WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Авторефераты по темам  >>  Разные специальности - [часть 1]  [часть 2]

ИССЛЕДОВАНИЕ УПРАВЛЯЕМОСТИ СУДОВ ПРИ ЗНАКОПЕРЕМЕННЫХ ПЕРЕКЛАДКАХ СРЕДСТВ УПРАВЛЕНИЯ

Автореферат кандидатской диссертации

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Нижегородский государственный технический университет

имени Р.Е. Алексеева

 

На правах рукописи

 

КОСТЮНИН  АЛЕКСАНДР  СЕРГЕЕВИЧ

 

 

ИССЛЕДОВАНИЕ УПРАВЛЯЕМОСТИ СУДОВ

ПРИ ЗНАКОПЕРЕМЕННЫХ ПЕРЕКЛАДКАХ

СРЕДСТВ УПРАВЛЕНИЯ

 

Специальность 05.08.01 – Теория корабля и строительная механика

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

         

 

 

Нижний Новгород

2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном             образовательном учреждении высшего профессионального образования     «Нижегородский государственный технический университет имени               Р.Е. Алексеева» на кафедре «Теория корабля и гидромеханика».

Научный руководитель                  доктор технических наук, профессор

Ваганов Александр Борисович

Официальные оппоненты              доктор технических наук, профессор

Панов Алексей Юрьевич

кандидат технических наук, доцент

Чебан Егор Юрьевич

Ведущая организация                     ОАО «Конструкторское бюро по

проектированию судов «Вымпел»,

г. Нижний Новгород

Защита состоится 23 мая 2012 г. в 14 часов в аудитории 1258 на заседании диссертационного совета Д212.165.08 при Нижегородском государственном техническом университете имени Р.Е. Алексеева по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского      государственного технического университета имени Р.Е. Алексеева.

Автореферат разослан «___»_______________2012 г. 

 

Ваш отзыв на автореферат с подписями, заверенными печатью, просим направлять на имя Ученого секретаря диссертационного      совета Д212.165.08 по адресу 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

 

 

 

Ученый секретарь  

диссертационного совета  Д212.165.08,

доктор технических наук                                                                  Е.М. Грамузов


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. По определению Р. Я. Першица судно как управляемая система обладает маневренными свойствами, которые проявляются в процессе его движения. Маневренные свойства состоят из управляемости и маневренности. Управляемостью называется способность судна двигаться по выбранной судоводителем или заданной траектории. Маневренностью называют способность системы менять элементы движения с некоторой достижимой скоростью. Управляемость характеризует преднамеренное изменение управляемой координаты в нужном судоводителю направлении без учета скорости этого изменения, определяемой маневренностью. Таким образом, управляемость определяет принципиальную возможность совершения судном заданного движения, маневренность же определяет возможность обеспечения должной скоротечности в изменении параметров этого движения.

Управляемость судна обеспечивается достаточной эффективностью средств управления. Маневренность обеспечивается, кроме того, эффективным законом угла перекладки рулей.

Если мерой управляемости судна служит угловая скорость вращения на установившейся циркуляции при определенных значениях угла перекладки рулей, то можно сказать, что мерой маневренности должно будет являться угловое ускорение при определенном законе изменения угла перекладки рулей.

Качество управления судном при движении будет определяться:

- обеспеченностью удержания судна в поле допускаемых отклонений относительно заданной траектории;

- выполнением критериев работоспособности рулевых и движительных линий средств управления движением;

- обеспечением экстренного изменения параметров траектории;

- минимально достаточным уровнем энергетических затрат на управление судном.

Несмотря на значительное число работ, проблемы управляемости и маневренности судов как сложной технической системы в настоящее время не получили исчерпывающего решения. Практика эксплуатации показала, что возникает достаточно много затруднений, сбоев и даже аварийных ситуаций по причинам, относящимся к управляемости и маневренности:

- недостаточная эффективность средств управления;

- сложные путевые и эксплуатационные условия;

- большие габаритные размеры крупных судов и особенно составов;

- неизбежные субъективные ошибки судоводителя;

- возникновение ситуаций замедленной маневренности судна;

Ситуации замедления изменения угловой скорости и случаи невыхода судна из циркуляции представляют научный интерес для оценки маневренных свойств судна при знакопеременных перекладках рулей с изменением знака и значения угловой скорости вращения.

Маневры, для совершения которых требуются неоднократные знакопеременные перекладки рулей на значительные углы:

1) Движение по сложному извилистому судовому ходу.

2) Оборот, одерживание, поворот на новый курс.

3) Расхождение судов на встречных курсах и при угрозе столкновения.

4) Различные операции в открытом море (например, швартовки на ходу).

