Исследование параметрической модели вынужденных колебаний конструктивных элементов судовых систем и механизмов в рамках теории устойчивости второго рода тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.13, кандидат технических наук Данцевич, Игорь Михайлович

• Данцевич, Игорь Михайлович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Данцевич, Игорь Михайлович

Общая характеристика работы.

Введение.

Глава 1. Аналитический обзор методов мониторинга элементов ССМ, корпуса судна.

1.1. Методы мониторинга в процессе постройки судна.

1.2. Методы мониторинга корпуса судна во время эксплуатации.

1.3. Недостатки существующих методов мониторинга.

1.4. Перспективы совершенствования методов мониторинга.

1.5. Выводы и постановка задачи исследования.

Глава 2. Теоретические аспекты метода, основанного на применении поверхностных акустических волн.

211. Преимущества предлагаемого метода.

2.2. Волновое решение для рамного элемента корпуса судна.

2.3. Границы применимости метода мониторинга корпусных конструкций посредством ПАВ.

2.4. Оценка спектра акустического сигнала системы с нелинейной характеристикой упругости.

2.5. Анализ устойчивости конструкций по данным мониторинга.

2.6. Анализ методов стохастической фильтрации.

2.7. Выводы.

Глава 3. Экспериментальная проверка метода и математическая обработка результатов измерений.

3.1. Проверка адекватности метода линейного развёртывания фазы для описания вибрационных картин на поверхностях судовых систем и механизмов.7.

3.2. Уровень виброускорений среды.

3.3. Алгоритм оценки спектров связанных колебаний.

3.4 Выводы.

Глава 4. Оптимальная фильтрация данных мониторинга полученных методом линейного развёртывания фазы.

4.1. Обоснование метода оптимальной фильтрации.

4.2. Синтез динамической модели процесса.

4.3. Синтез фильтра групповой задержки.

4.4 Реализация судовой сети телекоммуникаций непрерывного мониторинга корпусных конструкций.

4.5. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование параметрической модели вынужденных колебаний конструктивных элементов судовых систем и механизмов в рамках теории устойчивости второго рода»

Актуальность темы. Достижения в области практического применения информационных технологий в судостроении позволило выйти на качественно новый уровень проектных и конструкторских работ. Наряду с системами автоматизированного проектирования применяются системы анализа конструкции, что позволяет выявлять конструктивные недостатки на стадии постройки судов. Требования ведущих мировых классификационных обществ к обеспечению безопасности мореплавания заставляют судовладельцев активнее внедрять технологии, обеспечивающие непрерывный мониторинг судовых систем и механизмов.

Мониторинг конструктивных элементов ССМ является тем более актуальной задачей, чем сложнее становятся ССМ. Применение двойного корпуса стало обязательным, однако, нормирование прочности при прогибе и перегибе при разных толщинах внешнего и внутреннего корпусов балкера требует непрерывного мониторинга.

Имеющаяся сегодня в распоряжении конструкторов измерительная техника в принципе позволяет измерить различные параметры, характеризующие прочность конструктивных элементов. Проблема построения систем на основе достаточной статистики требует поиска методов анализа состояния ССМ. Особое место занимает проблема анализа собственных колебаний конструктивных элементов под действием динамической силы.

Очевидно, что одним из путей повышения информативности систем мониторинга является применение методов анализа собственных откликов конструктивных элементов ССМ на внешнее динамическое воздействие. В этом аспекте представляется перспективным применение мониторинга посредством поверхностных акустических волн. Помимо сдвиговой и изгибной волн в конструктивных элементах ССМ образуются и высшие типы волн — волна Рэлея. Уникальные свойства последних позволяют анализ акустических сигналов производить в некоторой плоскости. Что в принципе позволяет при построении систем мониторинга анализировать одну степень свободы, например при контроле изгибов балок набора или обшивки корпуса.

Синтез моделей, позволяющих решать задачу мониторинга в описанной выше постановке, определяют актуальность темы исследования.

Объект исследования. Объектом исследования являются конструктивные элементы судовых систем и механизмов.

Предмет исследования. Предметом исследования являются вынужденные колебания элементов корпуса и винторулевой группы современных судов.

