автореферат диссертации по транспорту, 05.22.16, диссертация на тему:Совершенствование методов управления судами с ветродвижителями

Министерство образования и науки Украины Одесская национальная морская академия

Заичко Сергей Иванович

УДК 629.123.03

, СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ СУДАМИ С ВЕТРОДВИЖИТЕЛЯМИ

Специальность 05.22.16 - Судовождение

Автореферат диссертации на. соискание ученой степени кандидата технических наук

Одесса - 2004

Диссертацией является рукопись.

Работа выполнена в Одесской национальной морской академии. Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Алексейчук Михаил Степанович заведующий кафедрой Одесской национальной морской академии

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Воробйов Юрий Леонидович, Одесский национальный морской университет советник ректора, заведующий кафедрой

кандидат технических наук Олейник Татьяна Витальевна, представительство АСК "Укрречфлот", г. Херсон,

капитан судов заграничного плавания.

Ведущая организация Национальный университет кораблестроения им. адм.

Макарова (г. Николаев), Министерства образования и науки

Защита состоится 10 июня 2004 г. в 10 часов на заседании специализированного ученого совета Д 41.106.01 Одесской национальной морской академии по адресу г. Одесса, ул. Дидрихсона, 8.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Одесской национальной морской академии

Автореферат разослан 7 мая 2004 г.

Учений секретар: специализированного д. т. н., профео

'/^/^^1Голиков В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Последние тридцать лет появилась тенденция использования альтернативных нефти источников энергии, особенно экологически чистой энергии ветра и солнца, что обусловлено ограниченностью запасов нефти, их неуклонным истощением и постоянным ростом затрат на добычу нефти. На флоте проблема сокращения потребления топлива может быть решена путем использования энергии ветра для движения судов, что требует разработки и установки на транспортных судах ветродвижителей различных типов.

Использование ветродвижителей на судне ведет к изменению характеристик его управляемости и поведения в условиях волнения. Следовательно, для обеспечения безопасности мореплавания судов с ветродвижителями необходимо исследовать влияние ветродвижителей на управляемость судна в различных условиях, особенно при наличии волнения.

Потребность в разработке топливосберегающих технологий с использованием экологически чистых источников энергии и необходимость создания метода учета влияния ветродвижителей на управляемость судна определяют актуальность и.перспективность темы диссертации, .

Связь работы с научными программами, планами, темами. Тема диссертации связана с госбюджетной научно-исследовательской работой "Усовершенствование методов безопасного судовождения в сложных условиях плавания", N ГР 0103Ш06406, в которой автор диссертации самостоятельно выполнил раздел.

Результаты диссертационной работы содержатся в научно-исследовательских работах "Разработка технического предложения системы управления вспомогательным ветродвижителем танкера проекта 16580", N ГР 01890082652, а также "Разработка руководства для плавсостава по управлению главным двигателем теплохода "Илья Сельвинский" со вспомогательным парусным вооружением".

Цель и задачи исследования. Целью исследования является разработка метода учета влияния ветродвижителей на управляемость судна.

В основу исследования положена гипотеза о том, что наличие ветродвижителей на судне в условиях волнения оказывает влияние на управляемость судна и процесс его качки из-за дополнительного взаимодействия ветродвижителей с воздушными массами.

Главной задачей исследования является разработка алгоритма управления судном, оснащенного ветродвижителями. В диссертационном исследовании главная задача представлена тремя следующими частными задачами:

- формирование процедуры определения параметров качки судна с учетом его ветродвижителей;

- разработка способа снижения бортовой качки судна путем управления ветродвижителями;

- создание метода модельной оценки управляемости судна с ветродвижителями.

Объектом исследования является управляемость судов, а предметом исследования - влияние ветродвижителей на управляемость судна при действии постоянного ветра в условиях регулярного волнения.

В диссертационной работе применены методы: . , .. ........... .

- исследования операций при декомпозиции главной задачи диссертации на составляющие;

- механики, аналитической геометрии, аэродинамики, динамики твердого тела в части составления и решения дифференциальных уравнений движения объектов при описании динамической модели бортовой качки судна с парусным вооружением;

- теории корабля;

- оптимизации теории математического программирования для решения задачи выбора оптимального угла установки ветродвижителя;

- моделирования для модельной оценки характеристик управляемости судна;

- численного интегрирования нелинейных дифференциальных уравнений Рунге-Кутта-Фельдберга четвертого порядка

Научная новизна полученных результатов. Выполненные научные исследования подтвердили гипотезу о том, что наличие ветродвижителей на судне в условиях волнения оказывает влияние на управляемость судна и процесс его качки из-за дополнительного взаимодействия ветродвижителей с воздушными массами.

Разработан метод учета влияния ветродвижителей на управляемость судна, который отличается тем, что в зависимости от характеристик ветродвижителей позволяет моделировать различные режимы движения судна, вычислять параметры его качки и минимизировать бортовую качку.