Во всех случаях движения судна по сложной траектории судоводитель не может точно установить момент начала перекладки рулей, назначить величину угла перекладки, чтобы одной перекладкой рулей достичь желаемых результатов. Требуется неоднократное выполнение корректирующих знакопеременных перекладок рулей для успешного выполнения маневра.

Каждый такой маневр судна имеет начальные условия, эволюционное изменение параметров движения после перекладки рулей и имеет продолжение в дальнейших действиях судоводителя при движении судна по судовому ходу.

Особенностью управления движением судна является то, что судоводителю после принятия решения и выполнения перекладки руля необходимо ожидать достаточно продолжительное время реакцию судна на перекладку, прежде чем оценить при глазомерном способе управления соответствие характеристик движения требуемым параметрам судового хода. В ряде случаев могут образовываться ситуации ухудшения маневренности: неприемлемо малое значение углового ускорения в течение длительного времени при сохранении значительной угловой скорости прежнего направления, приводящее к чрезмерным отклонениям судна по курсу и  поперечным смещениям.

Подводя итог выше сказанному, видим, что ухудшение маневренности судна при знакопеременных перекладках рулей может происходить в следующих случаях:

1. Маневры, содержащие «одерживание» как составную часть, при выполнении которых затруднена или невозможна смена направления вращения судна (например, выход из циркуляции).

2. При обеспечении движения судна прямым курсом – зигзагообразные маневры.

Это явление присуще каждому неустойчивому на курсе судну.

В данной работе рассматриваются вопросы, относящиеся как к теории корабля, так и к теории судовождения. Следует отметить значительный вклад в теорию корабля и в теорию судовождения по рассматриваемому вопросу таких ученых, как Гофман А.Д., Першиц Р.Я., Павленко В.Г., Федяевский К.К., Соболев Г.В., Соларев Н.Ф. и др., научные достижения которых применены в диссертационной работе.

Предыдущие исследователи в основном изучали данную проблему при небольших углах перекладки средств управления и не дали объяснения сути явления ухудшения управляемости достаточного с точки зрения теории корабля.

В данной работе проведено исследование явления ухудшения управляемости и маневренности судов при различных знакопеременных углах перекладки средств управления, объяснена суть явления с точки зрения теории корабля, предложена количественная оценка эффекта ухудшения  маневренности, проведены натурные испытания двух морских судов, даны рекомендации проектировщикам и даны обширные рекомендации  судоводителям.

Цель работы:

Исследование управляемости, способов и средств управления судном, обеспечивающих судоводителю потенциальную возможность эффективной и безопасной проводки судна по сложному извилистому судовому ходу.

Задачи работы:

1. Разработка математической модели управляемости и маневренности судна и программы для ПЭВМ, необходимых для проведения исследования нестационарных знакопеременных маневров судов.

2. Определение типичных знакопеременных маневров судна, параметры которых могли бы охарактеризовать степень ухудшения маневренности и возможных последствий.

3. Исследование ситуаций ухудшения маневренности судна на перекладку руля при выполнении знакопеременного маневра. Установление причин и выработка эффективного закона перекладки рулей для рекомендаций судоводителю.

4. Выработка рекомендаций проектантам судов при выборе типа и характеристик средств управления судном при необходимом учете свойств маневренности.

Объект научного исследования. Объектом научного исследования являются водоизмещающие суда, являющиеся неустойчивыми на прямом курсе.

Предмет научного исследования. Предметом научного исследования являются характеристики и свойства управляемости и маневренности судна при знакопеременных перекладках органов средств управления.

Методы исследования. В ходе выполнения исследований применялись следующие методы:

- методы теории корабля в области управляемости судов;

- методы теории судовождения в части обоснования закона перекладки рулей и действий рулевого;

- экспериментальные методы исследования управляемости и маневренности судов;

- численные методы интегрирования систем дифференциальных уравнений;

- элементы математического анализа и вычислительной математики при обработке данных натурных испытаний;

Математические модели разрабатывались до уровня создания программы для расчета на ПЭВМ.

Научная новизна. В итоге выполнения работы получен ряд новых научных результатов:

- предложена новая методика, основанная на законах гидромеханики, по объяснению сути (причин) ухудшения маневренных свойств судна при знакопеременных перекладках средств управления и прогнозирования степени проявления;

- предложена новая методика выполнения проверочных расчетов маневренности судна, реализованная в программе для ПЭВМ;

- приведены рекомендации судоводителю (рулевому) при выполнении знакопеременных маневров (одерживание, оборот, зигзаг, поворот на новый курс) при назначении углов перекладки рулей и режима работы главных двигателей;

- приведены рекомендации проектанту при обосновании характеристик средств управления судном.

