автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Разработка методики оценки гидродинамического воздействия на плавающие машины, входящие в прибойную зону

На правах рукописи

МАЛАХОВ Дмитрий Юрьевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ПЛАВАЮЩИЕ МАШИНЫ, ВХОДЯЩИЕ В ПРИБОЙНУЮ ЗОНУ

(05.05.03 - Колесные и гусеничные машины)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2009

003469802

Работа выполнена на кафедре тягачей и амфибийных машин Московского автомобильно-дорожного института (государственного технического университета).

Научный руководитель: заслуженный деятель науки и

техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Степанов Алексей Павлович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Защита состоится "16 " июня 2009 года в 10 22 часов на заседании диссертационного совета Д.212.126.04 ВАК Российской Федерации при Московском автомобильно-дорожном институте (государственном техническом университете) по адресу: 125319, ГСП-47, Москва, А-319, Ленинградский проспект, 64, ауд. 42.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке МАДИ (ГТУ).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Бекетов Сергей Анатольевич

кандидат технических наук, профессор

Аржанухин Георгий Васильевич

Ведущая организация:

ФГУП "38НИИИ" МО РФ

Автореферат разослан ^Ч^ 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Д 212.126.04 при МАДИ (ГТУ) д.т.н., профессор

В.А. Максимов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Мореходные плавающие машины имеют достаточно широкое применение как в военной, так и в гражданской сфере. Эти машины при эксплуатации должны не только двигаться в условиях волнения на глубокой воде, но и преодолевать в обоих направлениях зону прибрежного мелководья и прибойную зону, взаимодействуя с трансформирующимися и разрушающимися волнами. Самым сложным случаем является вход машин в воду и их движение от берега в разрез волнам. Поэтому при оценке степени мореходности плавающих машин определяющими являются именно условия движения машин при входе в воду прибойной зоны.

Движение плавающей машины в прибойной зоне на критической для современных мореходных плавающих машин балльности (4..5 баллов) волнения определяет целый ряд факторов, но основными являются фронтальное силовое воздействие волн и разворачивающий момент, стремящийся изменить курс машины.

Анализ отечественных и зарубежных работ, выполненных в области исследования мореходных плавающих машин, а также работ по изучению волнений в прибойной зоне и функционированию технических объектов в ней, выполненных б смежных областях (судостроении, гидростроительстве, гидрологии), показал, что взаимодействие плавающих объектов с волнами прибойной зоны и прибрежного мелководья ранее практически не было изучено. Немногие теоретические и экспериментальные исследования процесса преодоления плавающими машинами прибойной зоны посвящены, в основном, вопросам качки. Поэтому направление исследований настоящей работы представляется актуальным и важным, поскольку позволяет выявить особенности движения плавающих машин через зону прибоя и способствовать выработке рекомендаций, обеспечивающих вход в воду в условиях требуемой балльности волнения, а также обеспечивать необходимую непотопляемость машины - обя-

зательное условие создания мореходных машин, способных работать в прибойной зоне.

Цель исследования

Целью настоящего исследования является качественная и количественная оценка гидродинамического воздействия на плавающие машины, входящие в прибойную зону, а также выявление факторов, препятствующих успешному входу плавающих машин в воду прибойной зоны.

Методы исследования

В теоретической части исследования был проведен анализ трудов отечественных и зарубежных ученых, посвященных вопросам эксплуатации плавающих машин различного типа и назначения в прибойной зоне морских и озерных побережий, а также функционированию в прибойной зоне иных объектов. Экспериментальные исследования проводились в опытовом бассейне 15 ЦНИИИ им. Д.М. Карбышева методами стендовых испытаний физической масштабной модели плавающей машины. Расчетно-теоретические исследования выполнялись с использованием ПЭВМ.

Объект исследования

Объектом экспериментальных исследований являлась масштабная модель гусеничной амфибии, корпус которой был смоделирован по образцу корпуса плавающего танка ПТ-76 (объект 740) в масштабе 1:10.

Модель плавающей машины (рис. 1), оборудованная измерительной аппаратурой, закреплялась на шарнирном подвесе, позволяющем ей совершать продольно-угловые перемещения относительно центра масс, а также вертикальные перемещения.

Научная новизна

Впервые в настоящей работе проведены теоретические и экспериментальные исследования процесса входа плавающей машины в воду прибойной зоны, разработаны программа, методика качественной и количественной оценки гидродинамического воздействия на плавающие машины, стенд для проведения модельных испытаний. В работе выполнены расчеты параметров, характеризующих:

изменение кинетических энергий волн и плавающей машины при различных значениях их скоростей; изменение скоростей движения плавающей машины и волн на различных участках движения.

0 ' Щ295н

1-0,6? н

Рис. 1. Основные габаритные размеры модели плавающей машины

На основании расчетов построены графические зависимости: втребуемой скорости машины от массы разрушающейся волны при различных ее параметрах по длине и по высоте; изменения скорости плавающей машины при движении ее в прибрежной зоне с различным волнением и углами уклона дна; изменения относительной скорости плавающей машины в зависимости от относительной глубины при волнении 3, 4, 5 баллов.

Проведенные экспериментальные исследования позволили впервые выполнить количественную оценку силового воздействия прибойных волн на плавающую машину.

Практическая ценность

Впервые, наряду с изучением процесса разрушения волн прибойной зоны, выполнено наблюдение и осуществлена количествен-

ная оценка влияния силового воздействия прибойных волн на модель плавающей машины. В результате испытаний масштабной модели плавающей машины получен обширный экспериментальный материал, характеризующий параметры волнового воздействия на модель плавающей машины в зависимости от уклона берега в зоне разрушения волны, положения плавающего средства относительно разрушающейся волны, высоты и периода разрушающейся волны.

Результаты экспериментов могут быть использованы в качестве сравнительной базы для других исследований. С помощью предложенного комбинированного графика связанных между собой зависимостей можно выполнять оценку возможности входа плавающей машины в прибойную зону при различных по балльности волнениях и уклонах береговых склонов. На основании выводов исследования сформулирован ряд практических рекомендаций по преодолению плавающей машиной прибойной зоны.

Реализация результатов работы

Результаты работы используются в учебном процессе на кафедре "Тягачей и амфибийных машин" МАДИ (ГТУ), в научно-исследовательских институтах МО РФ и на предприятиях, связанных с проектированием, исследованием и изготовлением плавающих машин, в частности, при проведении ОКР "Бережок" и "Ракушка".

Апробация работы и публикации

Диссертационная работа рассмотрена и одобрена на заседании кафедры "Тягачей и амфибийных машин" МАДИ (ГТУ) в 2009 году.

Основные положения диссертационной работы заслушивались и обсуждались на IV Международном автомобильном научном форуме в 2006 году, докладывались на выставке "Научные достижения МАДИ (ГТУ)" в 2006 году, на 66 научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ (ГТУ) в подсекции колесных и гусеничных машин высокой проходимости в 2008 году.

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ в сборниках научных трудов МАДИ (ГТУ) и ГНЦ РФ ФГУП "НАМИ", в журнале "Автомобильная промышленность".

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, заключения, списка использованных источников и литературы и приложений. Работа в целом содержит 166 страниц машинописного текста, 101 рисунок и фотографию, 25 таблиц, список литературы из 105 наименований и 24 страницы приложений, два акта внедрения.

На защиту выносятся основные положения и результаты расчетно-теоретических и экспериментальных исследований, связанных с качественной и количественной оценкой процесса взаимодействия между входящими в воду плавающими машинами и разрушающимися прибойными волнами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования.

В первой главе проведен анализ научно-исследовательских работ по тематике диссертационной работы. Теоретические и экспериментальные исследования, посвященные эксплуатации плавающих машин различного типа и назначения в прибойной зоне морских и озерных побережий, изучению волнения на прибрежном мелководье и процесса разрушения волн, а также воздействия волн на гидротехнические сооружения, нашли свое отражение в трудах М.Ю. Тимофеева, Н. Iverson и R.Crooke, D. Patrick, А. П. Степанова, П.В. Аксенова и Ю.А. Кононовича, Н.Г. Давыдова, Д.Г. Егорова, Е.С. Цайтса и И.Я Полова, В.Я. Кякка, Е.И. Левкевича и В. К. Панкратова, Д.Д. Лаппо, М.П. Кожевникова, B.C. Ермакова, H.H. Загрядской и др.

Анализ научно-исследовательских работ по взаимодействию плавающих машин с волнами прибойной зоны показывает, что этот процесс как при входе машин в воду, так и при выходе их из прибойной зоны на берег исследован явно недостаточно. Это не позволяет сформулировать хотя бы общие рекомендации, основанные на

научных данных и исследованиях, по способам и правилам преодоления плавающими машинами прибойной зоны в условиях волнения значительной для плавающих машин балльности (4...5 баллов). Нет также рекомендаций по совершенствованию конструкции плавающих машин с целью обеспечения надежности преодоления прибойных зон.

В рассмотренных научных трудах, за исключением работы А.П. Степанова, а также работ ряда американских исследователей, не нашли отражения особенности взаимодействия плавающих машин с волнами прибойной зоны, поведение этих машин при контактах с разрушающимися волнами и, что является очень важным - в них нет оценки силового воздействия волн на машины.