В диссертационной работе получены следующие результаты, содержащие научную новизну:

- впервые получен способ расчета оптимального угла установки ветро-движителя, минимизирующий амплитуду бортовой качки судна с ветродви-жителем за счет заданного снижения его силы тяги;

- усовершенствован способ расчета параметров качки судна с ветродвижи-телями для описания его поведения при волнении за счет учета дополнительного- взаимодействия-ветродвижителя с-воздуышыми.массами^и .........

- дополнен метод модельной оценки управляемости судна с ветродвижите-лями при наличии качки путем учета дополнительных составляющих сил тяги и дрейфа ветродвижителя.

Практическое значение полученных результатов. Практическая значимость проведенного диссертационного исследования заключается в том, что предложенный в работе метод учета влияния ветродвижителей на управляемость судна может быть использован не только для парусного вооружения, но и для других типов ветродвижителей, а также для различных типов судов с ветродвижителями.

Практическая ценность работы заключается в том, что полученные в работе алгоритмы, программы и имитационная модель могут быть использованы

и внедрены на судах с ветродвижителями для учета их реальной управляемости и минимизации бортовой качки, при проектировании судов с ветродвижителями, а также при разработке ветродвижителей.

Личный вклад соискателя. Результаты и разработки, полученные в диссертационной работе, выполнены соискателем самостоятельно.

Апробация результатов диссертации. Основные результаты диссертационной работы были доложены и одобрены на VII Всесоюзной научно-технической конференции г. Ленинград, 24-26 мая 1989 г., в 2001- 2004 годах на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ОНМА, а работа в целом представлена на научно - техническом совете ОНМА.

Структура работы. Работа состоит из введения, пяти глав, приложений -нет, полный объем работы 161 стр., содержит 40 рис. и 18 табл., список литературы 83 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ

В первой главе диссертации приведены результаты анализа литературных источников по проблеме разработки и использования судов с ветродвижителями и обоснован выбор основных, направлений исследования.по теме диссертации.

Проблема использования энергии ветра на судах нашла отражение в многочисленных научных исследованиях, результаты которых опубликованы в работах отечественных и зарубежных ученых, в том числе Ю.С. Крючкова, Г.А. Алчуджана, И.И. Кринецкого, М.В. Миюсова, Г.В. Васильева, В.Б. Жин-кина и многих других.

Проведенный в диссертации анализ показал, что принципиально важным при создании судов-ветроходов является разработка эффективных и надежных ветродвижителей, удобных и безопасных в эксплуатации, конструкция которых позволяет обеспечить механизированное и автоматизированное дистанционное управление ими.

В настоящее время в качестве ветродвижителей используются как мягкие, так и жесткие паруса, ротор Флетгнера, поворотные "вентилируемые" объемные крылья-роторы ("турбопаруса") и аэродинамический движительный комплекс (АДК) "ротор-парус".

Обобщая анализ литературы, в диссертационной работе показано, что разработка ветродвижителей транспортных судов производится в области создания конструкций ветродвижителей и исследования их при эксплуатации, практически не касаясь вопросов исследования поведения судов с ветродви-жителями в реальных условиях эксплуатации, что позволяет определить основные направления диссертационного исследования, которые предусматривают необходимость рассмотрения судоводительского аспекта проблемы разработки и использования ветродвижителей с позиций изучения управляемости судна со вспомогательным парусным вооружением, для чего необходимо формализовать его поведение в условиях волнения и выявить зависимость свойств управляемости судна от наличия ветродвижителей.

Вторая глава диссертации посвящена изложению методологического обеспечения исследования по теме диссертационной работы. Обоснован выбор направления диссертационного исследования, определена цель работы, рассмотрены методы, решения - главной.-задачи .«»-разработана технологическая карта исследования, содержащая структуру методологического обеспечения диссертации, которая базируется на системном подходе к исследуемой теме. Предложена научная гипотеза и сформулирована главная задача исследования, которая представлена тремя частными задачами, решение которых позволило получить три основных научных результата. Полученные научные результаты совместно с результатами эксперимента позволили оценить практическое значение работы и сформулировать научное положение. В заключительном разделе главы изложена общая методика проведения диссертационного исследования, в которой производится обоснование применения рассмотренных методов на каждом из его этапов.

В третьей главе диссертации произведен анализ сил паруса с учетом бортовой качки судна. Для этого вначале были получены аналитические выражения для продольной и поперечной составляющих силы паруса, затем определена зависимость значений скорости и угла набегающего воздушного потока от параметров вымпельного ветра и в завершение главы найдено математическое выражение для описания угла крена судна в условиях бортовой качки.

Базовые аналитические выражения для продольной и поперечной составляющих силы паруса получены для случая, когда на судне установлен один жесткий парус площадью 8П, расположенный на расстоянии Хп от мидель-шпангоута. Под действием набегающего воздушного потока на парус возникают продольная (сила тяги) и поперечная (сила дрейфа) составляющие горизонтальной силы, которые соответственно обозначены Рх и Ру. В условиях бортовой качки судна, вызванной регулярным волнением составляющие Рх и Ру являются функциями времени и содержат гармонические составляющие, которые оказывают дополнительное влияние на управляемость судна.