Цель исследования. Целью диссертационной работы является повышение уровня технической составляющей безопасности мореплавания за счёт надёжности оценок состояния судовых систем и механизмов при периодическом и непрерывном мониторинге обеспечением оптимальной фильтрации данных спектрального анализа при параметрическом описании модели.

Для достижения целей диссертационной работы необходимо было выполнить следующее:

- осуществить анализ составляющих акустического сигнала измеренного на конструктивном элементе корпуса или винторулевого комплекса;

- оценить физические величины, характеризующие акустический сигнал посредством техники спектрального анализа;

- рассмотреть возможность параметрического описания модели колебательной системы (плоскость, балка и т.д.);

- синтезировать модель системы, улучшающую соотношение сигнал-шум на входе системы мониторинга;

- на основе теории устойчивости второго рода предложить метод мониторинга КЭ ССМ.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты:

1. Предложена параметрическая модель, описывающая вынужденные колебания конструктивных элементов ССМ.

2. Получена качественная картина распределения стоячих волн характерная для однотипных агрегатов, на основе анализа фазы.

3. Предложен фазовый метод мониторинга КЭ ССМ в; рамках теории устойчивости второго рода, в основе метода - линейность нагрузочной характеристики КЭ ССМ.

Научная достоверность и обоснованность результатов, представленных в данной работе, состоит в том, что все теоретические исследования, проектные разработки, практические реализации и внедрения основаны на базе известных аналитических средств, теорем, методов анализа, апробированы натурными и стендовыми испытаниями, статистикой измерений и т.д.

Практическая ценность. Теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы при обработке данных периодического контроля за техническим состоянием винторулевого комплекса т/х. «Старательный», «Способный», «Бравый» (флот НТМП). Стендовых виброакустических испытаний комплектующего оборудования для перспективных кораблей (реализовано ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова), в том числе при оценке технического состояния главных дизелей 25ДГМ буксира «Набат».

Метод анализа, предложенный в диссертационной работе, позволяет качественно и количественно оценивать вибрацию, степень демпфирования вынужденных колебаний КЭ ССМ.

Внедрение результатов работы. Научные результаты диссертационной работы реализованы ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова при стендовых виброакустических испытаниях комплектующего оборудования для перспективных кораблей (договор № 678-64), а также при оценке технического состояния главных дизелей 25ДГМ буксира «Набат» (подтверждается актом реализации научных результатов, см. Приложение №3).

На защиту выносятся следующие научные положения диссертации:

1. Определение параметра вынужденных колебаний конструктивных элементов судовых систем и механизмов.

2. Прикладное решение задачи об изогональных траекториях для параметра линейного развёртывания фазы связанных колебаний (конструктивного элемента ССМ).

3. Модель системы на основе алгоритма линейного развёртывания фазы связанных колебаний.

4. Метод анализа связанных колебаний конструктивных элементов судовых систем и механизмов на основе оценки развёртывания фазы параметра комплексных спектральных составляющих.

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертации докладывались на всероссийских и региональных научных конференциях, опубликованы в 7 докладах и статьях.

Научный вклад соискателя в разработку защищаемых положений диссертации определяющий.

Введение

Анализ аварийности и происшествий на морском транспорте по состоянию на сегодняшний день свидетельствует, что около 80 % инцидентов, вызвавших аварии и катастрофы, связаны с работой на судне, или с так: называемым "человеческим" фактором. Около 10% аварий произошли в результате выхода из строя судовой техники в чрезвычайных ситуациях [1]; При оценке факторов, влияющих на уровень аварийности по вине человека, учитывались не только ошибки, связанные с работой на судне, но также и связанные с проектными работами, постройкой судна или обеспечением технической безопасности судоходства.

Главной несущей судовой конструкцией является его корпус. Обеспечение прочности последнего заведомо определяет задачу непрерывного мониторинга судовых систем: и механизмов (ССМ). В то же время, корпус судна - сложная, статически неопределённая механическая система. Набор; корпуса это совокупность различных механических систем, и в настоящее время задача нормирования прочности корпуса решается только в вероятностном виде. Актуальность непрерывного мониторинга систем, образующих корпус судна, а также ССМ, влияющих на обеспечение его прочности, неоспорима.