В то же время из выполненного обзора видно, что достаточно большой объем информации о функционировании объектов в прибойной зоне накоплен в смежных областях инженерной деятельности. Многие результаты исследований как параметров волн и волнений, так и их воздействия на сооружения, официально рекомендованы для расчета гидротехнических сооружений и сведены в СНиП 2.06.04-82*, который, в частности, содержит рекомендации по определению нагрузок от воздействия волн (глубокой воды, разрушающихся и прибойных) на гидротехнические сооружения вертикального и откосного профиля, а также на вертикальные обтекаемые преграды и сквозные сооружения.

В конце главы на основании результатов анализа научно-исследовательских работ сформулированы задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели исследования:

1. Проведение теоретических исследований, направленных на изучение основных факторов, оказывающих влияние на процесс входа плавающей машины в воду прибойной зоны.

2. Подготовка и проведение экспериментов, моделирующих процесс прохождения плавающей машины от берега через зону разрушающихся волн. Наблюдение за характером разрушения волн, описание характера силового воздействия волн на модель плаваю-

щей машины в зависимости от уклонов прибрежного дна и положения машины относительно уреза воды.

3. Экспериментальная оценка величины фронтального воздействия разрушающихся волн на плавающую машину, входящую в воду прибойной зоны.

4. Экспериментальная оценка величины разворачивающего момента, действующего на плавающую машину при отклонении ее курса от нормали по отношению к фронту разрушающихся волн.

5. Изучение и оценка влияния угла наклона приурезового дна на процесс взаимодействия плавающей машины с волнами в условиях повышенной балльности (4....5 баллов).

6. Проверка применимости существующей методики расчета гидротехнических сооружений к определению силового воздействия волн на плавающую машину в прибойной зоне.

Вторая глава посвящена теоретическим основам процесса входа плавающих машин в воду прибойной зоны, гидродинамического воздействия на них.

Способность плавающей машины работать в прибойной зоне определяется рядом ее конструктивных параметров и эксплуатационных характеристик, степень влияния которых различна. Именно в совокупности эти параметры и характеристики обуславливают возможность плавающей машины входить в воду прибойной зоны, двигаться по взволнованной поверхности воды под различными курсовыми углами по отношению к фронту распространения волн и выходить на берег при волнении различной балльности.

Существенное влияние на возможность успешной работы плавающих машин в прибойной зоне оказывают соотношение размеров амфибии и волны. Чем больше эти соотношения, тем выше мореходность плавающих машин.

Выполненные теоретические исследования позволили установить, что при оценке процесса входа плавающей машины в волны прибойной зоны целесообразно береговой пляж и прибрежную морскую зону разбивать на 4...5 участков, специфических по условиям движения (рис. 2).

Движение плавающей машины на всех этих участках можно описать дифференциальными уравнениями (1-6), которые характеризуют возможность преодоления этих участков: первый участок

второй участок

сЬ

(1 + 5)та — = (рхСасо бог-/хС^соэа--ва*ша-к„р„Рл(ув +\\)2 ±кхчрхРхчуа2

(О

(2)

третии участок

сЬ

(1 + 3 + кп)хта — = <рх(Сга ~ Г)а ) х сое ос ~ Л

- /х (Сгя - £>а) X СОБОГ ± (Са - Ва) X БШ а + + пк5р х (¿н х {успр - ув) - к„р„ х

(3)

IV

III

I

зона переформирования | 1 болны после разрушения I

Рис. 2. Схема характерных участков прибойной зоны: 1Р - первое разрушение волны; ПР - последнее разрушение волны

четвертый участок

¿V

(1 + 8 + кп)хта — = пк,рхх ^ -уй) +

+ 2 х х ^ х - V,)2 - ¿„р,, х х (4)

х + V«)2 - ккрх Р х + св )2;

= СахН0ха0Хо*™*Св1

Анализ этих уравнений показывает, что на большинстве участков, особенно тех, на которых происходит взаимодействие разрушающихся прибойных волн с плавающей машиной, весь процесс взаимодействия является сложным многофакторным, нестабильным динамическим процессом, параметры которого быстро изменяются.

Основным препятствием при входе плавающей машины в прибойную зону является череда разрушающихся волн, кинетическая энергия которых определяется размерами волн и скоростью их перемещения. С теоретических позиций наилучшим местом входа в воду прибойной зоны являются участки, имеющие малые углы наклона прибрежного дна, на которых скорости волн и их кинетическая энергия минимальны.

Расчеты показывают, что с увеличением балльности при прочих равных условиях (расстояние от берега, уклоны дна) скорость плавающей машины существенно уменьшается. Так, при волнении в 3 балла скорость уменьшается по сравнению со скоростью на свободной воде на 30%, при волнении в 4 балла - на 41%, а при волнении в 5 баллов - на 59%. Увеличение угла берегового склона приводит к увеличению скорости плавающей машины, но с разной ин-

тенсивностью. При волнении в 3 и 4 балла интенсивность роста скорости плавающей машины более высокая, чем при волнении в 5 баллов. При 5-бапльном волнении угол уклона по существу мало влияет на изменение скорости плавающей машины. Скорость волны в несколько раз больше скорости плавающей машины в водоизме-щающем режиме на волнении. По мере удаления от берега скорости плавающей машины и волн увеличиваются, но в разной степени. Следовательно, для оценки возможности входа плавающей машины в воду прибойной зоны при различной балльности волнения необходимо знать кроме скорости волн также величину силового воздействия волн на корпус плавающей машины.

В работе выполнен расчет некоторых параметров движения плавающих машин в полосе прибойной зоны: кинетических энергий волн и плавающих машин при различных значениях их скоростей; скоростей движения плавающих машин и волн на различных участках движения; сил сопротивления движению и сил тяги на участках и ДР-

С точки зрения изучения процесса преодоления последней разрушающейся волны прибойной зоны интерес представляет соотношение кинетических энергий машины и набегающей на берег волны, а также скорость подхода волн к берегу. Из этого соотношения можно найти требуемую скорость входа машины в прибойную зону, гарантирующую успешность входа. В Приложении к диссертационной работе представлены расчетные зависимости требуемой скорости машины от массы разрушающейся волны при различных ее параметрах по длине и по высоте.

Теоретические исследования позволили построить графики зависимости требуемой скорости плавающей машины от массы разрушающейся волны при различных ее параметрах по длине и высоте (рис. 3), а также графики изменения скорости волны по мере приближения ее к берегу при нескольких значениях углов прибрежного дна (рис.4).

Из графика на рис. 4 следует, что чем больше угол наклона прибрежного дна, тем больше скорость волны на любом расстоянии

от берега. Следовательно, больше будет и кинетическая энергия волны. Поэтому входить в воду прибойной зоны следует в местах, где угол наклона минимальный, что приводит к уменьшению скорости волны и ее кинетической энергии.

На основании теоретических расчетов приведены также графики зависимости изменения скорости плавающей машины, построенные при движении ее в прибрежной зоне при различной балльности волнения (3, 4, 5 баллов), при нескольких расстояниях от уреза спокойной воды и с различными углами уклона дна.

Как следует из расчетных зависимостей изменения скорости движения плавающих машин по мере приближения их к берегу после преодоления череды последних разрушающихся волн, увеличение угла берегового склона приводит к увеличению скорости плавающей машины, но с разной интенсивностью.

На рис. 5 приведены несколько связанных между собой зависимостей, с помощью которых можно выполнить оценку возможности входа плавающей машины в прибойную зону при различных по балльности волнениях и уклонах береговых склонов. В правой верхней части этого комбинированного графика приводятся кинетические энергии Ека плавающих машин разных полных масс в зависимости от скорости движения плавающей машины \/а. В левой верхней части рисунка показаны кинетические энергии Ет фронтальных участков волн различной балльности в зависимости от скорости волн с8. В левой нижней части рисунка приведена зависимость скорости волны св на мелководных участках в зависимости от глубины воды Л. А в правой нижней части рисунка для нескольких значений угла а берегового склона показана зависимость между расстоянием 5 от уреза спокойной воды и глубиной воды Л.

По мнению соискателя, для определения силового воздействия волн на плавающую машину нецелесообразно применять методики расчета нагрузок на гидротехнические сооружения (особенно методику, предложенную во втором разделе СНиП 2.06.04-82*) вследствие больших отличий в размерах и формах указанных сооружений и плавающей машины.

250

150 50

3 балла Ша-1 Т /Ра = 14 Т /77^ = 25 Т ИГ 'Г:1' 1 1 ■ - ^ ■ Г/ ■ 1 1

и-

1

1 1 1.

" ¡1 1

О

I

I

1

1

1

щ кг

% N

Рис.3. Расчетные зависимости требуемой скорости плавающей машины от массы разрушающейся волны при различных ее параметрах по длине и высоте

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям процесса входа плавающих машин в воду прибойной зоны, оценке гидродинамического воздействия на них.

