Метод расчета нагрузок, определяющих прочность скоростных судов с крыльями-стабилизаторами качки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.01, кандидат технических наук Ишков, Владимир Викторович

• Ишков, Владимир Викторович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ишков, Владимир Викторович

ВВЕДЕНИЕ.

1 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПРОДОЛЬНОЙ И БОРТОВОЙ

КАЧКИ СУДОВ ПЕРЕХОДНОГО РЕЖИМА ДВИЖЕНИЯ.

1.1 Введение.

1.2 Силы и моменты, действующие на судно при качке на волнении.

1.3 Основные режимы движения судна и их особенности.

1.4 Математическая модель продольной качки судна водоизмещающего режима движения.

1.5 Математическая модель продольной качки судна переходного режима движения.

1.6 Основные методы расчета погонных гидродинамических характеристик плоских шпангоутных сечений.

1.7 Приближенные методы учета сил вязкостного демпфирования.

1.8 Методы учета ходовой волны.

1.9 Сравнение результатов расчета продольной качки судна водоизмещающего режима движения с результатами модельного эксперимента.

1.10 Сравнение результатов расчета продольной качки катера переходного режима движения с результатами модельного эксперимента.

1.11 Математическая модель бортовой качки судна.

1.12 Определение кинематических характеристик колебаний точек судна.

1.13 Основные результаты.

2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ВОЛНОВЫХ НАГРУЗОК НА КОРПУС БЫСТРОХОДНОГО СУДНА.

2.1 Основные положения.

2.2 Классификация внешних волновых нагрузок.

2.3 Внешние волновые нагрузки при качке судна на тихой воде.

2.4 Внешние волновые нагрузки, обусловленные возмущающим воздействием волнения.

2.5 Условие равновесия сил при продольной качке судна.

2.6 Изгибающие моменты в поперечных сечениях судна.

2.7 Расчет внешних волновых нагрузок на нерегулярном волнении.

2.8 Приближенные методы построения эпюры веса судна по длине.

2.9 Расчет волновых перерезывающих сил и изгибающих моментов для быстроходного катера.

2.10 Основные результаты.

3 УДАРНЫЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ НА КОРПУС БЫСТРОХОДНОГО СУДНА.

3.1 Основные виды нелинейных нагрузок.

3.2 Гидродинамическое демпфирование колебаний судна

3.3 Метод оценки нелинейных гидродинамических нагрузок без учета диссипативных сил, обусловленных формированием брызговых струй.

3.4 Задача о погружении в жидкость плоского шпангоутного сечения с учетом диссипативных эффектов

3.5 Равномерное вертикальное погружение клина бесконечной ширины.

3.6 Равномерное вертикальное погружение клина конечной ширины.83>

3.7 Экспериментальнаяпроверка теории равномерного вертикального погружения прямолинейного клина конечной ширины

3.8 Расчет силы сопротивления погружению шпангоутного контура при наличии каверны

3.9 Расчет перерезывающих сил и изгибающих моментов.

3.10 Выбор характеристик расчетного регулярного волнения.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод расчета нагрузок, определяющих прочность скоростных судов с крыльями-стабилизаторами качки»

6.2 Влияние формы КС в плане.161

6.3 Влияние площади КС в плане и места их установки по длине судна.166

6.4 Влияние количества устанавливаемых пар КС.182

6.5 Рекомендации по выбору характеристик и места установки КС.187

6.6 Основные выводы.188

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.190

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.192

КНИГА 2. ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1 - Влияние величины относительного вертикального расстояния от центра тяжести площади шпангоутного сечения до ватерлинии на его гидродинамические характеристики.3

Приложение 2 - Результаты оцифровки графиков гидродинамических коэффициентов плоского шпангоутного сечения А.З. Салькаева.7

Приложение 3 - Модель продольной качки судна с учетом сил линейного вязкостного бортового демпфирования.13

