авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Математическое моделирование работы винтового движителя при маневрировании судна

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Бажанкин Юрий Владимирович

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

РАБОТЫ ВИНТОВОГО ДВИЖИТЕЛЯ

ПРИ МАНЕВРИРОВАНИИ СУДНА

Специальность 05.22.19 – эксплуатация водного транспорта,

судовождение

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Н. Новгород – 2012

Работа выполнена в Федеральном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волжская государственная академия водного транспорта» (ВГАВТ, г. Нижний Новгород).

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Тихонов Вадим Иванович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Малышкин Александр Георгиевич;

кандидат технических наук

Шишкин Александр Алексеевич.

Ведущая организация: ФБОУ ВПО «Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф. Ушакова».

Защита диссертации состоится «21» февраля 2012 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д.223.001.01 при Волжской государственной академии водного транспорта по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, д. 5А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волжской государственной академии водного транспорта.

Автореферат разослан «____» января 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор А.Н. Ситнов

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Профессиональная подготовка судоводителя и безопасность плавания имеют четко выраженную связь. Эта зависимость хорошо видна из анализа транспортных происшествий.

Одним из самых эффективных способов повышения профессиональных навыков судоводителей является тренажерная подготовка. Для качественной подготовки судоводителей на специализированных тренажерах необходимы основанные на уравнениях движения судна математические модели, адекватно отражающие процессы динамического взаимодействия судового корпуса с окружающей его водой и с движительно-рулевым комплексом (ДРК). Без достаточно точного определения действующих на погруженную часть судового корпуса усилий, а также усилий, развиваемых ДРК, фигурирующих в математической модели, достижение адекватности и высокой степени имитации поведения судна становится проблематичным.

Исследованию действующих на судно гидродинамических усилий посвящены труды А.М. Басина, Я.И. Войткунского, В.В. Вьюгова, О.И. Гордеева, А.Д. Гофмана, В.Г. Павленко, Б.В. Палагушкина, Р.Я. Першица, Л.М. Рыжова, В.Г. Соболева, В.И. Тихонова, К.К. Федяевского и многих других отечественных и зарубежных ученых. Разработанные к настоящему времени В.И. Тихоновым аналитические методы определения инерционных и неинерционных усилий, действующих на погруженную часть судна, позволяют учесть индивидуальные геометрические особенности реального судового корпуса и, следовательно, адекватно смоделировать действующие на него силы и моменты этих сил.

В то же время задачи математического моделирования работы ДРК при маневрировании судна остаются до сих пор нерешёнными.

Таким образом, исследования, направленные на разработку методов адекватного моделирования усилий, развиваемых ДРК при маневрировании судна, тесно связаны с решением проблемы обеспечения безопасности судоходства на внутренних водных путях и являются весьма актуальными.

Цель работы. Целью диссертации является адекватное моделирование работы винтового движителя при маневрировании судна для повышения качества профессиональной тренажёрной подготовки судоводителей и снижения навигационной аварийности на внутренних водных путях.

Объект и предмет исследований. Объектом исследований является система корпус судна – движительно-рулевой комплекс, а предметом – усилия, развиваемые движительно-рулевым комплексом при маневрировании судна.

Методология исследования. При решении задач, поставленных в диссертационной работе, использованы методы математического моделирования физических процессов, методы математического анализа, методы аналитической механики, а также методы теории вероятностей.

Корректность аналитических методов определения линейной скорости и параметров работы винтового движителя при криволинейном движении судна проверена путём сопоставления результатов исследований с имеющимися данными натурных испытаний судов.

Научная новизна работы. Научную новизну диссертации составляют теоретические и экспериментальные исследования работы винтового движителя при маневрировании судна, в результате которых

обосновано постоянство значения коэффициента засасывания;

предложен способ оценки полезной тяги движителя при произвольном режиме его работы;

обоснована причина появления на гребном валу движителя дополнительного продольного усилия, возникающего при перекладке органов управления;

предложены математические выражения для оценки усилий, развиваемых винтовым движителем при криволинейном движении судна;

предложен способ определения линейной скорости и параметров работы винтового движителя при криволинейном движении судна.