При бортовой качке судна возникает дополнительное движение паруса и изменяется его эффективная площадь, что сказывается на величине только поперечной составляющей силы FY. Поэтому в работе рассмотрено влияние качки только на эту составляющую.

Возникающий из-за бортовой качки угол крена 9 в первом приближении носит гармонический характер, как и появляющаяся линейная скорость перемещения паруса V . Ее горизонтальная проекция V cos 8 складывается со

9 Э

скоростью вымпельного (кажущегося) ветра Vb, имеющего горизонтальное

направление под углом 0Ь относительно диаметральной плоскости судна. В работе получена формула для силы дрейфа Fy (t) в функции угловой скорости бортовых колебаний 9, имеющая вид:

Fy(t) = -^pbSn[(Vbcoseb)2 +(VbSin0b+zn0)2]x

r„ , . Vbcos9b ^ , ч Vbsineb+z 8 *[CY(a)-^ + Cx(a) -1

где рь - массовая плотность воздуха;

zn - расстояние по вертикали между центром паруса и центром масс судна;

V (t) — скорость набегания воздушного потока;

А

a - угол набегания воздушного потока на парус, причем a = 8 (t) -8 ;

a s

8 (t) - угол набегания воздушного потока относительно ДП судна;

А

8 - задаваемый угол установки паруса;

s

Сх (а) и CY (а) — коэффициенты сопротивления и подъемной силы паруса.

Модуль Vb и направление 9 скорости вымпельного ветра зависят от параметров скорости (модуля Vq , курсового угла (Pq ) истинного ветра и скорости судна Vs, причем аналитический вид зависимости общеизвестен. В свою очередь, как показано в диссертации, расчет параметров V (t) и

А

0 (t) набегающего воздушного потока в общем случае производится по сле-

А

дующим формулам:

VA (t) = [(Vb cos6b)2 + (Vb sinGb+ Ve cos 6)2]1'2,

« ^ - - VhSin0h + V„cos04 q

6 (t) =arcsin(—--b 6-), при 0 <л/2,

a VA (t)

« • VKsin0h + VaCosO. Q

0 (t) = я - arcsin( —^-* e-) > при 0 > я/2,

A A (0

которые используются для расчета силы тяги и силы дрейфа паруса.

Для анализа влияния наличия парусов на процесс бортовой качки судна и определения аналитического выражения угла крена судна в первом приближении применялась линейная модель бортовой качки, в качестве которой -использовалось изолированное -уравнение-поперечной-качки.'В-работеснйча- -ле было рассмотрено аналитическое описание процесса качки без парусов, а затем при их наличии, и производился их сравнительный анализ.

В случае судна без парусов для описания угла крена 6 справедливо исходное дифференциальное линейное уравнение:

(1хх+).44)ё+ц44ё +Dhoe =x8Dhosin(0kt, где ¡¡и - момент инерции судна относительно продольной оси Х-Х; А.44 - обобщенные присоединенные массы воды относительно той же оси Х-Х;

- коэффициент демпфирования относительно оси Х-Х;

Э - водоизмещение судна (сила тяжести);

Ьй - поперечная начальная метацентрическая высота;

Хе - редукционный коэффициент при бортовой качке;

а>к - кажущаяся частота волнения.

Исходному дифференциальному уравнению соответствует неоднородное линейное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами: 6 + 2у„ 9 + ю26 = х„ шЬшш,!,

е о Л9 о к '

где у0 = (1^/2(1^ + - коэффициент затухания;

со2 = ОЬо/( + Х.44) - собственная частота судна при бортовой качке. Частное решение этого уравнения имеет следующий вид:

0=0 зт(ш, I- и/),

г о к Т "

где 0 =-2--амплитудное значение угла крена;

, 4 2у9юк

V)/ - начальная фаза, причем у = агс^ " " .

В случае, когда судно оборудовано парусами, возникает дополнительный момент от поперечной силы Ру который в дифференциальном уравнении

качки судна учитывается дополнительным слагаемым ру (I), т. е.: (1„ +Х.44)ё + ц ё + г РУ(0+ОЬ 0=у„ЭЬ бшсо,

\ XX 44 ) Г-М пуу/ о Л9 о к

где - аппликата точки приложения силы Ру (1).

В работе показано, что сила дрейфа имеет следующее выражение: Ру № = С + в9 9,

где в =А(В, С, + В^ С,+2В2 С! ъ^ 9+В, С2+В* С2);

Оэ=А(2В2С2 2п+В,С,+В»С,);

А=1рь8п; В1=(Уьсо5еь)2; в2=Уьяпвь; С,=Су(а)-

Уь31п9„

С2 Сх(а) у ф ' сх(«) у ф " Поэтому дифференциальное уравнение принимает вид:

9 + 2У„л 9 + со2 9 = У (о бшсо I -

ЙП Л « Ъ

еп о о к (1«+*44)'

где увп=^44+2п +^-44) " коэффициент затухания с учетом установ-

ленного паруса. Частное решение имеет вид:

•.-•-.■^"'■»-агйЬ-

Хв®"

где в =-—--амплитудное значение угла крена;

°п Ы-ф+А^Г1

уп = аг^^^—\ - начальная фаза.