- дана новая методика проведения натурных экспресс-исследований маневренности судна при выполнении знакопеременных маневров, дополняющая стандартную методику Регистра.

Основные положения, выносимые на защиту:  

- методика теоретических исследований по обоснованию расчетных ситуаций ухудшения маневренных свойств судна при знакопеременных перекладках рулей и способов преодоления возникающих проблем;

- методика теоретических исследований знакопеременного маневра «оборот»;

- методика теоретических исследований зигзагообразных маневров;

- методика оптимизации способов перекладок рулей при движении прямым курсом;

- методика перекладки рукояток управления двигателями при выполнении знакопеременного маневра;

- методика учета маневренных свойств судна при выборе проектантом типа и характеристик средств управления.

Практическое значение. Обоснованы причины ухудшения маневренных свойств судна при знакопеременных перекладках рулей и даны рекомендации судоводителю по выбору способов реагирования рулем и рукоятками двигателей для преодоления возникших затруднений. Проектантам предложен способ выбора типа и основных характеристик движительно-рулевого комплекса, снижающий отрицательные свойства замедления ускорения при знакопеременных перекладках рулей.

Достоверность. Достоверность результатов исследования обеспечивается использованием известных и апробированных методик при разработке математической модели маневренности судна и подтверждается натурными испытаниями управляемости и маневренности, проведенными автором диссертации.

Обоснованность научных положений, достоверность выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается представленными в работе тестовыми расчетами.

Реализация работы. Результаты работы внедрены в ОАО «Конструкторское бюро по проектированию судов «Вымпел» и в учебный процесс Нижегородского государственного технического университета имени Р.Е. Алексеева.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались:

- на Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 75-летию факультета морской и авиационной техники Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева «Современные технологии в кораблестроительном и авиационном образовании, науке и производстве», Нижний Новгород, 17-20 ноября 2009 г.

- на X Международной молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки», Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, Нижний Новгород, 13 мая 2011 г.

Публикации. По результатам исследований, представленных в диссертационной работе, опубликовано 7 научных работ, в том числе 3 статьи опубликованы в ведущих рецензируемых изданиях рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и рисунков. Она содержит 194 страницы машинописного текста, 22 таблицы, 172 рисунка, библиографию из 103 наименований, в том числе 2 на иностранных языках.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность исследований, изложены цель, задачи и научная новизна.

В первой главе выполнен аналитический обзор математических моделей управляемости и маневренности судна. Производится  аналитический обзор исследований знакопеременных маневров. Данный вопрос исследовали Р.Я. Першиц, Н.Ф. Соларев, А. Ф. Видецкий, М.И. Фейгин, М.А. Каган М.А., М.М. Чиркова , Т.И. Гаврилова и др.

Математическая модель управляемого движения судна, как системы, представляет совокупность дифференциальных и алгебраических уравнений, описывающих динамику или состояние его подсистем.

Для исследования управляемости можно осуществить декомпозицию судна на следующие подсистемы, как это показано на рисунке 1.

Рис.1. Декомпозиция судна на подсистемы.

Рассмотрены и проанализированы математические модели различных авторов. В качестве характеристики конкретной модели приняли то, как определяются безразмерные коэффициенты , :

- Модель Першица Р. Я.

- Модель Соболева Г.В.

- Модель  Гофмана А. Д.

- Модель японских исследователей.

- Модель Павленко В.Г.

Проведено обоснование математической модели управляемости и маневренности судна, необходимых для проведения исследования нестационарных знакопеременных маневров судов:

- Общая структура математической модели.

- Определение инерционных характеристик корпуса судна.

- Классификация внешних сил и моментов, действующих на судно.

- Обоснование метода определения гидродинамических сил неинерционной природы, действующих на корпусе судна при криволинейном движении.

- Обоснование метода определения аэродинамических сил воздействия ветра на надводную поверхность судна.

- Математическая модель комплекс движитель-двигатель.

- Гидродинамические силы, создаваемые гребным винтом.

- Гидродинамические силы, создаваемые рулем и  комплексом винт-поворотная насадка-стабилизатор.

Во второй главе обоснована расчетная система дифференциальных уравнений управляемости и маневренности судна:

                                                    (1)

                   

                    

                                               

                              

Уравнения движения представлены в виде задач Коши для системы обыкновенных нелинейных дифференциальных уравнений.

Обоснованы принципы построения программы управляемости судна. Реализация математической модели маневренности судна осуществлена на ПЭВМ в форме комплекса подготовительных, вспомогательных и расчетных программ. Приведены подготовительные расчеты на примере базового судна (близкое к грузовому судну проекта 19610), описана работа программы движения судна и проведена тестовая проверка программы.

В третьей главе проведено исследование свойств маневренности судна при знакопеременных перекладках рулей.