Достоверность результатов. Достоверность результатов исследований автора подтверждается данными натурных испытаний судов.

Практическая ценность работы. Результатами исследований, обусловливающими практическую ценность диссертационной работы, являются аналитические методы определения линейной скорости и параметров работы винтового движителя при маневрировании судна.

Полученные автором результаты исследований представляют собой базу данных для математического моделирования управляемого движения судна на судоводительских тренажёрах.

Апробация работы. Результаты экспериментальных и теоретических исследований автора доложены, обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВГАВТ (2003–2007 г.г.), на международной научно практической конференции МК-1-47 «Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров», (г. Пенза, 2008 г.).

Реализация выполненных исследований. Результаты экспериментальных и теоретических исследований автора используются специалистами комплекса судовых тренажёров Управления конвенционной подготовки и повышения квалификации ВГАВТ для математического моделирования управляемого движения судов, а также при обработке испытаний маневренных качеств судов, выполняемых ООО «Астра НН» при участии автора.

Публикации. По теме диссертации автором опубликованы четыре работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из перечня основных условных обозначений, введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и пяти приложений. Общий объём работы составляет 177 страниц. Основная часть рукописи содержит 115 страниц, включая 2 таблицы, 13 рисунков и библиографию (102 наименования). В приложениях представлены характеристики десяти типов судов речного флота, результаты расчётов углов дрейфа, скоростей этих судов и параметров работы винтового движителя при маневрировании, а также документы, подтверждающие использование результатов исследований автора.

2. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертации, её научная и практическая значимость, сформулированы основные задачи исследования, приведена краткая характеристика разделов работы.

Первый раздел содержит анализ существующих методов определения гидродинамических усилий, действующих на корпус судна, а также усилий, развиваемых ДРК при маневрировании судна.

Рассмотрены характеристики криволинейного плоскопараллельного движения судна, а также уравнения, устанавливающие связь между действующими на судно усилиями и параметрами его движения.

Уравнения произвольного движения твёрдого тела в жидкости впервые были получены Г. Кирхгофом ещё в 1869 г., а впервые составлены и применены для анализа движения судна в 1949 г. А.М. Басиным. В 2007 г. эти уравнения были уточнены В.И. Тихоновым и для случая плоского движения судна на спокойной воде представлены следующим образом:

; (1)
; (2)
. (3)

В выражениях (1) – (3) обозначено:

– масса судна;

– присоединённые массы жидкости;

– присоединённый статический момент;

– момент инерции судна относительно вертикальной оси ;

– момент инерции присоединённых масс;

– проекции главного вектора приложенных к судну сил неинерционной природы на оси и подвижной системы координат;

– проекция главного момента приложенных к судну сил неинерционной природы на ось подвижной системы координат.

Проанализированы существующие методы определения величин , , , и . Отмечено, что для судов речного флота наиболее обстоятельные экспериментальные исследования присоединённых масс выполнены Б.В. Палагушкиным, а теоретические – В.И. Тихоновым.

На основе анализа динамического взаимодействия судна с окружающей жидкостью и условной замены реального судового корпуса его эквивалентным аналогом В.И. Тихонов получил следующие выражения для подсчёта коэффициентов присоединённых масс, учитывающие индивидуальные геометрические характеристики погруженной части судна:

; (4)
; (5)
, (6)

где , – коэффициенты полноты водоизмещения носовой и кормовой оконечностей судового корпуса;

, , – средние длины носовой и кормовой оконечностей, а также цилиндрической вставки корпуса;

, – коэффициенты полноты носовой и кормовой половин диаметрального батокса;

, – средние длины цилиндрической вставки в носовой и кормовой половинах корпуса;

– коэффициент полноты мидельшпангоута;

, – средние значения курсовых углов нормалей к ватерлиниям в носовой и кормовой оконечностях корпуса судна;

, , – средние значения снижения нормалей к поверхностям относительно нормалей к ватерлиниям в носовой и кормовой оконечностях, а также в области цилиндрической вставки корпуса судна;

; ; ; ; ; ; ; ; (7)

– расчетная длина судна.