Автоматические системы мониторинга корпуса проектируются таким образом, чтобы выполнялись одна или несколько функций [2]:

1. Управление (на основе данных мониторинга) грузовыми операциями в порту. Контролируются напряжения в продольных связях палубы во время погрузочно-разгрузочных операций.

2. Предупреждение (посредством мониторинга) недопустимых напряжений в корпусе при управлении движением судна на волнении. Контролируются напряжения в продольных связях палубы, а также в наиболее напряжённых местных элементах конструкции корпуса например, в днищевых конструкциях носовой оконечности во время движения в штормовых условиях). Дополнительно контролируются гидродинамическое давление, расход топлива, частота вращения вала двигателя, скорость ветра.

3. Оценка усталостной долговечности корпуса. Фиксируются долговременные распределения напряжений в продольных связях палубы (за год или более), которые используют для оценки усталостной долговечности наиболее нагруженных деталей судового корпуса. Принимаются гипотеза линейного суммирования повреждений и данные о реальной концентрации напряжений.

4. Предсказание поведения судна в различных условиях. Измеряются в конкретных волновых условиях и режиме движения реакции корпуса, влияющие на управление судном. Полученные данные используются в прогнозировании уровня соответствующих реакций при предполагаемых изменениях скорости и (или) курсового угла.

5. Уточнение эксплуатационных характеристик судна. Получаемая информация о реакции судна на предполагаемые волновые условия используется для выбора скорости судна при планировании перехода, мощности главного двигателя, необходимого количества топлива на планируемый рейс и т.п.

6. Оптимизация маршрутов и условий движения. Выбираются маршруты и условия движения судна (скорость, курсовые углы), обеспечивающие минимальные расход топлива или время в пути. Определяется стратегия движения с учётом реальных погодных условий, безопасности, потребления топлива, что может осуществляться координацией данных бортовой аппаратуры и информации, поступающей от береговых служб.

7. Регистрация аварийных случаев на борту судна. Фиксируются данные о поведении судна, командах с мостика, информация о параметрах движения судна, поступающая из судовой аппаратуры, радарной информации, и др. Автоматическое устройство, выполняющее функции чёрного ящика, устанавливается в месте, легко доступном при затоплении судна. Информация используется для анализа и расследования аварийных случаев. Важнейшим фактором, влияющим на безопасную и безаварийную эксплуатацию, является поведение корпуса судна при воздействии волн (различные виды качки, вибрации и т.п.). Особую остроту данная проблема приобретает при длительной эксплуатации судов в связи с уменьшением прочности из-за коррозии корпуса.

Научная новизна работы представлена:

- теоретическим и экспериментальным исследованием звукопроводящих свойств элементов ССМ, звукового поля, волнового спектра акустического сигнала набора корпуса и винторулевого комплекса современного судна;

- исследованием способов мониторинга ССМ (корпуса судна), обеспечивающих непрерывный контроль усталостных характеристик прочности корпуса под действием статической и динамической нагрузок, обоснованием методов мониторинга посредством анализа линейного развёртывания фазы;

- применением алгоритма предварительной обработки акустического сигнала, на основе рассмотрения непараметрической модели сигнала;

- окончательной обработкой полученных спектров, посредством фильтрации в пространстве состояний на основе рассмотрения параметрической модели (вектора состояния).

- созданием общей схемы мониторинга ССМ на основе критериев устойчивости второго рода, в применении к мониторингу посредством анализа высших типов волн; и

Работа выполнена на кафедре «Радиоэлектроника» Новороссийской государственной морской академии.

Заключение диссертации по теме «Системы, сети и устройства телекоммуникаций», Данцевич, Игорь Михайлович

4.5. Выводы

В результате оценки фильтрации методом линейного развёртывания фазы в пространстве состояний получены результаты:

- оптимальную фильтрацию в пространстве состояний производим с использованием вектора наблюдений фазовой функции - начальная точка начало координат, конечная - точка разрыва второго рода фазовой функции;

- показано, что в методе линейного развёртывания фазы минимальная дисперсия определяет уровень флуктуаций фазовой функции и чувствительность метода к помехам;

- синтез и анализ метода непрерывного мониторинга основанного на линейном развёртывании фазы, при описании сложной системы производим блочной фильтрацией с разбивкой спектра на «кадры» и анализом коэффициентов матрицы перехода.