Приложение 4 - Расчет качки на нерегулярном волнении.18

Приложение 5 - Сравнение результатов расчета продольной качки катера пр. 12416 с результатами модельных испытаний.21

Приложение 6 - Методы расчета кинематических характеристик абсолютных и относительных вертикальных колебаний характерных точек судна.33

Приложение 7 - Расчет перерезывающих сил в поперечных сечениях корпуса быстроходного судна при интегрировании нагрузок от кормы в нос.36

Приложение 8 - К задаче о равномерном вертикальном погружении клина бесконечной ширины.39

Приложение 9 - Пример расчета силы сопротивления при равномерном вертикальном погружении прямолинейного клина конечной ширины.46

Приложение 10 - Пример расчета нагрузок при бортовом слеминге.49

Приложение 11 - Теория П-образного вихря К.К. Федяевского.59

Приложение 12 - Пример использования теория П-образного вихря.67

Приложение 13 - Пример расчета стабилизированной продольной качки и внешних нагрузок на корпус быстроходного судна, оборудованного КС.70

Приложение 14 - Пример расчета бортовой качки судна с КС.79

Приложение 15 - Оценка эффективности пассивных КС, установленных на корпусе катера пр. 12416 в районе 2 теор. шп.83

Приложение 16 - Оценка эффективности пассивных КС, установленных на корпусе катера пр. 12416 в районе 7 теор. шп.98

Приложение 17 - Оценка эффективности пассивных КС, установленных на корпусе катера пр. 12416 в районе 10 теор. шп.113

Приложение 18 - Оценка эффективности пассивных КС, установленных на корпусе катера пр. 12416 в районе 19 теор. шп.127

Приложение 19 - Оценка динамических изгибающих моментов при слеминге с учетом вибрации.141

ВВЕДЕНИЕ

Важной задачей, решаемой при проектировании быстроходных судов, является снижение внешних нагрузок, определяющих прочность конструкций корпуса. Снижение внешних нагрузок обеспечивает возможность уменьшения массы корпуса судна при соблюдении требований по прочности, открывая возможности для повышения скорости хода без сопутствующего увеличения мощности энергетической установки и для увеличения доли полезной нагрузки в водоизмещении судна. Успешное решение задачи ведет к повышению эксплуатационных и боевых качеств проектируемых быстроходных судов и кораблей.

Снижение внешних нагрузок, определяющих прочность судна, возможно на основе двух подходов:

- уточнения «существующих расчетных методов определения внешних нагрузок,

- использования успокоителей качки, в первую очередь продольной, в наибольшей степени влияющей на внешние нагрузки на корпус судна.

Наиболее естественным средством умерения продольной качки для быстроходного судна представляется использование крыльев-стабилизаторов (КС), устанавливаемых на его корпусе по бортам.

Цель и задача исследования

Целью диссертационной работы является разработка метода расчета внешних нагрузок, определяющих прочность конструкций судов переходного режима движения с пассивными крыльями-стабилизаторами качки, анализ влияния КС на качку и внешние силы, разработка рекомендаций по рациональному выбору характеристик КС.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1) выполнен анализ различных подходов к расчету продольной качки судна, проведено сопоставление результатов расчетов с экспериментальными данными, разработан алгоритм и компьютерная программа расчета продольной качки быстроходного судна с учетом особенностей переходного режима движения;

2) разработана математическая модель, расчетный алгоритм и компьютерная программа для расчета низкочастотных составляющих внешних нагрузок на корпус быстроходного судна (волновых нагрузок);

3) разработан алгоритм и компьютерная программа оценки внешних ударных гидродинамических нагрузок на корпус быстроходного судна, обусловленных взаимодействием носовой оконечности судна с волной;

4) предложен метод расчетного определения гидродинамических характеристик крыльев малого и среднего удлинения, разработан соответствующий расчетный алгоритм и компьютерная программа, выполнено сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными;