Экспериментальные исследования модели плавающей машины проводились в опытовом бассейне 15 ЦНИИИ им. Д.М. Карбышева. В торцевой части бассейна противоположной волновой установке, было расположено плоское горизонтальное фальшдно, имитирующее мелководный участок. На фальшдно был установлен модельный откос, который имитировал прибрежный береговой и подводный склоны. Угол уклона модельного откоса мог дискретно регулироваться в пределах от 5 до 14 градусов. Модель плавающей машины, оборудованная измерительной аппаратурой, закреплялась на шарнирном подвесе, позволяющем ей совершать продольно-угловые перемещения относительно центра масс, а также верти-

кальные перемещения (рис. 6). В качестве критерия подобия между моделью и натурой использовался критерий Фруда.

Рис.4. Графики изменения скорости волны по мере приближения ее к берегу при нескольких значениях углов прибрежного дна

Программа предусматривала проведение экспериментов для различных уклонов дна (1/4; 1/5; 1/6; 1/8; 1/12), а также для различных положений модели относительно уреза спокойной воды.

Программой также предусматривались эксперименты по оценке изменения силы воздействия волны и по оценке изменения разворачивающего момента на плавающую машину в зависимости от курсового угла ее движения к направлению распространения волны [Р= 0°; ¡3= 15°; /?= 30°). Программа исследований предполагала пересчет результатов модельных исследований на натуру.

В ходе экспериментальных исследований модели плавающей машины измерялись следующие параметры:

- характеристики волнения (длина волны Лв, высота волны Нв, период волны Тв);

- продольное (перпендикулярное фронту распространения волны) силовое воздействие на модель Рх;

- разворачивающий момент относительно вертикальной оси, проходящей через центр тяжести модели (точку подвеса) Мр;

- вертикальное перемещение центра тяжести модели Z„;

т = 5 т /77 = 15 Т

т- 15т /77= 20 т /77= 30 т

со, м/с 7

V.m/C

Рис. 5. Графические зависимости для оценки возможности движения плавающей машины в прибойной зоне при различных по балльности волнениях и уклонах береговых склонов:

II - Е = 0.5твСв" ,1-2 балла (Х-10 м, Н„=0,5 м), 2 - 3 балла (Я=11,35 м, Нв=1,25 м), 3 - 4 балла (^=21,9 м, Н,=2 м); III- Св = ; к

IV- 5 = -

fgor

Рис. 6. Схема лабораторной установки и размещения датчиков: 1-модель; 2- датчик вертикальных перемещений; 3-тензодатчик определения фронтального силового взаимодействия; 4, 5-датчики продольно-угловых перемещений и разворачивающего момента; 6-вопнографы, 7-модельное дно

- продольно-угловое перемещение модели относительно ее центра тяжести у/.

Все эксперименты проводились при одних и тех же параметрах модельного волнения глубокой воды.

Схема размещения модели плавающей машины при одном из выбранных углов заложения модельного дна, а также с учетом расположения волнографов приведена на рис. 7.

При каждом фиксированном положении модельного дна выполнялась серия экспериментов, в которой на каждом этапе модель последовательно размещалась на определенных расстояниях от уреза спокойной воды, в характерных точках трансформации волнового профиля (накат волны после обрушения, момент обрушения, несколько точек в процессе трансформации), что позволяло получить информацию о воздействии на модель волны на различных стадиях ее разрушения. В каждой из этих точек проводилась серия

экспериментов, в которых модель располагалась сначала фронтально к волне, затем под углами 15 и 30 градусов к направлению ее распространения.

В ходе экспериментальных исследований были проведены эксперименты, моделирующие процесс прохождения модели плавающей машины от берега через зону разрушающихся волн. В результате опытов были получены параметры волнового воздействия на модель плавающей машины в зависимости от уклона берега в зоне разрушения волны, положения плавающего средства относительно разрушающейся волны, высоты и периода разрушающейся волны.

Наблюдения подтверждают, что самым важным и решающим фактором, влияющим на безопасность машин и характеризующим характер силового воздействия разрушающихся волн на машину, является положение модели плавающей машины относительно волны во время ее разрушения. Если модель плавающей машины находилась на гребне волны в момент ее разрушения или на тыловом склоне разрушающейся волны, то возникали силы Рх, способствующие перемещению модели по направлению к берегу. Если расстояние от центра тяжести модели плавающей машины до гребня составляло около 0,1 длины самой модели, тогда дифферент модели был наибольшим. Если же расстояние от модели до гребня было равно приблизительно длине самой модели, тогда она испытывала относительно небольшой дифферент. Если рассматривать угол дифферента модели плавающей машины как функцию ее положения относительно разрушающейся волны, можно сказать, что когда длина модели соотносилась с длиной волны приблизительно как 1:2, модель плавающей машины имела наибольший угол дифферента, когда ее центр тяжести находился впереди или позади разрушающейся волны приблизительно на расстоянии 0,1 длины модели. Профиль разрушающейся волны был наиболее крутым в момент ее разрушения. Если модель плавающей машины находилась впереди или позади гребня волны на расстоянии приблизительно

равном длине модели, модель плавающей машины имела наименьший угол дифферента. Знание такой зависимости может

то

2300

то

то

------^

2630

3360

то

Рис. 7. Схема расположения модели плавающей машины и волнографов при угле уклона прибрежного дна 4°47' (заложение 1/12)

быть применено при проведении модельных и натурных испытаний, так как позволяет создавать наиболее благоприятные условия для движения машины в прибойной зоне путем ее маневрирования.

Наблюдения за характером взаимодействия разрушающихся волн и модели плавающей машины подтверждают важный вывод предыдущих исследований: при прохождении через прибойную зону машина должна находиться под прямым углом к разрушающейся волне. При этом снижается возможность ее поворота бортом к волне. В противном случае велика вероятность опрокидывания плавающей машины разрушающейся волной.

Результаты экспериментов приведены в табличной и в графической форме, пересчитаны на натуру. Полученные таким образом графики могут послужить основой для проектирования движитель-но-рулевых комплексов, а также позволят судить о возможности преодоления плавающими машинами прибоя с учетом положений эргономики.

Так, на рис.8 представлены параметры волнения и силовые факторы, действующие на модель плавающей машины при уклоне дна 1/4 (в работе получены данные при уклонах дна от 1/12 до 1/4, а также при различных схемах расположения модели на откосе).

Основные выводы и рекомендации

1. В работе решена важная научно-практическая задача - впервые, наряду с изучением процесса разрушения волн прибойной зоны разработана методика и осуществлена количественная оценка гидродинамического воздействия прибойных волн на модель плавающей машины. В результате испытаний масштабной модели плавающей машины получен экспериментальный материал, представляющий собой свыше 14000 численных данных, характеризующих параметры волнового воздействия на модель плавающей машины в зависимости от уклона берега в зоне разрушения волны, положения плавающего средства относительно разрушающейся волны, высоты и периода разрушающейся волны.

В работе выполнены расчеты параметров, характеризующих: изменение кинетических энергий волн и плавающей

Н,п

а!

4

з 2 1 О -7

V

V /

\ /

/ /

I

6 5

В) з

2 1 О

Ы

1 2

-1 0 12 3 4 5 •Мср/Мпоб, Рср/РшЬ

{\\ V -- /

I 1 \

1 1 1 1 1 2

/ г 2

\\\ /

1 1 1

■1 0.1 2 3 4. 5 6 линия границы заплеска , г)

„ т

I линия уреза спокойной Ьоды

Рис. 8. Параметры волнения и силовые факторы в прибойной зоне при уклоне 1/4: а) - параметры волнения: 1- линия вершин волн, 2- линия подошв волн; б) - силовые факторы: 1 - Рср/Ршв; 2 - Мсг/Мп0в при 30°; 3 - Мср/Мпсе при 15°; в) - схема установки модели на откосе; г) - схема установки модели при исследовании разворачивающего момента

машины при различных значениях их скоростей; изменение скоростей движения плавающей машины и волн на различных участках движения. На основании расчетов построены графики. Предложен комбинированный график связанных между собой зависимостей, с помощью которых можно выполнить оценку возможности входа плавающей машины в прибойную зону при различных по балльности волнениях и уклонах береговых склонов.

2. При оценке возможности преодоления плавающей машиной прибойной зоны последнюю целесообразно разбивать на пять характерных участков, специфических по условиям движения. Процесс взаимодействия плавающей машины с волнами прибойной зоны на каждом из участков является сложным многофакторным, нестационарным динамическим процессом, параметры которого быстро изменяются в пространстве и во времени.

3. Оценить возможность преодоления плавающей машиной прибойной зоны можно, сопоставив кинетические энергии машины и взаимодействующих с ней волн. Этот подход позволяет определить скорости машин различной массы, которые необходимо им развивать, чтобы устойчиво двигаться против волн прибойной зоны при различных параметрах волнения.

4. Методики СНиП 2.06.04-82* могут быть применены для оценки прочности корпусов машин и закрепленного на них оборудования.

5. Сила фронтального воздействия волн на машину по мере удаления от берега изменяется. Это изменение зависит от угла наклона берегового склона.

6. Протяженность зоны, в которой фронтальная сила превышает тягу водоходного движителя, а следовательно, делает невозможным дальнейшее продвижение, зависит от заложения прибрежного дна. Для исследуемой машины и моделируемого волнения при заложениях прибрежного дна 1/4,

1/5, 1/6, 1/8 и 1/12 она составляет 27, 39, 23, 37 и 60 м соответственно.

7. При развороте машин на некоторый угол от нормали к фронту волны суммарное фронтальное силовое воздействие возрастает. При отклонении на 15 градусов увеличение составляет в среднем 20 %, а на 30 градусов - 55 %.