Усилия неинерционного происхождения , и , действующие на подводную часть судового корпуса, принято именовать гидродинамическими характеристиками (ГДХ) судна и представлять в следующей форме:

; (8)
; (9)
. (10)

Здесь – безразмерные коэффициенты гидродинамических усилий;

– плотность жидкости;

– осадка судна.

Задача оценки ГДХ является одной из труднейших, поэтому, начиная с конца 40-х годов прошлого столетия, на разработку методов определения ГДХ были направлены усилия М.Я. Алферьева, Н.И. Анисимовой, А.М. Басина, Г.И. Ваганова, А.В. Васильева, Я.И. Войткунского, В.Ф. Воронина, В.В. Вьюгова, А.Д. Гофмана, В.Г. Павленко, Р.Я. Першица, Л.М. Рыжова, Г.В. Соболева, К.К. Федяевского и целого ряда других отечественных и зарубежных исследователей.

Отмечено, что наиболее обстоятельные исследования ГДХ выполнены В.И. Тихоновым. На основе анализа динамического взаимодействия судна с окружающей его жидкостью им были предложены следующие структурные выражения для определения гидродинамических характеристик и :

; (11)
; (12)
. (13)

Очевидно, что структурные формулы (11)–(13) достаточно полно и адекватно отражают реальное динамическое взаимодействие судна с жидкостью, поскольку включают в себя усилия, обусловленные циркуляционно-отрывным обтеканием корпуса (,,,,,), усилия вязкостной (,,) и волновой (,,) природы, а также дополнительные усилия (,,), обусловленные креном судна на циркуляции.

Путем условной замены реального судового корпуса его эквивалентным аналогом В.И. Тихонов получил следующие выражения для подсчёта коэффициентов ГДХ, учитывающие индивидуальные геометрические характеристики погруженной части судна:

; (14)
; (15)
. (16)

В формулах (14)–(16) обозначено:

– безразмерная масса судна;

, , , – безразмерные коэффициенты, зависящие от геометрических характеристик и особенностей обводов корпуса судна и угла крена ;

, – безразмерные коэффициенты, зависящие от геометрических характеристик и особенностей обводов корпуса судна и числа Фруда;

, – безразмерные коэффициенты вязкостного сопротивления воды продольному и поперечному движению судна;

– угол дрейфа;

– безразмерная угловая скорость.

Анализ существующих исследований усилий, развиваемых ДРК, позволил сделать вывод о том, что методов аналитического определения продольных составляющих усилий, развиваемых ДРК при криволинейном движении судна, в настоящее время не существует.

По результатам анализа существующих методов оценки действующих на судовой корпус гидродинамических усилий и продольных усилий, развиваемых ДРК при криволинейном движении судна, сформулирована цель и определены основные задачи диссертационной работы.

Второй раздел диссертации посвящен исследованию усилий, развиваемых ДРК при прямолинейном движении судна.

Рассмотрены основные положения теории изолированного идеального движителя. Его упор определяется известным выражением:

, (17)

где – площадь гидравлического сечения движителя;

– скорость поступательного перемещения движителя;

– осевая вызванная скорость.

При работе движителя вблизи судового корпуса появляется дополнительная сила, которая действует на корпус судна в сторону, противоположную перемещению последнего, вызывая возрастание сопротивления воды движению судна. Такое дополнительное сопротивление принято называть силой засасывания. Сила засасывания определяется как разность между упором движителя, работающим за корпусом судна, и полезной тягой, то есть

. (18)

Тогда коэффициент засасывания может быть определён как отношение силы засасывания к упору движителя

. (19)

Для определения полезной тяги, развиваемой движителем при прямолинейном движении судна, используется известная зависимость:

. (20)


Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.