При наличии паруса увеличивается-значение коэффициента затухания V---,

011

что уменьшает амплитуду бортовой качки, а также возникает постоянный кренящий момент, создающий статический угол крена судна. Общее решение дифференциального уравнения является суммой частного

решения и решения соответствующего однородного уравнения. При <в2>у^

общее решение принимает вид:

9=ехр{- V„„ЩМ втш М собоо 11 + 0 , еп п 1 а 2 & 1 т

где <о =(со2- V2 )ш - частота затухающих колебаний судна;

а ° еп

М , М^ - постоянные интегрирования, зависящие от начальных условий.

В работе получены выражения для постоянных интегрирования М^и М^:

2v со

М,= — {6 +v[9 +9 —-. ш к. , .,+ J-

1 • ZV ш „ п

1 (А . ГЛ , л ОП к__i__fnu

Md о 0П о «П ,)!+4у2щ21/2 (1**+^)

* ОП к

2 2

- 9 ш -^^-},

2v ю

М = е +9 „ --+

еп к__i znG

2 о °п

[(ffl2-0>2)2 + 4v2 ü)2]1'2 (1-+Х44)'

где 9 и 9 - начальные значения угла крена и его угловой скорости.

о о

Анализ общего решения показывает, что собственные затухающие колебания судна дополнены гармоническими вынужденными колебаниями с частотой качки.

Таким образом, использование на судне паруса увеличивает начальную фазу v п, уменьшает амплитудное значение угла крена и ведет к появле-

znG

нию постоянного крена ——^—-, причем знак «минус» показывает, что Охх+А-м)

крен возникает на борт, противоположный борту направления ветра (например, при ветре с правого борта возникает крен на левый борт).

Полученное выражение для угла крена 9 позволяет записать формулы для продольной Fx (t) и поперечной Fy (t) сил паруса в явном виде:

Fx(t)= ipbSn{(Vbcos0b)2 +[Vbsin9b+ zneon(ükcos(<okt-i|/n)]2} x

Vhsin0h + z 9 со cósica, t-y ) v „n„0

хгс íct'í—-_-_" °n k__- С (a) bcos"b i

LLy(a) VA(t) xi ) VA(t) J'

Fy (0:= - \Pb Sn {('Vb cos9b)2 +■ [Vb sm9b+ Z¡j 9оП cok cos(ü>kt- Vn)]:2} x

Vhsin9h+z 9 со cos(oo t-w )

которые можно вычислить в первом приближении для расчета характеристик управляемости судна при наличии парусов.

С целью получения более точных характеристик параметров управляемости судна в работе также было рассмотрено нелинейное уравнение бортовой качки судна, имеющее следующий вид:

(I» +*44)в+И44в| 9 I + zn Fy(t) + Dho0 = х0 Dhosincokt,

которое отличается от соответствующего линейного уравнения вторым нелинейным членом. После элементарных преобразований приведенное нелинейное уравнение для случая установки на судне двух парусов, выражается следующим образом:

0+CD Ó| Ó I + F(0) + {ipb zn] Sm [(Vb cos9b)2 + (Vb sineb+ znl ÓCOS0)2] x x [CY(a )cos 0A(t)+ Cx(a) s¡n9A(t)] + IPbZn2 Sn2[(Vb cos9b)2 +

+ (Vbsin9b+ z^ ¿cos9)2] x[Cy(a2)cos 0A(t)+ Cx(a )sin0A(t)]}/( 1«+^) =

= Msinca, t, k

где F(9) — относительный восстанавливающий момент; "

со - относительный коэффициент демпфирования;

Znl и Zn2 " в03вышения центра парусности над центром тяжести соответственно первого и второго парусов; Snl, Sjj2 - площади первого и второго парусов;

ai и И2" Углы набегания воздушного потока на первый и второй парус.

Приведенное нелинейное дифференциальное уравнение интегрируется численно с использованием метода Рунге-Кутта-Фельдберга четвертого порядка.

С его помощью производилась оценка влияния использования двух парусов на управляемость судов типа «Олег Кошевой».

Четвертая глава посвящена выбору оптимального угла установки паруса для снижения бортовой качки судна. Вначале в главе рассмотрено вычисление углов установки паруса, соответствующих максимальным значениям его продольной и поперечной силы, а затем изложен способ расчета оптимального угла установки паруса.

В работе показано, что амплитудное значение угла крена при бортовой качке 0оП зависит от коэффициента затухания V :

X и!

0 =--

оП [(ю2-со?)2+ 4У2 Ю2]"2 14 0 кУ еп к-1

который, в свою очередь, определяется выражением:

где О0 - обобщенный параметр, характеризующий ветродвижитель и зависящий от параметров паруса, направления вымпельного ветра, угла установки паруса и других переменных. Регулируемым параметром, который влияет на

величину Св, а, следовательно, и у0п, является угол установки паруса .