Познавательный анализ возможного ухудшения маневренности судна при знакопеременных перекладках рулей осуществим с помощью третьего уравнения движения математической модели управляемости судна (1), для которой приняты некоторые допущения. Поскольку при маневрировании главным является вращение судна вокруг вертикальной оси, эффективность управляющего воздействия оцениваем по изолированному третьему  уравнению. Управляемое вращательное движение судна обеспечивается активной ролью нагрузок: ; .

Гидродинамический момент на корпусе судна представим в виде суммы позиционного  и демпфирующего (вращательного)  моментов. Для неустойчивых на курсе судов знак позиционного момента совпадает со знаком угла дрейфа . Знак демпфирующего момента противоположен знаку угловой скорости вращения .

Общее управляющее воздействие оценим в виде результирующего момента  от гидродинамических моментов на корпусе судна и рулях:

        (2)

Введем величину  - эффективное потерянное управляющие воздействие:

,                                                 (3)

а также величину эффективного угла атаки руля :

.                                                             (4)

Угол  будет определять уровень эффективного управляющего вращательного воздействия на корпус судна.

Тогда дифференциальное уравнение вращения судна принимает такой вид:

.                                                 (5)

Угловое ускорение будет равно нулю, при равенстве:

     или      .                                (6)

Равенства (6) выполняются на кривой  диаграммы управляемости. В других точках поля диаграммы управляемости свободное судно должно совершать вращение с ускорением.

Вытекает вывод - кривую  можно использовать при геометрической иллюстрации одерживания судна в качестве нулевой линии отсчета эффективного угла атаки руля , откладываемого в виде отрезка в сторону второй перекладки, как это показано на рисунке 2:

Угол  определяет уровень задаваемого управляющего воздействия и отсчитывается от нуля угла шкалы рулевой машины. Угол  определяет величину потерянного управляющего воздействия из-за потерянного угла атаки руля  и действия моментов и  на корпусе. Эффективный угол атаки руля откладывается от кривой  от точки  в сторону второй перекладки руля .

Рис. 2. Иллюстрация эффективного угла атаки руля

Рассмотрим период одерживания судна и изменение при этом. Множитель , или точнее будет медленно меняющейся пропорционально изменению линейной скорости движения судна функцией времени. Отсюда следует, что угловое ускорение  при выполнении одерживания будет изменяться в главном пропорционально . Судно с течением времени будет замедлять вращение  (< 0), двигаясь из точки  в точку . Угловая скорость и угол дрейфа уменьшаются, вследствие чего изменяется  и уменьшается , достигая в точке А(-) минимума. Следовательно, угловое ускорение  также в окрестности точки А(-) будет иметь минимум. При приближении , угол , ; и  - угловая скорость имеет конечное значение со знаком прежнего направления ( - первый критический угол перекладки руля). Таким образом, образуется останов судна по ускорению вращения  или потерю маневренности судном.

Проверка данных рассуждений осуществлена с помощью полной математической модели (1) на ПЭВМ. В качестве расчетного базового маневра принята циркуляция при максимальном угле перекладки рулей и выход из нее с намерением продолжения движения прямым курсом. При выполнении такого маневра  кроме установившейся циркуляции выделяется период одерживания и в последующем знакопеременные корректирующие перекладки рулей. Величины корректирующих перекладок рулей приняты малыми, незначительно превосходящими критический угол перекладки. Протяженность эволюционных участков траектории будем выдерживать до наступления установившейся циркуляции. Таким способом получаем переходы судна из установившихся знакопеременных циркуляций, которые определяются только значением угла перекладки рулей, и на такие маневры не оказывают влияние психофизические особенности рулевого.

На диаграмме рисунка 3 приведены зависимости угловой скорости вращения судна от времени, соответствующие углам обратной перекладки рулей .

 

 


Рис. 3. Зависимость угловой скорости от времени

На данной диаграмме видна область, в которой существенно замедляется угловое ускорение . При  угловая скорость не меняет знак и судно продолжает вращение в прежнем направлении со значительной скоростью. Характер этой диаграммы убедительно подтверждает существование зоны пониженной маневренности для неустойчивого на курсе судна.

Также проведено моделирование знакопеременных циркуляций с помощью программы для ПЭВМ при углах перекладки руля =1°; 2,3°; 2,4°; 3°; 5°; 10°; 15°; 20°; 25°; 30°; 35°. Построена диаграмма управляемости и определен первый критический угол перекладки руля . Также построены графики, характеризующие изменение параметров движения корпуса и сил средств управления: ,,, , ,, , , , , , , , , , , , где: - угол курса, - угол перекладки рулей, - относительная угловая скорость, - относительная скорость,  - коэффициент поперечной силы рулей,  - коэффициент поперечной силы на корпусе,  - коэффициент момента на корпусе,  - коэффициент рулевого момента.