8. Разворот машины на некоторый угол приводит к появлению разворачивающего момента, который так же, как и фронтальная сила, изменяется по мере удаления от уреза спокойной воды и зависит от заложения берегового склона. Максимальный разворачивающий момент для исследованных случаев возникает при отклонении машины на угол 30 градусов на уклоне с заложением 1/4, на расстоянии от уреза спокойной воды 7 м и составляет 95 кНм .

9. Для улучшения мореходности плавающих машин необходимо существенно повысить эффективность движителей, обеспечивающих работу на плаву. Это следует из оценки значений фронтального силового воздействия и разворачивающего момента, а также протяженности участков прибойной зоны, на которых величины этих внешних силовых факторов значительно превышают силу тяги и разворачивающий момент, создаваемый движительно-рулевым комплексом машин.

10. Наилучшим местом входа плавающей машины в воду прибойной зоны являются участки, имеющие малые углы наклона прибрежного дна, на которых скорости волн и их кинетическая энергия минимальны.

11. Дальнейшие исследования в данной области должны быть направлены на комплексное изучение процесса движения машин в прибойной зоне с разработкой методик оценки изменения характеристик движительно-рулевого комплекса и параметров качки в прибойной зоне. При этом целесообразно использование современных средств вычислительной гидродинамики.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Степанов А.П., Малахов Д.Ю. Мореходная машина и участки прибойной зоны. //Автомобильная промышленность. М., 2002, №4,-С.20-22.

2. Малахов Д.Ю. Методика исследований с помощью моделей входа амфибийных машин в воду прибойной зоны: Сб. науч. тр. "Проектирование, расчет и исследование транспортных машин высокой проходимости" - М., МАДИ, 1998. - С.82-89.

3. Лактионов К.Н., Кропотов И.Б., Малахов Д.Ю. Результаты комплексных исследований водоходных качеств плавающих машин методами вычислительной гидродинамики: Научные достижения МАДИ (ГТУ). Каталог выставки 17-18 мая 2006. - М., МАДИ (ГТУ), 2006. - С.69-70.

4. Лактионов К.Н., Кропотов И.Б., Малахов Д.Ю. Применение методов вычислительной гидромеханики для определения динамических характеристик амфибийных машин: Сб. науч. тр. "Автомобили и автокомпоненты" - М., ГНЦ РФ ФГУП "НАМИ", вып.237, 2007. - С. 69-70.

5. Малахов Д.Ю. Основные результаты научной работы по исследованию входа плавающих машин в воду прибойной зоны: Сб. науч. тр. "Проектирование И: совершенствование многоцелевых гусеничных и колесных машин" - М., МАДИ (ГТУ), 2008. - С. 80-84.

6. Лактионов К.Н., Кропотов И.Б., Малахов Д.Ю. Оценка адекватности и точности методов вычислительной гидродинамики при определении сопротивления водоизмещающих плавающих машин на спокойной воде: Сб. науч. тр. "Проектирование и совершенствование многоцелевых гусеничных и колесных машин" - М., МАДИ (ГТУ), 2008. - С. 63-69.

7. Лактионов К.Н., Кропотов И.Б., Малахов Д.Ю. Результаты моделирования прямолинейного движения плавающего автомобиля на пневматиках низкого давления по спокойной глубокой воде: Сб. науч. тр. "Проектирование и совершенствование многоцелевых гусеничных и колесных машин" - М., МАДИ (ГТУ), 2008. - С. 57-62.

Подписано в печать 30 апреля 2009 г Формат 60x84x16 Усл.печ.л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ №28

"Техполиграфцентр" Россия, 125319 , г. Москва, ул. Усиевича, д. 8 а. ' Тел/факс: 8 (499) 152-17-71 Тел. : 8-916-191-08-51

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. АНАЛИЗ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ, СВЯЗАН- 14 НЫХ С ИЗУЧЕНИЕМ ПРЕОДОЛЕНИЯ ПРИБОЙНОЙ ЗОНЫ. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ РАБОТЫ.

1.1. Анализ научно-исследовательских работ.

1.2. Постановка цели и задач работы.

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ВХОДА ПЛАВАЮ

ЩИХ МАШИН В ВОДУ ПРИБОЙНОЙ ЗОНЫ, ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА НИХ.

2.1. Особенности входа плавающих машин в воду прибойной зоны.

2.2. Характеристика волнения на глубокой воде вдали от бере

2.3. Характеристика волнения и волн прибойной зоны.

2.4. Особенности движения плавающих машин в прибойной зоне.

2.5. Расчет некоторых параметров взаимодействия разрушающихся волн с плавающими машинами.

Выводы по главе 2.

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВХОДА

ПЛАВАЮЩИХ МАШИН В ВОДУ ПРИБОЙНОЙ ЗОНЫ И ОЦЕН- 95 КА ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА НИХ.

Общие положения по организации экспериментальных исследований.

3.2. Цель и задачи экспериментальных исследований.

3.3. Место и условия проведения исследований.

3.4. Характеристики физической модели плавающей машины, измерительной и регистрирующей аппаратуры.

3.5. Программа и методика экспериментальной оценки гидродинамического воздействия на плавающие машины, входящие в прибойную зону.

3.6. Результаты экспериментальных исследований.

Выводы по главе 3.

Среди большого количества плавающих машин (ПМ) различного типа и назначения (военных и гражданского использования) есть две группы машин, которые эксплуатируются в прибрежных зонах морей и океанов.

Первая группа машин, наиболее значительная по своему составу - это машины морской пехоты Военно-морского флота страны: плавающие танки, боевые машины пехоты, плавающие колесные и гусеничные бронетранспортеры и транспортные гусеничные машины типа ПТС-2, ДТ-10П, ДТ-ЗОП и др.

Машины этой группы вынуждены работать в прибойной зоне по условиям боевой обстановки, так как именно она, а не состояние погоды обуславливают необходимость преодоления зоны прибоя. Именно эти машины должны в наибольшей степени быть приспособлены к условиям неспокойного моря, то есть быть действительно мореходными и способными плавать в условиях волнения различной балльности, входить в воду прибойной зоны и выходить из нее на берег.

Вторая группа плавающих машин - это машины рейдовой разгрузки судов-снабженцев, обеспечивающих доставку разнообразных грузов на необорудованный берег через так называемые портопункты Северного Морского Пути и на других морских трассах от Мурманска до Владивостока, а также через портопункты, расположенные на побережьях Антарктиды.

Продолжительность работы машин этой группы в условиях волнений различной балльности относительно общего времени их эксплуатации достаточно велика. Поэтому эта группа машин также должна быть мореходной и способной плавать, входить в воду прибойной зоны и выходить из нее на берег в условиях волнения до трех-четырех баллов.

Некоторые транспортные комплексы рейдовой разгрузки судов-снабженцев состоят из амфибийных буксировщиков и несамоходных морских платформ на воздушной подушке грузоподъемностью до 40 тонн. Работа таких комплексов в условия волнения, то есть плавание, выход из воды на берег и вход в воду даже без груза, который выгружается на грунт у складов, является очень тяжелым режимом морской эксплуатации машин, который в настоящем исследовании не рассматривается.

Важно отметить, что плавающие машины рейдовой разгрузки судов также не могут ожидать хорошей погоды и уменьшения волнения, так как длительная стоянка на рейдах судов-снабженцев очень невыгодна. Каждый час стоянки на рейде судна-снабженца приводит к значительным финансовым издержкам (по оценкам 1991 года от 2000 до 4000 рублей и более в зависимости от типа судна).

Условия эксплуатации плавающих машин в прибрежных зонах морей и океанов существенно отличаются от условий эксплуатации таких машин на реках, малых озерах и водохранилищах из-за состояния водной поверхности, характеризуемой волнениями различной балльности, что в свою очередь объясняется серьезными различиями в ветро-волновом режиме, геологии дна, глубинах и т.п.

В прибрежной части морей и океанов редко наблюдается спокойное состояние водной поверхности. В большинстве случаев по статистическим данным это волны до двух-трех баллов. Но достаточно часто с береговыми пляжами в течение нескольких дней взаимодействуют волны в 4 или 5 баллов, которые являются предельными даже для мореходных плавающих машин из-за сильных гидродинамических воздействий волн на береговые пляжи и сами машины.

Если на реках, малых озерах и в прибрежной части морей и океанов при незначительном волнении вход машин с берега в воду и выход из нее на берег не вызывает особых трудностей, то при работе в условиях волнения более трех баллов эксплуатация машин, даже приспособленных к работе в морских условиях, становится весьма специфичной, трудной и опасной, поскольку в процессе преодоления прибойной зоны при входе в воду и выходе из нее происходит весьма сложное гидродинамическое взаимодействие плавающих машин с волнами.

Волны, подходящие к берегу из открытого моря, трансформируются по своим размерам, формам и параметрам и, как правило, подходят к берегу по нормали. При этом по мере приближения к берегу, и уменьшения глубины воды меняется профиль волн, они становятся неустойчивыми и разрушаются, накатываясь на береговой пляж. Процесс разрушения волн, воздействующих на берег, береговые сооружения и плавающие машины, движущиеся по берегу, весьма динамичен и характеризуется существенным силовым воздействием из-за большой потенциальной и кинетической энергии волн. Для периодов волн 4.6 секунд, наблюдаемых при волнениях 4.5 баллов, сила удара волны может достигать 26.30 кН и более на квадратный метр площади [17; 20].