При изменении будет также изменяться величина угла а, что ведет к перераспределению энергии ветра между силами тяги Рх (1) и дрейфа Ру (I). Обобщенный параметр С0 связан с поперечной силой Ру (1) и достигает своего максимума в окрестностях максимального значения силы Ру (I). Поэтому в работе вначале произведен анализ соотношения между углами установки

паруса Эз, при которых достигается максимальные значения сил Рх (1) и

(I) при разных направлениях набегания воздушного потока 0д. После этого произведен анализ возможностей и условий выбора угла установки паруса

0 (0 <0 ), обеспечивающего необходимую величину силы тяги РхДО и максимальный параметр Ое, возможный при заданном значении

Рш (I), которому соответствует минимальная амплитуда бортовой качки при заданной силе тяги.

В работе получены зависимости сил Рх (1) и Р, (I) от угла установки паруса

при заданных углах 0д, выбранных равными 30,45, 60, 90, 120, 150 и 170 градусов. Для расчетных значений Сх(а) и Су(а) использованы данные по судам типа «Олег Кошевой», причем зависимости коэффициентов подъемной силы Су и сопротивления Сх от угла атаки а представлены алгебраическими полиномами:

п п

¡=0 ¡=0 где и в, - коэффициенты аппроксимирующих моделей, численные значения которых приведены в диссертации.

Результаты выполненных расчетов показали, что максимальная сила тяги паруса и минимальная бортовая качка судна достигаются на разных углах

установки паруса .

В работе обозначены через <3ЗХ и <3ЗУ углы установки паруса 08, на которых достигаются максимальные значения сил соответственно и Р,, и

для всех направлений воздушного потока 0д (от 0 до 180°) были рассчитаны значения С>5Х и (35у.

В работе показано, что для снижения амплитуды бортовой качки судна необходимо несколько уменьшать силу тяги Рх, причем величина выигрыша в снижении бортовой качки будет пропорциональна потерям в силе тяги Рх.

В качестве ограничений выбраны заданные потери силы тяги Рх, выраженные в процентном отношении, которые обозначены АРХ, и максимально возможное снижение амплитуды бортовой качки 0оП достигается следующим образом.

При заданном значении 9д вычисляется величина Рм= ^Хтал (1 -Д Рх) - минимально допустимая сила тяги с учетом выбранных процентных потерь, и определяется диапазон углов установки паруса 9^, для которых справедливо условие Рх(98)>

Границы диапазона обозначены 9^ и 9^. Затем для всех значений 9^ е[0з) ,0^] рассчитывается значение обобщенного параметра 09, и в качестве оптимального угла установки паруса Р50Р выбирается значение 9з, при котором достигается максимум обобщенного параметра в8.

В работе были определены оптимальные углы установки паруса <3ЗОР в зависимости от направления воздушного потока Оа (9Д) и заданных процентных потерь ДРХ силы тяги Рх судов типа «Олег Кошевой». При расчетах направление воздушного потока выбиралось от 20 до 180°, а процентные потери ДРХ принимали значения 3, 5, 10, 15, 20, 25 и 30%. В работе результаты рас-че-та представлены в виде рисунков и таблиц. На рис. показана зависимость значения оптимального угла установки паруса *350Р от направления воздушного потока С2а при ДРХ = 10% (точечная кривая, две другие сплошные кривые характеризуют значения (2а, при которых достигается максимум сил тяги и дрейфа).

Qsop 16014012010080 -60 -40 -20 -

0 20 40 60 ВО 100 120 140 160 Qa Рис. Значения оптимальных углов Qsop при AFX=10% В пятой главе исследовано влияние ветродвижителей на управляемость судна. Для исследования был применен метод математического моделирования режимов движения судна, разработанный проф. Вагущенко J1JI., а оценка влияния ветродвижителей на управляемость судна рассматривалась применительно к судам типа «Виктор Кибенок» с жесткими парусами типа «опускаемые жалюзи» ЛИСЭД с помощью модифицированной математической модели.

Состояние управляемого объекта в программе описывается математической моделью, которая представлена системой пяти дифференциальных уравнений первого порядка, содержащих следующие силы и моменты:

- Рц - центробежная сила;

- Рк, Мк - позиционная гидродинамическая сила и ее момент;

- Мд- момент демпфирующей гидродинамической силы;

- Ри, Рш, М„ - упор винта, боковая сила винта и ее момент;

- Рр, Мр - сила на руле и ее момент;

- Р,, Мо - аэродинамическая сила и ее момент. Математическая модель имеет следующий аналитический вид:

= ^-(Р1Ц.+Рп. + Ри+Рн.+РЛ)

Л т,. (IV 1

—- = —-(Р +Р +Р +Р + р ■)

^ ^ V 1Ц) КВ ЦВ РВ аВ /

^=у-(мк + мд+ми+мР+м.)

^ =^[кп(п3-п)-л] 1

Л Т„

где V - скорость судна относительно воды;

Уь - продольная составляющая скорости судна относительно воды; Ув - поперечная (боковая) составляющая скорости судна относительно воды;

со - угловая скорость вращения корпуса относительно центра масс (ЦМ); О - скорость перекладки руля; ......