Данные графики также подтверждают наличие зоны замедления маневренности при выполнении перехода из циркуляции правого борта в циркуляцию левого борта. Форма кривых  полностью соответствует кривым  (рисунок 4) и в явном виде показывает замедление углового ускорения.

 


Рис. 4 . Зависимость , , = ±5°

Это подтверждает сделанные в познавательной модели заключения о характере вращения судна при одерживании. Замедления маневренности тем больше, чем ближе угол перекладки руля  к критическому углу перекладки руля .

В результате анализа графиков был введен параметр  (время замедления маневренности) - расстояние между двумя экстремумами графика  после перекладки руля на противоположный борт. Данный параметр характеризует степень ухудшения маневренных свойств судна при разных углах перекладки руля. Значение параметра  уменьшается с увеличением угла перекладки руля . Следовательно, чем больше угол  перекладки руля , тем меньше ухудшается маневренность. Зная значения параметра  при разных углах перекладки руля , судоводитель сможет назначить такое значение угла обратной перекладки руля, при котором судно будет осуществлять смену направления вращения с заданной скоротечностью.

Обращает внимание характер фазовой траектории  при выполнении данного знакопеременного маневра, приведенной на рисунке 5. Судно обладает разной степенью инерционности, сопротивляемости и уровнем управляющего воздействия по поперечному движению и по вращению корпуса. Это проявляется в том, что изменение угловой скорости вращения при перекладках рулей происходит быстрее, чем изменение угла дрейфа.

 

 

 

 

 


Рис. 5. Зависимость ,  = ±5°

При обратной перекладке рулей изменение знака рулевого момента и более быстрое уменьшение угловой скорости вращения приводят к относительному возрастанию роли позиционного момента на корпусе, стремящемуся сохранить прежнее направления вращения. Это наблюдается на совместно построенных графиках  и   в эволюционном периоде обратной циркуляции.

При неблагоприятном стечении погодных условий ветер может скомпенсировать (изменить величину) рулевой момент и рулевую силу. Чтобы понять, как будет вести себя судно в данной ситуации, с помощью программы для ПЭВМ был смоделированы маневр одерживание при скомпенсированном рулевом моменте и маневр одерживание при скомпенсированной рулевой силе.  Также по полученным данным были построены аналогичные графики. Данные графики также подтверждают наличие зоны замедления маневренности при выполнении перехода из циркуляции правого борта в циркуляцию левого борта.

Замедления маневренности проявились в большей степени, чем на тихой воде. Первый критический угол перекладки руля для этого судна со скомпенсированным рулевым моментом стал равен =15°, а для судна со скомпенсированной рулевой силой равен =5°.

Судоводитель должен знать аналогичные характеристики своего судна и назначать перекладку руля с запасом и быть готовым переложить руль на угол, превышающий  или . Также судоводитель должен понимать, что при неблагоприятном направлении ветра судно будет совершать маневр значительно медленнее, чем в обычных условиях. Оценивать степень ухудшения маневренности при неблагоприятных погодных условиях можно с помощью параметра   в зависимости от угла перекладки руля .

В четвертой главе проведено исследование маневренности судна при зигзагообразных движениях. Для проверки ситуаций замедленной реакции судна на перекладку руля при выполнении знакопеременных маневров был выбран так называемый «зигзаг Кемпфа», в котором роль судоводителя минимальна. Этот маневр является частью стандартных испытаний маневренности судов и позволяет оценить быстроту реакции судна на перекладку рулевого органа. Для базового судна проведены систематические расчеты зигзага при варьировании ==±3°; ±5°; ±7,5°; ±10°; ±15°; ±20°.

Анализ результатов расчета показывает, что применение технологии управления судном по типу «зигзага Кемпфа» с параметрами () по критериям потери средней скорости и ширины занимаемой полосы судового хода имеет оптимум. Оптимальным для базового судна оказались  =7,5о - 10°. При меньших углах  отрицательное влияние оказывает замедление маневренности, а при больших  - избыточное управляющее действие рулей. При дальнейшей оптимизации движения судна получен вариант зигзага с  параметрами =100 и  . Выполнен расчет такого зигзага. Параметры движения для данного варианта действий судоводителя приведены на рисунке 6.

 


Рис. 6. Зависимости параметров зигзага (=10°; =3)

В технологии «маневра Кемпфа» следующая перекладка руля начнется, когда угол курса сменит знак и его величина превысит . До этого момента корпус будет поворачиваться влево, набирая угловую скорость вращения под действием рулевого момента и позиционного момента, который также будет действовать влево, поскольку угол дрейфа вскоре после прохождения точки С сменил знак с положительного на отрицательный. Происходит своеобразный разгон по вращению до точки D(А) инерцию которого после принятия судоводителем решения об обратной перекладке руля по условию () вновь придется гасить рулевым моментом.