При рассмотрении волн прибойной зоны следует выделить несколько характерных параметров этих волн, которые могут существенно влиять на процесс взаимодействия плавающих машин с волнами прибойной зоны. К этим параметрам относят: скорость волны в мелководной и прибойной зоне; высота, длина и крутизна волны и динамика их изменения по мере подхода к урезу воды; глубины воды, на которых начинается процесс разрушения волн; вид разрушения. Кроме того, на картину волнообразования в прибойной зоне оказывают значительное влияние величина уклона прибрежного дна и изменения формы его профиля (подъемы, спуски, горизонтальные площадки, бары и т.д.), а также его гладкость и водопроницаемость. При комплексном рассмотрении волновой картины в прибрежной зоне нельзя не учитывать также влияние на ее формирование формы береговой линии, а также различных течений, как волновой, так и не волновой природы.

Кроме фронтального силового воздействия, препятствующего поступательному движению машины, могут проявляться факторы, стремящиеся отвернуть машину от заданного курса, который должен быть перпендикулярен фронту встречной волны. В результате в предельном случае машина может быть развернута бортом (лагом) к волне и опрокинута.

Кроме того, необходимо учитывать, что при движении в прибойной зоне машинам приходится преодолевать воздействия не одной волны, а череды разрушающихся волн, оказывающих на них гидродинамическое силовое воздействие и вызывающих качку.

Безопасная и эффективная эксплуатация плавающих машин в прибрежной зоне моря во многом зависит от того, насколько плавающие машины способны уверенно преодолевать прибойную зону с различными типами разрушающихся волн без потери остойчивости и плавучести, то есть без их потопления. При этом весьма желательно сохранение требуемой скорости движения и управляемости машин.

Количество фото и видеоматериалов, иллюстрирующих вход плавающих машин в прибойную зону, весьма ограничено. Некоторые фотографии, дающие представление о сложности задачи преодоления прибойной зоны в условиях волнений критической балльности, представлены на рис. 2.3.3.

На рис. 2.3.3 (а) показан фрагмент входа в воду прибойной зоны американского плавающего бронетранспортера LVTP-7A1. О высоте прибойной волны можно судить, сравнивая ее с шириной машины, которая у данного транспортера равна 3,3 метра. Обращает на себя внимание значительный подъем передней части корпуса при входе его в соприкосновение с прибойной волной и деформация ее переднего склона корпусом машины. Волна как бы нависает над машиной и в последующее мгновение обрушивается на нее, оказывая мощное динамическое воздействие. Следует обратить также внимание на то, что кормовая часть корпуса машины полностью находится в потоке откатывающегося в сторону моря заплеска волн.

Откатывающиеся от берега разрушившиеся волны являются фактором, способствующим поступательному движению плавающей машины в сторону моря. Однако отсутствие надежной герметизации верхней части корпуса (что характерно для большинства транспортных машин) волны могут вызвать принятие на грузовую платформу больших масс воды и уменьшение остойчивости плавающей машины со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями.

Рис. 2.3.3 (б) иллюстрирует вход в воду отечественной плавающей машины с негерметизированной грузовой платформой, покрытой тентом. Очевидно, что встреча с прибойными волнами, сходными с отображенной на этой фотографии, для машин такого типа сопряжена с дополнительной опасностью.

Успешное преодоление прибойной зоны плавающей машиной определяется несколькими факторами. Первый и очень важный фактор -это превышение суммарных сил тяги, создаваемых сухопутными и водоходными движителями машины, над суммой сил сопротивления движению (гидродинамических сил сопротивления с учетом силового воздействия волн, воздушного сопротивления при больших скоростях ветра, сил сопротивления, возникающих при взаимодействии сухопутного движителя с опорной поверхностью). В тех случаях, когда это условие не обеспечивается, а кинетическая энергия машины меньше энергии волны, скорость машины уменьшается до нуля и она не может преодолеть противодействие разрушающихся волн. В этих обстоятельствах, как уже отмечалось, велика вероятность разворота машины бортом к волне.

В связи с этим необходимо отметить еще один важный фактор, влияющий на успешность входа машины в воду на волнении в 3.5 баллов. К нему относится эффективность рулевых устройств машины, с помощью которых должно происходить возвращение машины к первоначальному или близкому к нему курсу после разворота машины под действием одной или нескольких волн.

Рулевые устройства эффективны, если они способны в течение очень короткого времени, примерно равного периоду волны, вернуть машину на курс, близкий к первоначальному. Если рулевые устройства малоэффективны, то машина силовым воздействием волн может быть развернута бортом к очередной волне и опрокинута.

Вероятность опрокидывания возрастает, если имеется контакт сухопутного движителя (колесного или гусеничного) одного борта с подводным грунтом. Поэтому при оценках возможностей работы машины в прибойной зоне необходимо обращать серьезное внимание как на скорость (поскольку она определяет кинетическую энергию машины) и совокупную силу тяги движителей при прямолинейном движении, так и на угловую скорость поворота машины под действием своих рулевых устройств, учитывая то обстоятельство, что поворачивающий момент от рулевых устройств по своей величине должен быть больше момента от воздействия волн, ветра и прибрежных течений.

Третий фактор, определяющий успешность преодоления плавающей машиной прибойной зоны - надежная герметизация надводной части корпуса, не допускающая попадания в его внутренние объемы больших масс воды в условиях, когда разрушающаяся волна накатывается на верхнюю часть корпуса машины. При этом важно не только обеспечить минимизацию поступления забортной воды в корпус, но и не допустить разрушения элементов корпусного оборудования, через которое вода может поступать в корпус. Например, защитных стекол кабины управления, забортных труб питания двигателя воздухом и других элементов плавающего средства.

При недостаточной герметизации корпуса поступающая в него вода уменьшает запас плавучести, ухудшает остойчивость и в конечном счете может привести к потери плавучести (машина утонет) либо к потере остойчивости (машина перевернется и утонет).

Поэтому обеспечение необходимой непотопляемости машины -это обязательное условие создания мореходных машин, способных работать в прибойной зоне.

При преодолении волн прибойной зоны машины испытывают, в основном, продольную и вертикальную качку с достаточно большими амплитудами и ускорениями. Поэтому четвертый фактор, который желательно также учитывать - это то, что суммарные вертикальные и угловые ускорения не должны превышать значений, обусловленных эргономическими нормами.

И последний, пятый фактор, который также связан с обитаемостью и управляемостью плавающих машин, - это явление обильной заливаемости верхних надводных частей корпуса, когда большие сплошные массы воды, накатываясь на машину, закрывают смотровые приборы, стекла кабин и рубок. В эти моменты экипажи практически лишаются на некоторое время возможности наблюдения из машин и не могут быстро реагировать на изменение внешних условий и поведения машин, то есть управлять ими.

Теоретических и экспериментальных исследований процесса преодоления плавающими машинами прибойной зоны практически очень мало и посвящены они, в основном, вопросам качки. Поэтому направление исследований этой работы представляется актуальным и важным, поскольку позволяет выявить особенности движения плавающих машин через зону прибоя и способствовать выработке рекомендаций, обеспечивающих надежный вход в воду в условиях требуемой балльности волнения за счет, в основном, конструкции машины. При этом будут обусловлены и наиболее рациональные эксплуатационные приемы преодоления прибойной зоны.

Таким образом, можно констатировать, что преодоление плавающими машинами прибойной зоны при волнениях различной балльности, особенно при входе в воду и выходе из нее на разных по величине уклонах дна прибрежной полосы, является наиболее трудным и опасным режимом работы плавающих машин, успешность завершения которого гарантирует дальнейшую эксплуатацию машин в условиях неспокойного моря.

Исследованию наиболее важных элементов процесса преодоления плавающими машинами прибойной зоны и посвящена настоящая работа, так как если машина не может надежно входить в воду прибойной зоны, то ее нельзя считать мореходной.

Эти выводы могут быть применены при эксплуатации плавающих машин, так как позволяют вырабатывать наиболее эффективные приемы управления ими, создавать наиболее благоприятные условия для движения машин в прибойной зоне путем их маневрирования.

Важным условием успешного преодоления плавающей машиной прибойной зоны является надежная герметизация надводной части корпуса, не допускающая попадания в его внутренние объемы больших масс воды.

Исследования подтвердили адекватность физического моделирования взаимодействия модели плавающей машины с волнами в условиях опытового бассейна, что, в частности, говорит о возможности применения разработанных программы и методики экспериментов для подобных модельных испытаний.

Анализ проведенной работы позволил сделать вывод о целесообразности:

- дальнейшего совершенствования методики проведения модельных испытаний;

- совершенствования конструктивного решения испытательной установки с тем, чтобы получить возможность проведения динамических испытаний, уменьшить погрешность измерений;

- использования самоходной модели плавающей машины.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Впервые в настоящей работе проведены теоретические и экспериментальные исследования процесса входа плавающей машины в воду прибойной зоны, разработаны программа, методика экспериментальной оценки гидродинамического воздействия на плавающие машины, входящие в прибойную зону, стенд для проведения модельных испытаний.