п - частота вращения винта; П - скорость изменения частоты вращения винта; П11,, Шв, .»со " массы судна по продольной и боковой осям и момент инерции с учетом присоединенных масс;

Тл, кт, - постоянная времени и коэффициент передачи двигателя;

То, кп- постоянная времени и коэффициент передачи рулевого привода;

УР - дискретное приращение угла кладки руля.

В приведенной системе индексы Ь, В обозначают соответственно продольные и боковые составляющие сил, действующих на судно.

Входными переменными этой математической модели являются угол перекладки руля Р и частота вращения винта п, а также значения факторов, возмущающих движение судна. К выходным переменным модели относятся кинематические параметры т^,£2, образующие вектор состояния

судна.

Для возможности исследования движения судна с парусным вооружением исходная математическая модель Вагущенко Л.Л. была существенно дополнена. Это дополнение включало реализацию возможности установки в ДП на заданном расстоянии от миделя произвольного числа парусов с указанием их площадей. Аэродинамические силы тяги Рх(1) и дрейфа Ру(1) парусов рассчитывались с помощью выражений, полученных в диссертации, и включались в математическую модель судна.

Такая универсальная модифицированная модель была использована для оценки управляемости судов типа «Виктор Кибенок» при установке двух парусов с площадями по 198 м2, причем отстояние первого паруса от миделя составляло 41 м, а второго: -4 м.

Коэффициенты присоединенных масс при моделировании принимались равными: кп=0,1, к22=1,.0, кбб=0,7. Площадь лобовой парусности судна грузу: 160 м2. Параметры модели определялись по имевшимся данным о поворотливости судна. Качество идентификации модели было проверено моделированием контрольных маневров курсом. Отличие от имевшихся данных о поворотливости судна не превышает 10%. С помощью моделирования для судна в полном грузу и в балласте в работе получены циркуляции, элементы моделируемого «зигзага 20/20», маневра «прямая спираль», из которых следует, что судно является неустойчивым. Предельный угол обратной поворотливости составляет 2,3°.

Исследование влияния ветродвижителей на управляемость проводилось путем моделирования процессов стабилизации судна на курсе при движении разным ходом в различных ветровых условиях. Анализ полученных резуль-

татов показал, что при работе ветродвижителей в режиме максимальной тяги максимум их силы дрейфа приходится на курсовые углы ветра в диапазоне 55-65°. При опасном для судна курсовом угле 120° боковая сила от парусов меньше максимальной примерно в 6 раз. Поэтому боковая сила ветродвижителей при курсовых углах 110-180° практически мало влияет на смещение руля и угол дрейфа. Сила же тяги ветродвижителей в этом случае близка к максимальной и приводит к существенному увеличению скорости хода, что влечет за собой уменьшение смещения руля и уменьшение угла дрейфа при удержании судна на одном курсе.

Наибольшее влияние на угол дрейфа судна и смещение среднего положения руля при стабилизации курса ветродвижители оказывают при курсовом угле кажущегося ветра порядка 60°. При таком курсовом угле ветра от работы носового ветродвижителя угол дрейфа возрастает почти в два раза. Смещение же среднего положения руля наоборот - уменьшается почти на треть, и приводит к уменьшению боковой силы руля, направленной в этом случае противоположно боковой аэродинамической силе. Это объясняется тем, что момент от боковой силы носового ветродвижителя в этом случае противоположен по знаку моменту аэродинамической силы, развиваемой на корпусе, и моменту позиционной гидродинамической силы........

При работе только второго паруса при курсовом угле кажущегося ветра порядка 60° угол дрейфа судна увеличивается примерно в полтора раза, а смещение среднего положения руля - в 1,8 раза. Момент боковой силы второго паруса в этом случае совпадает по знаку с моментом аэродинамической силы, развиваемой на корпусе, и с моментом позиционной гидродинамической силы. Работа второго паруса приводит к увеличению смещения среднего положения руля и к росту его боковой силы, направленной на уменьшение угла дрейфа.

Совместная работа двух парусов при курсовом угле кажущегося ветра порядка 60° приводит к увеличению угла дрейфа судна в 2,3 раза и к увеличению смещения среднего положения руля порядка в 1,6 раза.

Вопрос влияния ветродвижителей на маневры курсом был исследован для ситуации, когда движители работают в режиме обеспечения максимальной тяги. Их влияние на траекторию поворота, выполняемого с заданной угловой скоростью, можно считать небольшим (если запаса перекладок руля достаточно для обеспечения заданной угловой скорости). Более значительное влияние они оказывают на поворот с заданной перекладкой руля, особенно при курсовых углах ветра, на которых ветродвижители существенно изменяют смещение среднего положения руля.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации получено теоретическое обобщение и новое решение задачи влияния ветродвижителей на управляемость судна в условиях волнения. Это решение заключается в разработке метода оценки влияния парусного вооружения на управляемость судна, который в зависимости от характеристик парусов позволяет моделировать различные режимы движения судна, вычислять параметры его качки и минимизировать бортовую качку.