С точки зрения устойчивости движения судна на прямом курсе, накопленную на этом этапе кинетическую энергию следует считать вредной и ее следует минимизировать.

Для этой цели решение об обратной перекладке руля следует принять раньше, например, после смены знака угловой скорости по достижении ей некоторого минимально достаточного значения . Как показывает рассмотрение фазовой траектории  значение можно принять по моменту смены знака угла дрейфа, чтобы не получить возврата судна к прежнему направлению вращения. Определено по фазовому графику , что для базового судна = 0,078.

Можно рекомендовать «неопытному рулевому» в этот момент положить рули в ДП или . Это приведет в дальнейшем к уменьшению угловой скорости вращения корпуса. Продолжая вращение корпуса влево, угол курса достигнет значения () и тогда уже рули перекладывать на правый борт из нуля в положение . Как показали результаты расчета, данный закон знакопеременных перекладок рулей приводит к существенному увеличению средней скорости движения судна и к уменьшению занимаемой ширины судового хода.

Оценены параметры «зигзага Кемпфа» при совершении поворота судна по курсу. Угол поворота генерального курса приняли 30° на правый борт. Параметры зигзага приняли следующими:

1. ±=5°; ±=3° - зигзаг с малой амплитудой перекладки рулей;

2. ±=10°; ±=3°- зигзаг с оптимальной амплитудой перекладки.

Выполнен расчет данного маневра. В точке А принималось решение о повороте с курса =0° на новый курс =30° (рис.7). При этом (от точки А до точки В) значение  отсчитывалось от =30°. В точке В принималось решение о возвращении на прежний курс =0°. Перекладки рулей  осуществлялись так же, как и на прямом курсе.

 


Рис. 7. Параметры зигзага при повороте (±=10°; ±=3°)

Анализ результатов расчетов показал, что 2-й зигзаг более четко выражен и может быть рекомендован судоводителю. Первый зигзаг из-за замедления маневренности характеризуется большими амплитудами отклонения по курсу и как бы размыт, занимая широкую полосу судового хода.

Можно сказать, что данный маневр (уход с курса зигзагом) моделирует движение судна при следовании по реке в месте поворота русла, при этом управляет судном, естественно, рулевой, а не авторулевой. Мы попытались найти оптимальный способ управления судна с точки зрения теории корабля.

Также определены параметры «зигзага Кемпфа» при изменении режима работы главных двигателей судна. Оценивалось влияние перекладок рукояток управления двигателями из положения «полный вперед» в положение «малый вперед» и затем в обратном порядке из положения «малый вперед» в положение «полный вперед» в различные этапы маневра.

Выполнен расчет данного маневра. В точке А принималось решение о переводе рукояток двигателей из положения «полный вперед» в положение «малый вперед». В точке В принималось решение о возвращении рукояток в прежнее положение «полный вперед». Перекладки рулей  осуществлялись так же, как и на прямом курсе.

Установлено, что резкое уменьшение частоты вращения гребного винта существенно увеличивает величину максимального угла курса  и максимального поперечного смещения . Увеличение частоты вращения гребного винта, наоборот, уменьшает величины максимального угла курса  и максимального поперечного смещения .

Объясняются эти явления следующим образом: при быстром уменьшении частоты вращения ГВ соответственно уменьшается рулевая сила и рулевой момент, но гидродинамический момент на корпусе судна не может быстро уменьшиться, поскольку он определяется медленно меняющейся скоростью судна. Наблюдается относительное возрастание момента сопротивления корпуса над рулевым моментом.

Вышеизложенную информацию судоводители могут использовать при возникновении нештатных ситуаций (например, внезапный останов или снижение мощности двигателя).

В пятой главе описаны натурные исследования маневренности двух морских контейнеровозов с целью определить на реальном судне зоны ухудшения маневренности при выполнении знакопеременных перекладок рулей, а также получить необходимую информацию о движении судна для проверки адекватности математической модели управляемости.

Испытания проводились автором работы на морском контейнерном судне NYK Floresta в Тихом океане  в июне 2009 года и на морском контейнерном судне Laura Schulte в Атлантическом океане 25 декабря 2010.

Испытания проводились следующим образом: на движущемся судне руль попеременно перекладывался на правый борт и на левый борт на различные углы. В ходе испытаний с помощью цифровой видеокамеры фиксировались показания гирокомпаса и индикатора угла перекладки руля.