При проведении исследований был сделан обзор отечественных и зарубежных работ, выполненных в области исследования мореходных плавающих машин, а также работ по изучению волнений в прибойной зоне и функционированию технических объектов в ней, выполненных в смежных областях (судостроении, гидростроительстве, гидрологии). Анализ работ показал, что взаимодействие плавающих объектов с волнами прибойной зоны и прибрежного мелководья ранее практически не было изучено.

В рамках проведения исследований были поставлены и решены следующие задачи: проведение теоретических исследований, направленных на выявление, изучение и описание основных факторов, оказывающих влияние на процесс входа плавающих машин в воду прибойной зоны; проверка применимости существующих методик расчета гидротехнических сооружений к определению силового воздействия волн на плавающую машину в прибойной зоне; разработка методики оценки функционирования плавающих машин в прибойной зоне и зоне прибрежного мелководья, основанной на сравнении кинетической энергии плавающей машины с кинетической энергией взаимодействующих с ней волн; разработка методики экспериментальной оценки гидродинамического воздействия на плавающие машины, входящие в прибойную зону, подготовка и проведение модельных исследований в условиях волнения повышенной балльности (4. 5 баллов); экспериментальная оценка величины фронтального силового воздействия и разворачивающего момента, возникающих при взаимодействии плавающих машин с волнами прибойной зоны и прибрежного мелководья на различных расстояниях от уреза спокойной воды при различных углах уклона прибрежного дна.

В работе проведены расчеты параметров, характеризующих: изменение кинетических энергий волн и плавающей машины при различных значениях их скоростей; изменение скоростей движения плавающей машины и волн на различных участках движения.

На основании расчетов построены графические зависимости: требуемой скорости машины от массы разрушающейся волны при различных ее параметрах по длине и по высоте; изменения скорости плавающей машины при движении ее в прибрежной зоне с углами уклона дна 5°, 10° и 15° и при волнении 3, 4, 5 баллов; изменения относительной скорости плавающей машины в зависимости от относительной глубины воды при волнении 3, 4, 5 баллов.

Предложен комбинированный график связанных между собой зависимостей, с помощью которых можно выполнить оценку возможности входа плавающей машины в прибойную зону при различных по балльности волнениях и уклонах береговых склонов.

Впервые, наряду с изучением процесса разрушения волн прибойной зоны выполнено наблюдение и осуществлена количественная оценка влияния силового воздействия прибойных волн на модель плавающей машины.

В результате испытаний масштабной модели плавающей машины получен обширный экспериментальный материал, представляющий собой свыше 14000 численных данных, характеризующих параметры волнового воздействия на модель плавающей машины в зависимости от уклона берега в зоне разрушения волны, положения плавающего средства относительно разрушающейся волны, высоты и периода разрушающейся волны.

Дополнительно (по отношению к поставленным задачам) кроме силы, действующей на модель в продольном направлении и разворачивающего момента, в ходе исследования были получены данные, характеризующие величины продольно-углового перемещения модели плавающей машины относительно ее центра масс (угол дифферента модели), а также линейного перемещения модели плавающей машины (вертикальные перемещения центра масс, носа и кормы).

Полученные в результате экспериментов модельные величины лобового давления, разворачивающих моментов, вертикальных и продольно-угловых перемещений пересчитаны на натуру.

Построены графические зависимости параметров волнения и силовых факторов (в относительных координатах: Рв/РШв, Мср/МПОв и S/X) в прибойной зоне при различных уклонах прибрежного дна, различных положениях модели плавающей машины по отношению к фронту волны.

Ниже приведены наиболее существенные выводы, сформулированные на основании результатов проведенных теоретических и экспериментальных исследований.

1. При оценке возможности преодоления плавающей машиной прибойной зоны последнюю целесообразно разбивать на пять характерных участков, специфических по условиям движения. Для каждого участка характерен свой набор воздействующих на машину факторов, а, следовательно, свои уравнения движения. Установлено, что сам процесс взаимодействия плавающей машины с волнами прибойной зоны является сложным многофакторным, нестационарным динамическим процессом, параметры которого быстро изменяются в пространстве и во времени.

2. Оценить возможность преодоления плавающей машиной прибойной зоны можно, сопоставив кинетические энергии машины и взаимодействующих с ней волн. Этот подход позволяет определить скорости машин различной массы, которые необходимо им развивать, чтобы устойчиво двигаться против волн прибойной зоны при различных параметрах волнения. Так, при волнении в 3 балла скорость плавающей машины массой 10 т должна быть равной не менее 3,8 м/с, для машины массой 15 т - не менее 3 м/с, для машины массой 20 т - 2,6 м/с. Для 4-балльного волнения эти скорости будут более высокими: для машины массой 10 т. - 6,75 м/с.

3. По результатам расчетов по методикам СНиП 2.06.04-82* давление, возникающее при фронтальном ударе прибойной волны в корпус плавающей машины, может кратковременно достигать 60000 кПа, что с учетом площади фронтальной проекции распространенных машин может вызывать силовое воздействие порядка 450.500 кН. Методики СНиП 2.06.04-82* ограниченно применимы для определения сопротивления движению в прибойной зоне, однако, могут быть использованы для оценки прочности корпусов машин и закрепленного на них оборудования.

4. Сила фронтального воздействия волн на машину по мере удаления от берега изменяется. Это изменение зависит от угла наклона берегового склона. Своего максимального значения сила фронтального воздействия достигает при заложениях дна 1/4, 1/5, 1/6, 1/8 и 1/12 на расстояниях от уреза спокойной воды 8, 10, 12, 14 и 30 м соответственно. Эти значения соответственно равны 82, 28, 21, 16, 14 кН.

5. Протяженность зоны, в которой фронтальная сила превышает тягу водоходного движителя, а, следовательно, делает невозможным дальнейшее продвижение, зависит от заложения прибрежного дна. Так, для исследуемой машины и моделируемого волнения при заложениях прибрежного дна 1/4, 1/5, 1/6, 1/8 и 1/12 она составляет 27, 39, 23, 37 и 60 м соответственно.

6. При развороте машин на некоторый угол от нормали к фронту волны суммарное фронтальное силовое воздействие возрастает. Так, при отклонении на 15 градусов увеличение составляет в среднем 20 %, а на 30 градусов - 55 %.

7. Разворот машины на некоторый угол приводит к появлению разворачивающего момента, который так же, как и фронтальная сила, изменяется по мере удаления от уреза спокойной воды и зависит от заложения берегового склона. Максимальный разворачивающий момент для исследованных случаев возникает при отклонении машины на угол 30 градусов на уклоне заложением 1/4 , на расстоянии от уреза спокойной воды 7 м и составляет 95 кНм .

8. Протяженность зоны, в которой разворачивающий момент превышает момент, создаваемый движительно-рулевым комплексом машины, а, следовательно, делает невозможным дальнейшее продвижение, зависит от заложения прибрежного дна. Так, для исследуемой машины и моделируемого волнения при развороте на 30 градусов и заложениях прибрежного дна 1/4, 1/5, 1/6, 1/8 и 1/12 она составляет 30, 43, 27, 38 и 58 м соответственно.

На основании вышеизложенных выводов можно сформулировать ряд практических рекомендаций.

Так, на основании вывода 3 можно рекомендовать использование методики СНиП 2.06.04-82* (расчет нагрузки от волн на берегоукрепительные сооружения) для оценки мореходности плавающих машин в части достаточности прочности их корпусов и внешнего оборудования.

Оценка значений фронтального силового воздействия и разворачивающего момента, а также протяженности участков прибойной зоны, на которых величины этих внешних силовых факторов значительно превышают силу тяги и разворачивающий момент, создаваемый движительно-рулевым комплексом машин, свидетельствует, что для обеспечения мореходности настоятельно необходимо существенно (в несколько раз!) повысить эффективность движителей, обеспечивающих работу на плаву. Наряду с увеличением мощности двигателей мореходных плавающих машин это можно обеспечить установкой дополнительных движителей кратковременного режима работы, облегчающих режимы входа в воду и выхода из воды (пороховые ускорители и т.п.).

Наилучшим местом входа плавающей машины в воду прибойной зоны являются участки, имеющие малые углы наклона прибрежного дна, на которых скорости волн и их кинетическая энергия минимальны.

С увеличением балльности при прочих равных условиях (расстояние от берега, уклоны дна) скорость плавающей машины существенно уменьшается. Так, при волнении в 3 балла скорость уменьшается по сравнению со скоростью на свободной воде на 30%, при волнении в 4 балла - на 41%, а при волнении в 5 баллов — на 59%.

Увеличение угла берегового склона приводит к увеличению скорости плавающей машины, но с разной интенсивностью. При волнении в 3 и 4 балла интенсивность роста скорости плавающей машины более высокая, чем при волнении в 5 баллов. При 5 балльном волнении угол уклона по существу мало влияет на изменение скорости плавающей машины. Относительная скорость движения плавающей машины на волнении после увеличения относительной глубины более 6 единиц практически не изменятся.

Результаты экспериментов могут быть использованы в качестве сравнительной базы для других исследований. С помощью предложенного комбинированного графика связанных между собой зависимостей, можно выполнять оценку возможности входа плавающей машины в прибойную зону при различных по балльности волнениях и уклонах береговых склонов.