128

Заключение

1. Предложен метод линейного развёртывания фазы, позволяющий оценивать техническое состояние объектов мониторинга, без вывода последних из эксплуатации, что сулит значительную материальную выгоду наряду с обеспечением безопасности мореплавания.

2. Достигнуто существенное повышение эффективности систем непрерывного и периодического контроля, за счёт улучшения соотношения сигнал - шум применением фазового метода оценки квадратурных составляющих спектра. Применение наряду с методами оценки среднеквадратичных величин (виброскоростей, виброускорений) оценок фазы связанных колебаний в рамках теории устойчивости второго рода, позволило снизить порядок дифференциальных уравнений при динамическом моделировании.

3. Выполнено динамическое моделирование колебательных систем в рамках теории второго рода, которое в ряде случаев позволяет отказаться от уравнений сплошности, и получать решение на основе применения параметрических моделей. Параметрами системы являются экстремали частного Рэлея, образующие набор векторов состояния системы.

4. Показано, что состояние механической системы оценивается в рамках теории устойчивости второго рода. Критерием устойчивости системы в малом является линейное приращение развёртывания фазы связанных колебаний с линейным приращением нагрузки. Критерием устойчивости системы в большом является постоянство формы нагружения конструкций. При детерминированной функции нагрузки нагрузочная характеристика системы должна оставаться линейной. Нелинейность нагрузочной характеристики означает, что система сбросила часть нагрузки на связи, и устойчивость формы конструкции определяет теперь всё перекрытие.

5. Применение анализа состояния конструкции в рамках теории устойчивости второго рода позволило отказаться при осуществлении мониторинга от эталона. В большинстве существующих систем спектрального анализа за эталон принимаются статистические характеристики наблюдаемых процессов. Создание эффективных моделей параметрических колебаний позволило осуществлять оптимальную обработку акустических сигналов в пространстве состояний с использованием методов нелинейной марковской фильтрации.

6. На основе предложенной параметрической модели мониторинга осуществлена оценка векторов состояния системы путём сравнения развёртывания фазы связанных колебаний. Отношение амплитуд связанных колебаний измеренных в плоскостях, образующих поверхность судовых систем и механизмов, и продифференцированных относительно оси частот, дают набор экстремальных значений, образующих фазовый портрет системы.

7. Примененный подход позволил эффективно реализовать непрерывный мониторинг судовых систем и механизмов в рамках критерия устойчивости механических систем второго рода. Простота реализации динамических моделей позволяет осуществлять эффективную фильтрацию в пространстве состояний. Примененный при динамическом моделировании алгоритм рекуррентных уравнений Рунге-Кутта 3-го порядка допускает уточнение задачи, и применение алгоритмов 4 и 5-го порядков.

8. Синтезированная модель позволила обосновать метод качественной и количественной оценок однотипных агрегатов, выполнять регрессионный и сравнительный анализ в процессе эксплуатации, прогнозировать эксплуатационный износ.

130

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Данцевич, Игорь Михайлович, 2004 год

1. Виноват человеческий фактор? Морской флот М.: №4 1994г.

2. Максимаджи А. И. Капитану о прочности корпуса судна.: Справочник- JL: Судостроение 1988

3. Colin Sowman. The Motor Ship. September 1999. Prevention is better than cure.

4. ТЭФ и C.-2000, №11-12(реферат МТИР, Никифоров А.П.) International Bulk Journal. 1999, №9.

5. Решетов P. Программный комплекс расчёта прочности "Руслан" и его практическое применение. Морской флот №3^. 2000г.

6. Редакционная коллегия Регистра СССР по изданию правил, ответственный за выпуск Иванов В. И. Регистр СССР.