По результатам испытаний строились графики зависимости угла курса от времени ,. Затем в программе MathCad подбирался степенной полином , огибающий график функции , далее бралась первая и вторая производная полинома и строились графики  и . Для примера, график  для судна Laura Schulte показан на рисунке 8.

 


Рис. 8. Зависимости , , при  = ±8°

Особенно хорошо можно различить зону ухудшения маневренности на графике . Ухудшение маневренности проявляет себя уменьшением значения углового ускорения и увеличением времени одерживания. Чем меньше угол перекладки, тем больше ухудшается маневренность. Данные суда с небольшими первыми критическим углами перекладки руля также имеют хорошо выраженную зону ухудшения маневренности, которая может оказать влияние на безопасность судовождения.

Для оценки величины обнаруженной зоны ухудшения маневренности используем параметр  (время замедления маневренности). Также как и при теоретическом исследовании базового судна, для реальных судов параметр  уменьшается с увеличением угла перекладки.

С целью дальнейшей проверки математической модели маневренности и исследования явлений ухудшения маневренности были разработаны математические модели движения этих судов NYK Floresta и Laura Schulte. Расчеты с помощью этих моделей также показывают наличие и границы зоны ухудшения маневренности, что позволяет сделать вывод об адекватности разработанной математической модели.

Необходимый учет свойств знакопеременных маневров при  проектировании средств управления судном. Одной из основных задач проектирования судна является обоснованный выбор типа главных средств управления (ГСУ) и их основных характеристик. Решение задачи предполагает установление количественных характеристик всех качеств управляемости судна - критериев управляемости.

Обратим внимание на критерий устойчивости: это  при . Рулевой при управлении судном должен перекладывать руль на углы, превышающие . При увеличении  угловая скорость вращения судна существенно возрастает. Следовательно, даже при минимально возможных перекладках рулей  значительно отличается от критерия устойчивости. Это не ведет к безопасному судовождению и наводит на мысль о корректировке значения критерия устойчивости.

Часто используемый рулевыми минимальный угол перекладки руля около 5°, поэтому предлагаем так скорректировать форму диаграммы управляемости, чтобы значение критерия устойчивости выполнялось при  (или =5°). При этом критерий поворотливости ( при ) должен сохранить прежнее значение. Это позволит получить значения угловой скорости при  значительно ниже, чем при стандартном способе выбора критерия устойчивости.

Осуществить желаемое изменение формы диаграммы управляемости можно за счет изменения баланса поворачивающих и одерживающих свойств рулей. Функция одерживания руля для судоводителя также важна при знакопеременных перекладках рулей, как и функция поворота.

Руль имеет не одинаковые способности поворачивающего и одерживающего свойств. Это следует из выражения для угла атаки руля:

.                                                       (7)

Рулевую силу можно представить так:

;

;                                                                 (8)

.

Составляющая  и  не равноценны по отношению к изменениям  и . Изменение поворачивающей силы  на руле пропорционально , а изменение одерживающей силы  будет пропорционально  с коэффициентом пропорциональности  < 1.

Если >и ( < ) - имеем поворачивающее действие руля. Здесь желательно иметь меньшее значение коэффициента  для увеличения поворотливости.

Если же < и ( > ) - имеем одерживающее действие руля. Здесь желательно иметь большее значение коэффициента  для увеличения устойчивости на курсе и для одерживания.

При прямолинейном движении  и коэффициент . При циркуляции коэффициент  уменьшается с увеличением  и  из-за падения скорости судна. Следовательно, при выполнении циркуляции судном падает одерживающее свойство ДРК и увеличивается поворачивающее свойство.

Можно сделать такое утверждение: чем меньше , тем более валким становится судно при входе в циркуляцию при перекладках руля, и тем труднее будет выполняться маневр «одерживание».

Коэффициент  можно назвать коэффициентом чувствительности ДРК к изменению угла скоса натекающего на него потока

Предпочтения проектанта поворачивающей или одерживающей способностям руля в определенной мере должны быть соотнесены с характеристиками диаграммы управляемости.

Можно рекомендовать такое выражение для коэффициента  при второй критической циркуляции (без рулей):

.                                                       (9)

Коэффициент  является собирательной величиной: его величина определяется величинами коэффициента влияния корпуса  и коэффициента влияния гребного винта . У проектанта есть способы добиться желаемого значения . Например, можно усилить одерживающую функцию ДРК за счет применения дополнительных рулевых комплексов с высоким значением коэффициента . Такими ДРК являются рули, установленные за кормой корпуса. Это приведет к повышению маневренности и устойчивости судна на курсе.

Необходимый учет свойств знакопеременных маневров при судовождении.