5) разработан метод расчета продольной и бортовой качки, а также определения внешних волновых и ударных гидродинамических нагрузок, действующих на корпус судна переходного режима движения, оборудованного пассивными КС, предложенный метод реализован в виде пакета компьютерных программ;

6) выполнено сравнение результатов расчета внешних сил, определяющих прочность конструкций быстроходного судна, с экспериментальными данными для модели судна без КС и с различными вариантами установки КС;

7) выполнен анализ влияния характеристик КС, количества пар КС и места их установки на корпусе на качку и внешние силы, определяющие прочность быстроходного судна;

8) разработаны рекомендации по рациональному выбору характеристик КС, количества пар КС и места их установки на корпусе быстроходного судна.

Методы исследования Для решения задач, поставленных в диссертационной работе, потребовалось привлечение методов гидродинамики, теории качки, теории расчета внешних сил и вибрации корабля, теории крыла конечного удлинения, статистической динамики нелинейных систем, а также экспериментальных методов гидродинамики и строительной механики корабля. При выполнении исследования широко применялась вычислительная техника и современные численные методы.

Расчет продольной качки быстроходного судна осуществляется с учетом характерного для судов переходного режима движения срыва потока воды по периметру оголяющегося на ходу транца, возрастания роли сил гидродинамического демпфирования и дифракционной составляющей возмущающих сил. Методология расчета продольной качки быстроходного судна основана на работах Н. Салвесона (N. Salvesen), О. Фалтинсена (О. Faltinsen), Е. Така (Е. Tuck), В.М. Дубицкого, Ю.В. Ремеза. При тестировании разработанного расчетного алгоритма использованы результаты модельных испытаний катера переходного режима движения пр. 12416 (проектант ЦМКБ «Алмаз»), проведенных в опытовых бассейнах ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова под руководством И.К. Бородая, Ю.А. Нецветаева и М.М. Бунькова.

Расчет низкочастотных волновых внешних нагрузок осуществляется в рамках разработанного и протестированного алгоритма расчета продольной качки быстроходного судна. При разработке математической модели расчета волновых нагрузок использованы работы Я.И. Короткина, О.Н. Рабинович, Д.М. Ростовцева, В.Н. Тряскина.

В расчете ударных внешних гидродинамических нагрузок, обусловленных бортовым слемингом, дополнительно к инерционным силам, обусловленным тем, что погружающийся в воду корпус судна заставляет двигаться ускоренно окружающие его частицы воды, преодолевая их инертность, традиционно рассматриваемым при изучении ударных нагрузок на корпус судна, рассматриваются также силы гидродинамического демпфирования двух типов. Силы первого типа обусловлены формированием брызговых струй по бортам судна при значительной скорости хода. Силы второго типа проявляются при глиссировании по полной ширине несущей поверхности корпуса и связаны с возбуждением движения водной поверхности, образованной частицами воды после срыва их со скулы судна. Методология учета сил демпфирования основана на работах Г.Б. Крыжевича, Г.В. Логвиновича. Расчет вызванных ударными гидродинамическими нагрузками перерезывающих сил и изгибающих моментов в поперечных сечениях корпуса осуществляется на основе квазистатических представлений.

Предложенный расчетный метод определения гидродинамических характеристик крыльев малого и среднего удлинения основан на построении вихревой схемы несущей поверхности, учитывающей переменность интенсивности вихре-; вого слоя как вдоль размаха, так и вдоль хорды крыла. Методология построения вихревой схемы несущей поверхности основана на работах С.М. Белоцерковского и В.В. Голубева. Приближенный учет характерных для крыльев малого удлинения нелинейных эффектов, связанных со значительным искривлением пелены свободных вихрей за крылом, основан на исследованиях К.К. Федяевского. Для тестирования предложенного расчетного метода использованы результаты экспериментов, выполненных под руководством Г.Ф. Бураго и Г. Винтера (Н. Winter).

