T 1 кач 6,1

Критерий остойчивости при рывке троса к2 5,7

Строительная стоимость судна, млн. $ к 3,318

Годовые затраты при эксплуатации судна, млн. $ с 1,812

Приведенные затраты, млн. $ F 2,210

В четвертой главе диссертации выполнены следующие исследования и работы: разработан алгоритм проектирования спасательных судов и даны практические рекомендации для проектирования спасательных судов для Вьетнама.

Алгоритм проектирования спасательных судов для Вьетнама разработан в пакете Microsoft Office Excel с использованием инструмента Solver. Алгоритм состоит из двух модулей:

1. Модуль "Внешний" - Оптимизация основных характеристик спасательных судов и пополнения спасательного флота.

2. Модуль "Внутренний" - Определение основных элементов спасательного судна. На основе численных экспериментов даны практические рекомендации при

проектировании спасателей для Вьетнама. Количество требуемых судов в составе флота определяется в зависимости от количества аварий по рис. 9. Основные характеристики проектируемого судна определяются в зависимости от среднего расстояния от места происшествия до ближайшей базы спасательного флота по рис. 10. _

к 9 " 5 «j 8 P' У; и.

100 120 140 160 180 200 220 240 Количество аварийных случае» та год. Z

- - - - V 'й

...

..... ----J

s» |<о г* -*г г К;

Среднее ря« îotttuc о» vect« вржовеегм'л »" бжмМоа) fei« (ижжзнкхо ¿йен, ?.. mi»

Рис. 9 Определение количества Рис. 10 Определение основных

требуемых судов в составе флота характеристик спасательных судов Строительная стоимость проектируемого судна может быть определена по вышепоказанным формулам. Годовые эксплуатационные затраты могут быть определены по рис. 11. Главные размерения проектируемого спасательного судна можно определить по рис. 12. Результаты численных экспериментов были сопоставлены с анализом статических данных базы построенных спасательных судов и спасательных буксиров.

Рис. 11 Годовые эксплуатационные Рис. 12 Определение главных

затраты одного судна размерений спасательных судов

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Диссертационная работа посвящена решению актуальной задачи - разработке методики решения оптимизационных задач пополнения спасательного флота Вьетнама и определения основных характеристик спасательных судов на начальных стадиях проектирования. Основными результатами и выводами работы являются:

1. Выполнен обзор развития морского транспорта и роли спасательного флота в обеспечении безопасности мореплавания в мире и во Вьетнаме.

2. Выполнены исследование и анализ морской аварийности во Вьетнаме. Уточнены задачи для спасательного флота Вьетнама.

3. Выполнено исследование основных характеристик спасательных судов и разработана математическая модель оптимизации основных характеристик спасательных судов и пополнения спасательного флота Вьетнама.

4. Разработан алгоритм для оптимизации основных характеристик спасательных судов и пополнения спасательного флота Вьетнама. Алгоритм может быть использован в условиях других стран при проведении дополнительных исследовательских работ.

5. Выполнена проверка устойчивости задачи оптимизации основных характеристик спасательных судов и пополнения спасательного флота Вьетнама; сделаны выводы при пополнении спасательного флота Вьетнама.

6. На основе теории проектирования судов получены зависимости для определения основных элементов спасательных судов.

7. Выполнена разработка дополнительных требований и условий при проектировании спасательных судов.

8. Разработана математическая модель для определения основных элементов спасательного судна.

9. Разработан алгоритм для определения основных элементов спасательного судна для Вьетнама. Алгоритм может быть использован для определения основных элементов спасательных судов на начальных стадиях проектирования при наличии требуемых входных данных.

10. Даны практические рекомендация при проектировании спасательных судов для Вьетнама, позволяющие проектанту быстро определить основные характеристики спасательных судов в разных условиях технического задания.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях Перечня ВАК РФ:

1. Май В.К. Анализ аварийных ситуаций в морской зоне Вьетнама / В.К. Май // Журнал университета водных коммуникаций. - СПб.: ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова, 2013. - 186 с. (Вып. 2)- С. 115-122. (Автор - 100%).

2. Май В.К. Оптимизация характеристик спасательных судов и пополнения спасательного флота Вьетнама / В.К. Май // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология, Астрахань: Издательство АГТУ, 2013 - Выпуск 2 - С. 34^45. (Автор - 100%).

3. Май В.К. Определение основных характеристик спасательного судна методом совместного решения уравнений теории проектирования / Е.М. Грамузов, В.К. Май // Вестник государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова - СПб.: ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова, 2013. - Высп. 3 - С. 25-33. (Автор - 50%).

Прочие публикации:

4. Май В.К. Судостроение Вьетнама: вчера, сегодня и завтра / В.К. Май, Д.Т. Нгуен // Будущее технической науки: сборник материалов XI Междунар. молодеж. научно-техн. конф.; НГТУ им. Р. Е. Алексеева. - Нижний Новгород, 2012-С. 181-182.

5. Май В.К. Состояние и перспективы развития судостроения Вьетнама / В.К. Май, Д.Т. Нгуен // Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева.-2013,-№ 1 (98). - С. 158-166.

6. Май В.К. Задача пополнения спасательного флота Вьетнама / В.К. Май // Будущее технической науки: сборник материалов XII Междунар. молодеж. научно-техн. конф.; НГТУ им. Р. Е. Алексеева. - Нижний Новгород, 2013 - С. 232-233.

7. Май В.К. Спасательные суда и вопрос обеспечения безопасности морского транспорта в мире и во Вьетнаме / В.К. Май // Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева. - 2013. - № 3 (100). -С. 182-189.

8. Май В.К. Постановка задачи оптимизации характеристик спасательных судов и спасательного флота / Е. М. Грамузов, В.К. Май // Инновации в науке, образовании и бизнесе-2013: материалы Междунар. науч. конф., 25-27 сентября 2013 г. -Калининград: Изд-во ФГБОУ ВПО "КГТУ", 2013 - С. 300-302.

9. Май В. К. Вопрос проектирования спасательных судов / В.К. Май // Сборник материалов XIX Нижегородской сессии молодых ученых, 19 марта 2014 г. - Н. Новгород: НИУ РАНХиГС, 2014 - С. 277-279.

10. Май В.К. Особенности архитектурно-конструктивного типа спасательных судов / Е.М. Грамузов, В.К. Май // «Современные тенденции и перспективы развития водного транспорта»: материалы V межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов, 14 мая 2014 г. - Санкт-Петербург: ГУМРФ им. С. О Макарова, 2014 - С. 126-130.

Подписано в печать 24.09.2014. Формат 60 х 84 '/16. Бумага офсетная. _Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 642._

Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева.

Типография НГТУ. Адрес университета и полиграфического предприятия: 603950, ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.