С целью снижения негативных последствий ухудшения маневренности можно предложить судоводителям следующее:

- Применять для проводки судна математическую модель движения и компьютерную программу. Для конкретного судна нужно проводить компьютерное  моделирование знакопеременных маневров.

- Определить с помощь математической модели движения судна первый критический угол перекладки руля , второй критический угол перекладки руля , первый критический угол перекладки руля для судна со скомпенсированным рулевым моментом , первый критический угол перекладки руля для судна со скомпенсированной рулевой силой . На основании полученных данных определить приемлемое значение  для уверенного выполнения маневра. Доступно в эксплуатационных условиях проверить границы ухудшения маневренности.

- Иметь в виду, что из-за неблагоприятных внешних условий может быть скомпенсирована рулевая сила или рулевой момент. И это значит, что первый критический угол перекладки может возрасти с  до  или даже до .

- Смоделировать с помощью математической  модели  зигзагообразное

движение судна и определить наиболее оптимальный закон перекладки руля.

- Смоделировать поведение судна при движении по извилистому руслу реки при возникновении нештатных ситуаций (например, падение оборотов двигателя).

- Смоделировать другие важные маневры (расхождение, уклонение и др.), и определить наиболее оптимальные законы перекладки руля.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Результатами выполненной диссертационной работы являются:

1. Разработана математическая модель управляемости и маневренности судна при знакопеременных перекладках средств управления.

2. Создана программа для ПЭВМ, необходимая для проведения исследования маневренных свойств судна.

3. Установлены характерные знакопеременные маневры судна, при которых возможно ухудшение маневренных свойств.

4. Выяснены гидродинамические причины ухудшения маневренных свойств судна при знакопеременных маневрах.

5. Установлен параметр (превышение угла обратной перекладки рулей над критическим углом), позволяющий обеспечить заданную скоротечность маневра.

6. Разработана методика проведения проверочных исследований маневренных свойств судна на ПЭВМ.

7. Разработана методика определения границ зоны ухудшения маневренных свойств судна при неблагоприятных внешних условиях.

8. Разработана методика оценки влияния начальных условий выполнения маневров, а также перекладок органов управления двигателями.

9. Обоснована методика оптимизированного способа перекладки рулей при зигзагообразном движении на прямом курсе при ручном управлении.

10. Проведены натурные испытания двух морских контейнеровозов и представлены результаты испытаний, подтверждающие наличие зон ухудшения маневренности.

11. Выработаны рекомендации по учету свойств маневренности судна при обосновании характеристик средств управления судном.

12. Выработаны рекомендации судоводителям по предупреждению негативных последствий ситуаций ухудшения маневренных свойств судна.

 

 

 

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ

ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК РФ:

1. Костюнин, А.С. Маневренность судна при знакопеременных перекладках рулей / А.Б. Ваганов, П.В. Гуров, А.С. Костюнин // Вестник Иркутского государственного технического университета. – Иркутск: ИрГТУ, 2011. - №4 (51). - С. 66-71

2. Костюнин, А.С. Анализ результатов натурных исследований маневренности судов / А.Б. Ваганов, А.С. Костюнин // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. – Астрахань: АГТУ, 2011. - №2. - С. 59-64.

3. Костюнин, А.С. Анализ ухудшения маневренности судна при знакопеременных перекладках рулей / А.Б. Ваганов, П.В. Гуров, А.С. Костюнин, К.Е. Сазонов // Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. – СПб: ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, 2012. - №66. - С. 33-42.

Публикации в других изданиях:

4. Костюнин, А.С. Анализ управляемости судна при выполнении зигзагообразных маневров / А.Б. Ваганов, П.В. Гуров, И.В. Емелина, А.С. Костюнин // Современные технологии в кораблестроительном и авиационном  образовании, науке и производстве: Доклады Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 75-летию факультета морской и авиационной техники Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева 17-20 ноября 2009 г. - Нижний Новгород: НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2009. - С. 131-134.

5. Костюнин, А.С. Обнаружение зоны ухудшения маневренности морского судна /А.С. Костюнин // Будущее технической науки : Сборник материалов X Международной молодежной научно-технической конференции. – Н.Новгород: НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2011 г. - С. 229.

6. Костюнин, А.С. Исследование ухудшения маневренности судна /А.Б. Ваганов, А.С. Костюнин // Будущее технической науки : Сборник материалов X Международной молодежной научно-технической конференции. – Н.Новгород: НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2011 г. - С. 229-230.

7. Костюнин, А.С. Исследование зигзагообразных маневров судна /А.Б. Ваганов, А.С. Костюнин // Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. - Н.Новгород: НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2011 г. - №2 (87). - С. 155-161.

 
Авторефераты по темам  >>  Разные специальности - [часть 1]  [часть 2]



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

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.