В результате проведенного диссертационного исследования получены следующие основные научные результаты:

- процедура определения параметров качки судна с учетом парусного вооружения;

- способ снижения бортовой качки судна путем управления углом установки парусов;

- метод модельной оценки управляемости судна с парусным вооружением. Практическая значимость выполненного диссертационного исследования

определяется тем, что полученный в работе метод учета влияния ветродвижителей на управляемость судна может быть использован не только для парусного вооружения, но и для других типов ветродвижителей, а также для различных типов судов с ветродвижителями.

Практическая ценность работы заключается в том, что полученные в работе алгоритмы, программы и имитационная модель, описывающие расчет па-

раметров качки судна с учетом парусного вооружения, выбор оптимального угла установки паруса для снижения бортовой качки, а также модельную оценку управляемости судна с ветродвижителем, могут быть использованы и внедрены: на судах с ветродвижителями для учета их реальной управляемости и минимизации бортовой качки; при проектировании судов с ветродвижителями; при разработке ветродвижителей.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих статьях:

1. Писклов В.Т., Заичко С.И. Оптимальное управление рулевым устройством судна-ветрохода // Автоматизация судовых технических средств. — 2000. -№5.-С. 57-69.

2. Писклов В.Т., Заичко С.И. Оценка эффективности применения ветроэнергетической установки // Судовые энергетические установки. —1999. - №3.-С. 12- 19.

3. Писклов В.Т., Крылов О.Н., Заичко С.И., Варбанец P.A. Методы оптимизации режимов работы ветроэнергетической установки судна- ветрохода // Совершенствование судовых энергетических установок и систем судов. — М: Мортехинформреклама. - 1991.- С. 48- 52.

4. Крылов О.Н.,.Заичко С.И., Пи.склов-ELT...Математическое. моделирование — поведения ветрохода в условиях комплексной автоматизации судовых технических средств. // Труды VII Всесоюзной научно-технической конференции. - Л. - 1989.- С. 78.

5. Заичко С.И. Модельное исследование стабилизации судна, оснащенного жестким парусным вооружением, по заданному курсу. // Труды VII Всесоюзной научно-технической конференции. - Л. - 1989.- С. 75.

6. Заичко С.И. Моделирование стабилизации судна-ветрохода на курсе// Труды Всесоюзн. конф. «Физико-математическое моделирование при решении проблем гидромеханики и динамики судов и технических средств освоения Мирового океана». XXXIV Крыловские чтения. - Л.- 1989. - С. 59-60.

7. Заичко С.И., Миюсов М.В. Моделирование аэродинамических характерис-

тик ветродвижителей в условиях качки судна // Судовые энергетические установки. - 1999. - № 4. - С. 32-36. 8. Вагущенко Л. Л., Суязов Ю. Н., Заичко С. И. Оценка параметров нелинейной математической модели движения судна по данным дискретных наблюдений // Реф. ж. Водный транспорт.-М., 1985.-7 с. Деп. в Мортехинформ-реклама ММФ, № 389 от 8.01.85 г.

В первой публикации содержится методика автора по расчету характеристик колебательности замкнутой системы для разработки адаптивного регулятора стабилизации судна с ветродвижителем на курсе.

Во второй статье автором получены аналитические выражения для скорости и направления вымпельного ветра в условиях бортовой качки.

В третьей публикации автору принадлежит процедура расчета зависимости сил тяги и дрейфа паруса от угла его установки для случая минимизации бортовой качки судна.

Общий поход к моделированию поведения судна-ветрохода автором предложен в четвертой публикации.

В седьмой публикации автору принадлежит исследование аэродинамических характеристик ветродвижителей т/х "Владимир Правик" при.наличии бортовой качки.

Оценка параметров модели движения судна по дискретным наблюдениям составляет вклад автора в восьмую публикацию.

АННОТАЦИЯ

Заичко С.И. Совершенствование методов управления судами с ветродви-жителями. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Специальность 05.22.16 - Судовождение. Одесская национальная морская академия, Одесса, 2004 г.

В диссертационной работе рассмотрена актуальная проблема обеспечения безопасности мореплавания судов с ветродвижителями с учетом их влияния

на управляемость судна в различных условиях, особенно при наличии волнения.

Основные направления диссертационного исследования, его актуальность и перспективность обоснованы в результате обзора и анализа литературных источников по проблеме разработки и безопасной эксплуатации судов с вет-родвижителями. Для обоснованности основных научных положений, результатов и выводов и их достоверности произведено методологическое обеспечение диссертационного исследования. Определены цель, главная задача, научная гипотеза диссертационной работы, и методы, использование которых обеспечивает достижение поставленной цели.