С учетом изложенного выше можно сделать вывод, что задачи диссертационного исследования в целом решены, а цель исследования: оценка процесса взаимодействия между входящими в воду плавающими машинами и разрушающимися прибойными волнами - достигнута.

В диссертации рассмотрены основные стороны процесса входа плавающей машины в воду прибойной зоны. При этом отдельные проблемы показаны в постановочном плане и требуют дополнительной теоретической и экспериментальной проработки в рамках самостоятельных исследований.

Так, для получения результатов исследования в большей степени соответствующих натурным испытаниям, целесообразно:

- разработать и изготовить самоходную телеуправляемую модель плавающей машины;

- провести исследование процесса входа самоходной модели в прибойную зону;

- применить математическое моделирование процесса движения плавающей машины в прибойной зоне с использованием современной вычислительной техники. Это должно позволить оперативно прогнозировать сложный процесс поведения плавающей машины на волнении, а также способствовать созданию новых образцов техники, максимально приспособленной к условиям работы в прибойной зоне.

Соискатель отмечает крайнюю целесообразность проведения мореходных натурных испытаний плавающих машин различных типов для последующего их сравнения с результатами модельных испытаний, а также с результатами математического моделирования.

Полученные в рассматриваемой работе результаты не являются абсолютно исчерпывающими. Напротив, они, по мнению автора, определяют и обосновывают необходимость проведения дальнейших работ по исследованию функционирования плавающих машин в прибойной зоне.

1. Агейкин А.С. Проходимость боевых колесных машин. М., Академия бронетанковых войск им. маршала Малиновского Р. Я., 1976. 99 с.

2. Аксенов П.В. Многоосные автомобили. Теория общих конструктивных решений. М., Машиностроение, 1980. 207 с.

3. Алешков Ю.З. Отражение волн от вертикальной стены: Труды координационных совещаний по гидротехнике, вып. 50 Л., Энергия, 1969. - С. 397-412.

4. Андреев Г.Е., Кудрявцев, А.С.Проценко В.В., А.В.Рубинов. По воде и по суше. Очерки о разработке и применении судов-амфибий. М., ИНИЦ Роспатента, 2002. 276 с.

5. Апухтин П.А., Войткунский Я.И. Сопротивление воды движению судов. Л., Машгиз, 1953. 356 с.

6. Балицкая Е.О. Некоторые результаты исследования поведения судна на мелководном разрушающемся волнении. Теоретические и практические вопросы остойчивости и непотопляемости. М.-Л., Регистр СССР, 1955. 116 с.

7. Басин A.M. Ходкость и управляемость судов. М., Транспорт, 1969.455 с.

8. Басин A.M. Веледницкий И.О., Ляховицкий А.Г. Гидродинамика судов на мелководье. Л., Судостроение, 1976. 319 с.

9. Баском В. Волны и пляжи. Динамика морской поверхности. Л., Гидрометеорологическое издательство, 1966. 280 с.

10. Башкиров Г. С. Расчет предельных параметров волн мелководного моря: Труды координационных совещаний по гидротехнике, вып. 50 Л., Энергия, 1969.-С. 197-202.

11. Башкиров Г. С. Анализ влияния факторов волнообразования на различных этапах развития ветровых волн. // Морской транспорт. JL, 1964, №.3. 104 с.

12. Благовещенский С.Н. Остойчивость судна на гребне волны. M.-JL, Транспорт, 1965. — 225 с.

13. Благовещенский С.Н., Холодшин А.Н. Справочник по статике и динамике корабля. Динамика (качка) корабля, т.2. JL, Судостроение, 1975. 176 с.

14. Благовещенский С.Н., Холодшин А.Н. Справочник по статике и динамике корабля. Статика корабля, т.1. JL, Судостроение, 1976. 336 с.

15. Бородай И.К., Нецветаев Ю.А. Качка судов на морском волнении. Л., Судостроение, 1969. 112 с.

16. Васильев В. Ф. Водометные движители. М., МАДИ (ГТУ), 2007. 44 с.

17. Войткунский Я.И., Першиц Р.Я., Титов И.А. Справочник по теории корабля. Ходкость и управляемость. Л., Судостроение, 1960. 51 с.

18. Волков Б.Н. Расчет статической остойчивости судна на попутной волне. Л., Судостроение, 1963. 153 с.

19. Глуховский Б.Х. Исследование морского ветрового волнения. Л., Гид-рометеоиздат, 1966. 175 с.

20. Гоголев ЯД. Очерки об истории развития и военном применении автомобилей. М., Патриот, 1990. 82 с.

21. Дробленков В.Ф., Ермолаев А.И., Муру Н.П. и др. Справочник по теории корабля. М., Военное издательство, 1984. — 589 с.

22. Дуванин А.И. Уровень моря. Л., Гидрометеоиздат, 1956. 87 с.

23. Егоров ИТ. , Соколов В.Т. Гидродинамика быстроходных судов. Л., Судостроение, 1971. -206 с.

24. Егоров И. Т. Гидродинамические особенности процесса качения тел по поверхности воды: Труды НПО Судпрома, вып.64. Л., 1965. С. 170-177.

25. Егоров И.Т., Соколов В.Т. Гидродинамика быстроходных судов. Л., Судостроение, 1971.

26. Егоров И.Т., Бунъков М.М., Садовников Ю.М. Ходкость и мореходность глиссирующих судов. Л., Судостроение, 1978. 335 с.

27. Загрядская Н.Н. Экспериментальные исследования волнового давления на вертикальную стену при малых относительных глубинах. //Известия ВНИИГ, т.87. Л., Энергия, 1969. С. 86-97.

28. Загрядская Н.Н. Уточнение теории стоячих волн на поверхности тяжелой жидкости конечной глубины: Труды координационных совещаний по гидротехнике, вып. 50 Л., Энергия, 1969. — С. 322-337.

29. Загрядская Н.Н. Результаты исследований и расчетов воздействия стоячих волн на вертикальную стену: Труды координационных совещаний по гидротехнике, вып. 50 Л., Энергия, 1969. - С. 339-352.

30. Зубова М.М. Развитие ветровых волн (по материалам наблюдений): Труды ЛГМИ, вып.24. Л., 1967. С. 81-85.

31. Каспарсон А.А., Халфин И.Ш., Рогачко С.И. Исследование воздействия нерегулярных волн на цилиндрические опоры. //Транспортное строительство. М., 1976, №3.-С. 18-19.

32. Кершенбаум В.Я., Фальк В.Е. Горизонты транспортной техники. М„ Транспорт, 1988. 115 с.

33. Кинг К. А . Пляжи и берега. М., ИЛ, 1963.

34. Кожевников М.П., Ермаков B.C. Экспериментальное исследование волнового давления на вертикальную стену при разных направлениях распространения волн: Труды координационных совещаний по гидротехнике, вып. 34 -Л., Энергия, 1967. С. 211-219.

35. Козляков В.В. О рациональной структуре формул для определения статистических волновых нагрузок. //Судостроение. Л., 1966, №8. С. 21-25.

36. Кондратьев Н.Е. О трансформации волн на мелководье при постепенно уменьшающихся глубинах: Труды ГГИ, вып.22 (76), Л., Гидрометеоиздат, 1950.-С. 117-123.37. ч Кочнев Е.Д. Вездеходы вчера, сегодня, завтра. М., Знание, 1978. 107 с.

37. Кравчук Ю.Д., Марченко Д.В. Воздействие ветровых и волновых нагрузок на заякоренный плавучий причал с ошвартованным судном: Труды координационных совещаний по гидротехнике, вып. 34 Л., Энергия, 1967. - С. 310317.

38. Кравчук Ю.Д., Марченко Д.В. О гидродинамических коэффициентах для расчета заякоренных плавучих причалов: Труды координационных совещаний по гидротехнике, вып. 50 Л., Энергия, 1969. - С. 603-607.

39. Крылов Ю.М. Получение спектральных характеристик морского волнения по волнограммам и стереофотоснимкам: Тр. Союзморниипроекта 4(10), Инженерные изыскания и исследования М., 1964. - С. 7-11.

40. Кузнецов А.И. Взаимодействие стоячих волн с вертикальными стенками: Труды МИСИ, №20 М., 1957. С. 19-23.

41. Кякк В.А. Волновые нагрузки на полузатапливаемое буровое сооружение: Труды координационных совещаний по гидротехнике, вып. 50 Л., Энергия, 1969.-С. 637-645.

42. Лактионов КН., Кропотов И.Б; Малахов Д.Ю. Результаты комплексных исследований водоходных качеств плавающих машин методами вычислительной гидродинамики: Научные достижения МАДИ (ГТУ). Каталог выставки 17-18 мая 2006. М., МАДИ (ГТУ), 2006. С. 69-70.

43. Лаппо Д.Д. Силовое воздействие гравитационных волн при обтекании гидротехнических сооружений. М., Изд. АН СССР, 1962. 93 с.

44. Лаппо Д.Д. Расчет воздействия ветровых волн на обтекаемые преграды и сквозные сооружения: Труды координационных совещаний по гидротехнике, вып. 50 Энергия, Л., 1969. С. 490-508.