7. Российский Морской Регистр Судоходства «Правила классификации и постройки морских судов» М.:

8. Oyvind Lund-Johansen. Hull Monitoring Systems. Classifications News 4/98. Section for Noise and Vibration

9. Frederich H. Asmeroft & Richard D. Goebel. Shipboard Monitoring. Scientific Marine Services, Inc. Escondido, CA, USA. (International Ship Operator)

10. Lloyd's List. March 24 1999. Stress monitoring systems give false sense of security.

11. Reader Enquiry Service 814. Hullstress monitor. LSM April 1999.

12. Krowing yor hull. New technologies offer more detailed and accurate information on plating thickness and diminution. Ship Repair. March 2000.

13. Olav Nakken and Sverre Valsgard. Life Cycle COSTS of Ship Hulls. Det Norske Veritas Classification AS.

14. ТЭФ и C-2000 №3 (891) 4(892). Diesel & Gas Turbine Worldwide №3.

15. Васильев В., Гуров И. Компьютерная обработка сигналов в & приложении к интерферометрическим системам. «БХВ-Санкт1. Петербург», 1998.

16. Барабанов Н. В. Отчет о хоздоговорной работе контроля прочности ремплавзавода «Чернышевский» после 40-лет эксплуатации. ДЛИ. — Владивосток, :1968г.

17. Giurgiade V. and Rodgers Y.New Results E/m-impedance.

18. Малов В. В. Пьезорезонансные датчики. М.: Энергоатомиздат. 1990

19. Варакин JI. Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Радио и связь, 1985ф 20. Матвеев И. Н., Сафонов А. П., Троицкий И. Н., и др. под редакцией

20. Устинова Н. Д. Адаптация в информационных оптических системах. М.: Радио и Связь, 1984.

21. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: «Высшая школа». 1988.

22. Плотников Ю. И. Компьютеризированная система визуального контроля судовых энергетических установок. М.: Судостроение №5 1999

23. Осипов О. А. Изгибающие моменты, действующие на корпус судна при ударе волн в развал бортов. ЦНИИМФ. Сб. трудов JL: Транспорт. 1985

24. Емельянов М. Д. Оценка эффективных коэффициентов концентрации напряжений по данным повреждения узлов конструкций корпуса. Сб.Ш

25. Прочность и защита от коррозии корпусов морских судов Л.: Транспорт 1984

26. Степанский В. И., Четыркин Н. В. Расчётные усилия при нормировании прочности связей днищевых перекрытий судов с двойным дном. Сб. трудов ЦНИИ Морского Флота Л.: 1984 Вып. 298: Прочность и защита от коррозии корпусов морских судов.т

27. Скучик Е. Простые и сложные колебательные системы. Пер. с англ. Под редакцией Лямишева Jl. М. М.: Мир. 1971.

28. Под редакцией Палий О. М. Справочник по строительной механике корабля. T.1.-JI.: Судостроение. 1982

29. Под редакцией Палий О. М. Справочник по строительной механике корабля. Т.2. JL: Судостроение. 1982.

30. Под редакцией Палий О. М. Справочник по строительной механике корабля. Т.З — JL: Судостроение. 1982.

31. Плотников Ю. И. Компьютеризированная система визуального контроля судовых энергетических установок. М.: Судостроение №5 1999

32. Ярошенко А. В. Математическое описание технологической взаимосвязи всех систем и механизмов корабля и алгоритм, его практического применения. М.: Судостроение № Г 2000

33. Островерх Р. А. Исследование потери устойчивости стержней переменного сечения. Прочность корпуса и защита судов от коррозии: Сб. науч.тр. Д.: Транспорт. 1985. (ЦНИИМФ).

34. Емельянов М. Д., Максимаджи А.И. Вероятность разрушения в продольных связях корпуса судна. Прочность корпуса и защита судов от коррозии: Сб. науч.тр.-JL: Транспорт. 1985. (ЦНИИМФ)

35. Маркозов Г. В., Трифильцева А. А. Критерии прочности для рамных конструкций нефтеналивных судов. Прочность корпуса и защита судов от коррозии: Сб. науч.тр. — Л.: Транспорт. 1985. (ЦНИИМФ).

36. Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объёмных и поверхностных акустических волнах: Материалы, технология конструкция, применение: Пер. с чешек. М.: Мир, 1990.

37. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах. Пер. с англ. -М.: Радио и связь, 1990

38. Мельников А. М. Устойчивость стенок рамных балок подкреплённых рёбрами жёсткости. Прочность корпуса и защита судов от коррозии: Сб. науч.тр. JL: Транспорт. 1985. (ЦНИИМФ).

39. Фильтры на поверхностных акустических волнах (расчёт технология, применение): Пер. с англ./ Под ред. Г. Мэттьюза.1. М.: Радио и связь, 1981.

40. Тимошенко С. П., Гудьер Дж. Теория упругости: Пер. с англ./ Под ред. Шапиро Г. С. М.: Наука, 1975.

41. Тимошенко С. П., Гере Дж. Механика материалов: Пер. с англ./ Под ред. Григолюка Э. И. М.: Мир, 1976.

42. Тимошенко С. П. Устойчивость стержней пластин и оболочек: / Под ред. Григолюка Э. И. М.: Наука, 1971

43. Чернышев В.М. Некоторые свойства спектров сигналов по функциям Хаара. Межвузовский тематический сборник (Методы и аппаратура спектрального и корреляционного анализа сложных сигналов).-Таганрог: ТРИ им. В.Д. Калмыкова.1974.

44. Куликов Е.И. Методы измерения случайных процессов. М.: радио и связь. 1986.

45. Фомин Я.А. Тарловский Г.Р. Статистическая теория распознавания образов. -М.: Радио и связь. 1986.

46. Под редакцией М.Хёкла и Х.А. Мюллера Справочник по технической акустике./ Пер. с нем. Виноградова Б.В., Колоярцева Н.М.- JL: Судостроение. 1980М

47. Анализатор звука и вибрации Swan 912 АЕ. Инструкция по работе с прибором. «ЗАО Алгоритм-Акустика» М.: 2001.

48. Куфнер А., Фучик С. Нелинейные дифференциальные уравнения./ Пер.с англ. Жукова А. Ф./ Под ред. Похожаева С. И. М.: Наука.1988.

49. Максимаджи А. И. Экономические факторы при нормировании продольной прочности корпусов судов. Прочность корпуса и защита судов от коррозии: Сб. науч.тр. М.: Транспорт. 1990.

50. Фомин Я. А. Тарловский Г. Р. Статистическая теория распознавания образов. М.: Радио и связь. 1986.

51. Фомин Я. А. Теория выбросов случайных процессов. М.: Связь. 1980.

52. Магнус К. Колебания./ Пер. с нем. Сидорова В. И., Филатова В. В./ Подред. Смирнова В. Д. М.: Мир. 1982.

53. Зубов В. И. Теория колебаний. М.: Высшая школа.1979.

54. Медведев С.Ю. Преобразование Фурье и классический цифровой спектральный анализ, www [e-mail]. 2004.

55. Комплексная система технического обслуживания и ремонта судов. Основное руководство. РД 31.20.50-87- М.: В/О «Мортехинформреклама», 1988.

56. Точчи, Рональд, Дж., Уидмер, Нил, С. Цифровые системы. Теория и практика, 8-е издание.: Пер. с англ. М.: Издательский дом «Вильяме», 2004.

57. Сергиенко А. Б. Цифровая обработка сигналов. СПб.:Питер, 2003.

58. Дж. Б. Дэбни, Т. JI. Харман; Simulink 4. Секреты мастерства. /Пер. с англ. М. JI. Симонова. — М.: Бином. Лаборатория знаний, 2003.

59. Данцевич И.М. О возможности оценки устойчивости конструкций по акустическим измерениям. Известия высших учебных заведений. Северо-кавказкий регион, 2004. Спецвыпуск.

60. Данцевич И.М. Гриценко JI.A. Мониторинг сложных механических систем методом дискретного фазового сдвига. Известия высших учебных заведений. Северо-кавказкий регион, 2004. Спецвыпуск.

61. Уидроу Б., Стирнз С. Адаптивная обработка сигналов: Пер. с англ. — М.: Радио и связь, 1989.1. Соискатель1. И. Данцевич