Так как конечной целью диссертационного исследования является разработка метода учета влияния ветродвижителя на судно, которое подвержено воздействию постоянного ветра и волнения, то вначале були получены вра-жения для возмущающих сил ветродвижителя, влияющих на управляемость судна. С помощью методов механики и аналитической геометрии найдены выражения для продольной и поперечной составляющих силы ветродвижителя (сил тяги и дрейфа) в условиях бортовой регулярной качки, описанной детерминированным процессом. Указанные силы являются функциями значений скорости и угла набегающего воздушного потока, которые, в срою очередь, зависят от параметров вымпельного ветра. Данное обстоятельство потребовало поиска аналитического соотношения между параметрами вымпельного ветра и значениями скорости и угла набегающего воздушного потока, для чего были использованы методы аэродинамики. После этого, с помощью метода кинетостатики было получено дифференциальное уравнение движения судна по углу крена, как в линейной, так и в нелинейной форме, для решения которого использовались прямые и численные методы решения дифференциальных уравнений. Полученное решение однозначно определило аналитические выражения для продольной и поперечной сил ветродвижителя, которые необходимы при оценке управляемости судна, использующего ветродвижитель.

Анализ полученного уравнения угла качки судна с ветродвижителем показал, что амплитуда бортовой качки снижается пропорционально величине силы дрейфа. С помощью методов математического программирования и имитационного моделирования была сформулирована и решена оптимизационная задача выбора угла установки паруса, при котором достигается минимальная амплитуда бортовой качки судна при заданных значениях снижения силы тяги парусного вооружения. Предварительно, для решения поставленной задачи, были получены соотношение углов установки паруса, при которых достигаются максимальные значения продольной и поперечной сил паруса.

На заключительном этапе диссертационного исследования была произведена разработка модели оценки управляемости судна, использующего паруса, на которое воздействуют волнение. В качестве базовой была выбрана существующая математическая модель движения судна, позволяющая имитировать движение судна в различных условиях и производить оценку его управляемости. Для модернизации упомянутой математической модели в перечень сил, воздействующих на судно, были включены продольная сила тяги и поперечная сила дрейфа ветродвижителя. Настройка программы на конкретное.судно реализовалась.вводом в .модель. параметров судна-и,.ветродвюмь----

теля. Модельная оценка управляемости выбранного судна с ветродвижителем в условиях воздействия на него волнения и постоянного ветра выявила особенности влияния ветродвижителя на качество стабилизации судна на заданном курсе и на его маневры курсом.

АНОТАЦ1Я

За1чко СЛ. Вдосконалення методт керування суднами з вггрорушшми. -Рукопис. Дисертацш на здобутгя вченого ступеня кандидата техшчних наук. Спещальшсть 05.22.16 - Судноводшня. Одеська нацюнальна морська академЫ, Одеса, 2004 р.

У дисертацшнш робст розглянута актуальна проблема забезпечення без-пеки мореплавания суден з впроруциями, враховуючи Тх вплив на керова-н1сть судна в рпних умовах, особливо за наявносп хвилювання.

В робо-ri одержане диференщальне р1вняння руху судна з вггроруцпями по куту крену, як в лшшнш, так i в нелшшнш форм!, анашз piiuemui якого показав, що амщитуда бортового качання знижуеться пропорцшно величин! сили дрейфу. Тому в робот! була сформульована i виршена оптим1зацшна задача вибору кута установки вггрила, при якому досягаеться м1шмальна амплпуда бортового качання судна при заданих значениях зниження сили тяги вггрильного озброення.

В робот! була запропонована модельна оцшка керованосп судна, що використовуе вггрила, в умовах хвилювання. Як базова була вибрана ¡снуюча математична модель руху судна, яка була модершзована врахуванням сили тяги i сили дрейфу впрорушш. 3 и допомогою були виявлеш особливосп впливу впрорунш на яюсть стабшзацн судна на заданому Kypci i на його маневри курсом.

Ключов! слова: судно, в1трорушш, оптимальн1Сть, бортове качання, сили тяги i дрейфу, модельна оцшка керованосп.

THE SUMMARY

Zaichko S.I. Improvement of the control methods for sailing vessels.-Manuscript. Ph.D. Dissertation. Specialization -05.22.16- Navigation. Odessa National Maritime Academy, Odessa, 2003.

The problem concerning the provisions of safety of navigation of sail-driven vessels, including the influence of this propulsion type on steerability of the vessel in different conditions, especially in case of rough sea, was studied in this work.

The differential equation for determination of the vessel's movement in dependence on the heeling angle was obtained in this work in linear and non-linear form. Analyzing which showed that the rolling amplitude decreases in linear proportion to the drift force. That's why the problem of optimization of the sail's

set-up parameter calculation, in order to achieve the minimal roll amplitude in dependence on the given decrease of thrusting force of sail rigging, was set and successfully solved.

The model estimation of the steerability of the sailing vessel in rough sea conditions was proposed. Existing mathematical ship's movement model was chosen as the basis, which was then modified with the consideration of thrusting and drifting forces of the sail. The special features of influence of the sail on the quality of ship's heading stabilization, as well as their influence on ship's maneuvering, were determined.

Keywords: Vessel, sail, optimization, rolling, thrusting forces, drifting forces, model estimation of steerability.