В расчете стабилизированной продольной и бортовой качки, а также внешних нагрузок на корпус судна, оснащенного КС, при помощи метода статистической линеаризации реализована возможность учета характерного для крыльев малого удлинения нелинейного характера зависимости коэффициента подъемной силы от угла атаки. При разработке методов расчета стабилизированной качки использованы исследования А.Н. Холодилина и А.Н. Шмырева.

При сравнении результатов расчета внешних сил, определяющих прочность конструкций быстроходного судна, с экспериментальными данными для судна без КС и с различными вариантами установки КС использованы результаты испытаний модели фрегата пр. 11356, проведенных в ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова под руководством Г.Б. Крыжевича и В.Г. Платонова.

При выполнении диссертационного исследования активно применялись компьютерные расчеты. Все использованные в работе методы расчета продольной и бортовой качки, внешних волновых и ударных гидродинамических нагрузок, гидродинамических характеристик крыльев малого и среднего удлинения, стабилизированной качки и внешних нагрузок реализованы в виде пакета компьютерных программ, разработанных в среде программирования Borland С++ Builder 6.0.

Актуальность диссертации

Несмотря на то, что общая классификация действующих на судно сил в во-доизмещающем и переходном режимах движения одинакова, по мере роста скорости хода существенно изменяется соотношение между отдельными составляющими. Значительно возрастает роль сил гидродинамического демпфирования, увеличивается значимость дифракционной составляющей возмущающих сил, изменяется характер обтекания кормовой оконечности судна, происходит формирование брызговых струй вдоль бортов в районе носовой оконечности. Поэтому использование для быстроходных судов расчетных методов, разработанных для судов водоизмещающего режима, является некорректным.

Проблеме внешних сил посвящено большое количество исследований. Однако большинство из них относится к судам водоизмещающего режима движения, например, работы Г.В. Бойцова, Я.И. Короткина, А.И. Максимаджи, O.A. Осипо-ва, Е.А. Павлиновой, В.Г. Платонова, Д.М. Ростовцева и др. Количество исследований, посвященных задаче определения внешних сил для судов переходного режима, достаточно мало. Среди них в первую очередь можно отметить работы В.М. Дубицкого, Г.Б. Крыжевича, М.А. Кудрина, О.Н. Рабинович, В.Н. Тряскина, Г.С. Чувиковского.

В целом же в литературе вопрос определения внешних сил для судов переходного режима движения освещен недостаточно, отсутствует подробный анализ влияния эксплуатационных факторов и конструктивных параметров судна на величины внешних нагрузок. В практике работы конструкторских бюро учет влияния скорости хода и особенностей формы корпуса на величины внешних нагрузок также выполняется весьма приближенно. Отсутствие четких представлений о величине внешних сил компенсируется значительными проектными запасами по прочности, что приводит к завышению материалоемкости проектируемых судов и кораблей, снижению их эксплуатационных и боевых качеств. В силу сказанного представляется весьма актуальным выполнение дальнейших исследований по проблеме внешних сил для судов переходного режима движения, направленных на уточнение существующих расчетных методов, анализ влияния конструктивных особенностей судна на величины воздействующих на него внешних сил, изучение возможности их снижения за счет размещения на судне успокоителей качки.

Наиболее естественным средством умерения продольной качки для быстроходного судна представляется использование крыльев-стабилизаторов (КС), устанавливаемых на его корпусе по бортам. При этом, учитывая квадратичную зависимость подъемной силы на КС от скорости набегающего потока, естественно ожидать, что для скоростей хода, соответствующих переходному режиму движения, стабилизирующие силы на КС будут достаточно велики. Использование КС позволяет снижать амплитуды килевой, вертикальной и бортовой качки судна, повышая тем самым его мореходные качества. С другой стороны, при рациональном выборе характеристик КС, они обеспечивают существенное снижение внешних нагрузок. При этом, как показано в диссертации, в первую очередь снижаются гидродинамические нагрузки, связанные с ударным воздействием волнения на носовую оконечность судна, и инерционные, связанные с обусловленными продольной качкой вертикальными ускорениями.