45. Левкевич Е.И. Исследование берегозащитного действия плавучих волноломов: Труды координационных совещаний по гидротехнике, вып. 50 -Энергия, Л., 1969. С. 428-436.

46. Леонтьев И.О. Динамика прибойной зоны. М., Изд. АН СССР, 1989.236 с.

47. Липис В.Б., Ремез Ю.В. безопасные режимы штормового плавания судов. М., Транспорт, 1982. 117 с.

48. Лонгинов В.В. Динамика береговой зоны бесприливных морей. М., Изд. АН СССР, 1963.- 86 с.

49. Лукашевский В. А. Гидродинамический расчет волнопродукторов: Труды НТО Судпрома, вып. 173 JL, Судостроение, 1972.

50. Ляховицкий А.Г., Борозна Д.И. Влияние мелководья на ходовые характеристики судна: Труды ЛИВТ, вып. 127 JL, 1970. - С. 15-19.

51. Мавлюдов М.А. Движители быстроходных судов. Л., Судостроение, 1973.- 137.

52. Макливи Р. Суда на подводных крыльях и воздушной подушке. Судостроение, Л.: 1981.

53. Малахов Д.Ю. Методика исследований с помощью моделей входа амфибийных машин в воду прибойной зоны: Сб. науч. тр. МАДИ "Проектирование, расчет и исследование транспортных машин высокой проходимости" М., МАДИ (ГТУ), 1998. С. 82-89.

54. Малахов Д.Ю. Основные результаты научной работы по исследованию входа плавающих машин в воду прибойной зоны: Сб. науч. тр. "Проектирование и совершенствование многоцелевых гусеничных и колесных машин" М., МАДИ (ГТУ), 2008. С. 80-84.

55. Марченко А. С. Теоретические основы проектирования волновых установок гидротехнических лабораторий: Автореф. дис. канд. техн. наук. М., МИСИ. 1955.

56. Медведков В.И. (под ред.). Основы теории и конструкции танков, боевых машин пехоты, бронетранспортеров и армейских автомобилей. Учебник. Часть 2. Основы теории и конструкции бронетранспортеров и армейских автомобилей. М., Воениздат, 1973. 384 с.

57. Ногид Л.М. Теория проектирования судов. Л., Судпромгиз, 1955.480 с.

58. Офицеров А.С. К вопросам моделирования волн: Труды координационных совещаний по гидротехнике. Выпуск 50 Л., Энергия, 1969. С. 681-692.

59. Павленко А.С. Комплекс измерительных устройств и аппаратуры для проведения мореходных испытаний в опытовом бассейне: Труды НТО Судпрома, вып. 168 Л., Судостроение, 1972. С. 19-23.

60. Папир А.Н. Водометные движители малых судов. Л., Судостроение, 1970.-254 с.

61. Петренко A.M. Кувшинов В.В. Основы научных исследований и техника эксперимента. М., МАДИ, 1999.

62. Плакида М.Е. Давление от прибойных и разбитых волн на оградительные сооружения типа вертикальной стенки. //Гидротехническое строительство, №2, 1965. С. 19-31.

63. Платонов В.Ф. Полноприводные автомобили. Машиностроение, М.:1981.

64. Попов И.Я. Нагрузки от действия волн на бетонные крепления откосов земляных гидротехнических сооружений: Труды координационных совещаний по гидротехнике, вып. 50 Л., Энергия, 1969. - С. 478-489.

65. Редъкин М.Г. Плавающие колесные и гусеничные машины. М., Воен-издат, 1966.

66. Ремиз Ю.В. Качка корабля. Л., Судостроение, 1983. 187 с.

67. Рогачко С.И. Развитие методов расчета волновых и ледовых воздействий на морские гидротехнические сооружения: Автореферат дис.д-ра техн. наук. М., МГСУ, 2003. 42 с.

68. Селиванов Н.И. Автомобили и транспортные гусеничные машины высокой проходимости. М., Наука, 1967.

69. Сидорова А.Г. Высота наката волн на откос: Сб. тр. №20 М.: МИСИ, Госстройиздат, 1957.

70. Смирнов А. А. Изменение высоты и длины волны на пологих откосах: Сб. "Волновые исследования". Труды гидравлической лаборатории, № 9. М., Госстройиздат, 1962.

71. Смирнов Г.А. Теория движения колесных машин: Учебник. М., Машиностроение, 1990.

72. СНиП 2.06.04-82*. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов). М., Госстрой России, 1989.

73. Справочные данные по режиму ветров и волнения в океанах. M.-JL, Транспорт, 1965. 71 с.

74. Степанов А.В. Технико-экономическая оценка средств рейдовой разгрузки судов на необорудованный берег. /Проектирование, расчет и исследование транспортных машин высокой проходимости: Сб. научн. тр. М., МАДИ (ГТУ), 1998. С. 115-120.

75. Степанов А.П. (под ред.). Боевые плавающие машины США. Иллюстрированный справочник. М., ACT. Астрель, 2001. 96 с.

76. Степанов А.П. Конструирование и расчет плавающих машин. М., Машиностроение, 1983. — 198 с.

77. Степанов А.П. Мореходность амфибийных машин. Учебное пособие. М., МАДИ (ГТУ), 1998. 105 с.

78. Степанов А.П. Плавающие машины. Изд. второе, исправленное и дополненное. М., ДОСААФ, 1975.- 190 с.

79. Степанов А.П. О влиянии морского волнения на сопротивление воды и скорость движения амфибийных машин. /Проектирование, расчет и исследование транспортных машин высокой проходимости: Сб. научн. тр. М., МАДИ (ГТУ), 1998.-С. 73-81.

80. Степанов А.П. О коэффициентах сопротивления поперечной качки амфибийных машин на спокойной воде. /Проектирование, расчет и исследование транспортных машин высокой проходимости: Сб. научн. тр. М., МАДИ (ГТУ), 1998. С. 73-91.

81. Степанов А.П. Расчет ходкости и маневренности амфибийных машин с гусеничными водоходными движителями. М., МАДИ (ГТУ), 1996. 43 с.

82. Степанов А.П. Расчет ходкости и управляемости амфибийных машин с колесными водоходными движителями. М., МАДИ (ГТУ), 1996.

83. Степанов А.П., Давыдов ИТ. Эксплуатация и безопасность движения плавающих машин. М., Транспорт, 1988. 320 с.

84. Степанов А.П., Малахов Д.Ю. Мореходная машина и участки прибойной зоны. //Автомобильная промышленность. М., 2002, №4. С. 20-22.

85. Тимофеев М.Ю. Гидродинамика глиссирующих амфибийных машин: Дисс. канд. техн. наук М., МАДИ, 2003.

86. Титов Л.Ф., Зубова М.М. Статистические закономерности распределения волнообразующих факторов. Океанология. Т.VII, вып.З. М., Изд. АН СССР, 1967.

87. Титов И.А., Егоров И.Т., Дробленков В.Ф. Ходкость быстроходных судов. Л., Судостроение, 1979.

88. А.Н. Холодилин. Стабилизация судна на волнении. JL, Судостроение, 1973.-231 с.

89. Холодилин А.Н., Шмырев А.Н. Мореходность и стабилизация судов на волнении. JL, Судостроение, 1976. 328 с.

90. Хорхордин Е.Г. Стационарные водометы. М., Данаис, 2004. 159 с.

91. Цайтс Е. С. Действие волн на откос из несвязных грунтов. К., Изд. АН УССР, 1958.-93 с.

92. Цеханович В.В. Определение аэродинамических нагрузок на плавучие доки: Труды координационных совещаний по гидротехнике, вып. 50 JI., Энергия, 1969.-С. 646-661.

93. Шайтан B.C. Некоторые результаты исследований наката нерегулярных волн на откосы сооружений: Труды координационных совещаний по гидротехнике, вып. 50 Л., Энергия, 1969. - С. 437- 443.

94. Шулейкин В.В. Рефракция волн на материковой отмели. М., Изд. АН СССР, №Ю, 1935.

95. Шулейкин В.В. Теория морских волн: Тр. Морского Гидрофизического института АН СССР М.: 1956.

96. Шуляк Б.А. Кинематика волнового потока, распространяющегося над рифельной поверхностью дна. М., Океанология, 1961. 67 с.

97. Beal A.L., Powering Characteristics in Still Water and Waves for LARC-15 as Represented by Model 4721, Report 1337, David Taylor Model Basin, Washington, D.C., may 1959.

98. Ehrlich I.R., Kamrn I.O., Worden G. Water performance of amphibious vehicles. Part 2. Journal of Terramechanics, 1970, vol. 7, N 3-4, p. 69-99.

99. Daizell J. The simulation of vehicle performance in surf-1. Journal of Terramechanics, Vol. 10, № 2, Great Britain, 1973. p. 77-104.

100. Patrick D., Wiegel R. Amphibian tractors in the surf. First Conference on Ships and Waves, Berkley, 1955.

101. Iverson H., Crooke R. Model studies of amphibian tractors in the surf. First Conference on Ships and Waves, Berckley, 1955. p. 112-116.

102. Mehaute B. On the non-saturated breaker theory and the wave run-up. 8 Conference on Coastal Engineering, Mexico City, Chapter 6. Council on Wave Research, 1962.-p. 77-92.