В числе работ, посвященных разработке методов расчета стабилизированной качки судов, оснащенных КС, в первую очередь нужно отметить исследования А.Н. Холодилина и А.Н. Шмырева. Задаче определения внешних сил для судна с КС посвящен ряд исследований Г.Б. Крыжевича. В-целом же, несмотря на отдельные публикации, достоверные математические модели для оценки влияния КС на внешние нагрузки, определяющие прочность конструкций скоростных судов, а также практические рекомендации по рациональному выбору характеристик КС, количества пар КС и места их установки на корпусе судна в настоящее время отсутствуют. Несмотря на эффективность таких КС, в практике работы конструкторских бюро при оценке расчетных внешних нагрузок на судовые конструкции их наличие не учитывается.

Таким образом, задача разработки метода расчета внешних нагрузок, определяющих прочность скоростных судов с КС, оценки возможности снижения нагрузок за счет использования КС, разработки рекомендаций по рациональному выбору характеристик КС, количества пар КС и места их установки на корпусе является весьма актуальной и имеет важное значение для' совершенствования практики проектирования скоростных судов.

Практическая значимость диссертации В результате диссертационного исследования разработан практический метод расчета качки и внешних нагрузок, определяющих прочность корпуса судов переходного режима движения с пассивными КС, и соответствующий пакет прикладных компьютерных программ. Достоверность разработанного метода подтверждена путем сопоставления результатов расчетов с экспериментом. Уточнены алгоритмы расчета продольной качки, внешних волновых и ударных гидродинамических нагрузок на корпус судна переходного режима движения. Разработаны рекомендации по рациональному выбору геометрических характеристик КС, количества устанавливаемых пар КС и места их установки на корпусе судна.

Основные результаты работы, выносимые на защиту:

1. новый метод расчета внешних волновых и ударных гидродинамических нагрузок, действующих на корпус судна переходного режима движения с учетом установленных на его корпусе ниже ватерлинии пассивных КС;

2. набор расчетных алгоритмов и пакет компьютерных программ, предназначенных для оценки влияния КС на продольную и бортовую качку, а также внешние нагрузки, определяющие прочность конструкций быстроходных судов;

3. результаты анализа влияния КС, места установки и количества пар КС на характеристики продольной и бортовой качки, обусловленных качкой вертикальных ускорений, величины волновых изгибающих моментов, а также изгибающих моментов, обусловленных ударными гидродинамическими нагрузками в районе носовой оконечности судна;

4. рекомендации по рациональному выбору характеристик КС, количества пар КС и места их установки на корпусе судна.

Апробация работы Основные положения и результаты докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:

1) IV международной конференции «Военно-морской флот и судостроение в современных условиях» (8Ы8'2007, СПб, ФГУП «ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова», июнь 2007 г.);

2) международной конференции, посвященной 145-летию со дня рождения акад. А.Н. Крылова (Чебоксары, сентябрь 2008 г.);

3) VI молодежной научно-технической конференции «Взгляд в будущее 2008» (СПб, ФГУП «ЦКБ МТ «Рубин», октябрь 2008 г.);

4) научно-технической конференции по строительной механике корабля, посвященной памяти академика Ю.А. Шиманского (СПб, ФГУП «ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова», ноябрь 2008 г.);

5) научной сессии ГУАП, посвященной всемирному дню авиации и космонавтики (СПб, ГУАП, апрель 2009 г.);

6) XXIII международной конференции «Математическое моделирование в механике деформируемых тел и конструкций. Методы граничных и конечных элементов» (ВЕМ&РЕМ- 2009, СПб, сентябрь 2009 г.);

7) II Российской научно-практической конференции судостроителей «Единение науки и практики - 2010» (СПб, октябрь 2010 г.).