Разработка методов расчета характеристик демпфирования общей вибрации судов с учетом гидродинамических сил волновой и вязкостной природы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.01, кандидат наук Норьков, Евгений Сергеевич

• Норьков, Евгений Сергеевич
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Норьков, Евгений Сергеевич

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 РАСЧЕТ ВИБРАЦИИ С УЧЕТОМ СИЛ СОПРОТИВЛЕНИЯ ВОДЫ ДВИЖЕНИЮ СУД11А

1.1. Механизмы рассеяния энергии в 'жидкость и классификация гидродинамических сил при демпфировании общей вибрации судна

1.2. Форма представления сил сопротивлении воды ходу судна и демпфирование общей вибрации

1.3. Математическая модель шгибных колебании корпуса судна

ГЛАВА 2 РАСЧЕТ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ СИЛ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА СРХ

Введение

2.1. Применение численных методов в расчетах задач прочности и гидродинамики

2.2. Основные особенности применения метода конечных объемов

2.3. Постановка и решение задачи о трехмерном обтекании модели судна

2.4. Верификация численного расчета

2.5. Численное определение гидродинамических сил для глиссирующего судна

2.6. Применение распределенных вычислении при решении сопряженных задач прочности н гидродинамики судов

2.7. Рекомендации по формированию численной модели

ГЛАВА 3 РАСЧЕТ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ СИЛ СОПРОТИВЛЕНИЯ ВИБРАЦИИ, ВЫЗВАННЫХ ПОПЕРЕЧНЫМ ОБТЕКАНИЕМ КОРПУСА, С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА СРХ

Введение

3.1 Поперечное обтекание цилиндрического стержня

3.2 Постановка задачи поперечного обтекания судна

3.3 Решение задачи плоского обтекания шиангоутного контура в программном комплексе А^УБ СКХ. Рекомендации по настройке решения задачи

3.4 Влияние конструктивных факторов на величину гидродинамического демпфирования

ГЛАВА 4 РАСЧЕТ СИЛ СОПРОТИВЛЕНИЯ ВОДЫ ДВИЖЕНИЮ СУДНА И СООТВЕТСТВУЮЩИХ ИМ СИЛ СОПРОТИВЛЕНИЯ ВИБРАЦИИ

4.1 Анализ распределения сил сопротивления воды движению судна по длине корпуса

4.2 Влияние скорости хода судна и тона колебаний на силы сопротивления вибрации

4.3 Практический метод оценки сил гидродинамического демпфирования волновой и вязкостной природы. Приближенные формулы

4.4 Сравнение с экспериментом

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов расчета характеристик демпфирования общей вибрации судов с учетом гидродинамических сил волновой и вязкостной природы»

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время силы сопротивления вибрации судна, не имеющего хода, изучены достаточно хорошо. В отечественном судостроении первые исследования, касающиеся вынужденной вибрации и сил сопротивления, были проведены А.Н. Крыловым еще в 1900 году [44]. В последующие годы усовершенствованием расчетов вибрации для судов, не имеющих хода, занимались многие ученые-судостроители [7, 8, 9, 11, 16, 18, 23, 24, 45, 49, 55, 56, 57, 59, 67, 74]. Особо стоит отметить работы следующих авторов, связанные с гидроупругой постановкой задач вибрации судна: С.К. Дорофеюк [17], Ф. Лыоис, Т. Кумаи, К. Мацура, Д.М.Ростовцев [59] и С.В. Сочинский [61]. Этими авторами рассмотрены методы учета влияния жидкости и пространственного характера ее течения на вибрацию судна. Влиянием жидкости на местную вибрацию подробно занималась E.H. Щукина [70, 71]. Большой вклад к проблемам гидроупругости, решаемым с помощью численных методов сделан О. Зенкевичем [77]. Он впервые показал эффективность использования метода конечных элементов для решения связанных задач о колебаниях твердого деформируемого тела и жидкости. В последующие годы численные методы развивали Д.М. Ростовцев, В.А. Постнов [13, 57], В.И. Поляков, Г.Б. Крыжевич [25, 27, 28, 31, 32, 76], М.Ю. Миронов, Ю.В. Гурьев [14, 15], Н.Ф.Ершов и Г.Г. Шахверди [18], А.Г. Таубин [65], К. Бребиа, Ж. Телеса и J1. Вроубел [12], Ю. Матсура и К. Арима, П. Орсеро и Дж. Арманда и др.

Изучением нагрузок, вызывающих динамический изгиб корпуса водоизмещающего судна и его волновую вибрацию занимались в своих работах М.А. Бельгова [8], Г.В. Бойцов [9], Г.В. Бойцов и С.Г. Вагенгейм [10], К. Бреббиа и С. Уокер [11], Д.М. Ростовцев [22, 56, 58], Д.М. Ростовцев и О.Н. Рабинович [23], O.A. Осипов [53], Г.С. Чувиковский [66], И.М. Белов, М.А. Кудрин и др. Однако в этих работах оценка сил сопротивления вибрации произведена без учета влияния скорости хода и

формы корпуса судна. Этот пробел в известной степени устранен в работах Г.Б. Крыжевича [30, 35, 36], установившего характер влияния транцевой оконечности скоростных судов на силы сопротивления вибрации.

Однако для движущихся судов силы сопротивления вибрации изучены мало. В число немногочисленных работ, посвященных изучению вибрации судов, движущихся по тихой воде можно отнести следующие: В.А. Египко, Д.М. Ростовцев [58], В.А. Родосский, E.H. Щукина [72, 73, 78], которые рассматривали только местную вибрацию простых элементов корпуса в потоке жидкости, вызванном ходом судна.

С увеличением скорости хода судна появляются гидродинамические силы волновой и вязкостной природы, которые могут существенно влиять на результаты расчетов амплитуд общей вибрации судов. В настоящее время нет достоверных сведений о количественном влиянии этих сил на амплитуды вынужденной вибрации судна и отсутствуют практические методы расчета сил сопротивления общей вибрации. Эти обстоятельства являются важной причиной появления погрешностей при оценке амплитуд вынужденной вибрации скоростных и высокоскоростных судов.

Методами оценки сил сопротивления общей вибрации занимались Ю.Н. Шавров, Э.И. Иванюта, Ю.А. Шиманский [20, 68, 69]. Однако характер влияния скорости хода судна на сопротивление общей вибрации эти авторы не выявили.

Стоит отметить работы Таранухи H.A. и Журбиной H.H. [62, 63, 64], которые посвящены анализу влияния сил вязкостной природы в расчетах вибрации пластин. В их работах утверждается, что гидродинамическое демпфирование колебаниям, а точнее его вязкостная составляющая, играет решающую роль в сопротивлении вибрации, как для движущегося судна, так и для судна без хода. Однако в этих работах особый интерес представляют количественные оценки только для замеренных в эксперименте сил сопротивления вибрации консольно закрепленных пластин, совершающих колебания в жидкости. Попытки численного анализа сил вязкостного

сопротивления жидкости вибрации корпуса судна пока не привели к появлению достоверных методов расчета этих сил. Также отсутствуют рекомендации по использованию приближенных методов определения сил сопротивления вибрации.

Представляются перспективными методы численного определения гидродинамических сил сопротивления вибрации. Поэтому при разработке этих методов полезен учет большого вклада, внесенного коллективом ученых под руководством Лобачева М.П. В частности их работы посвящены развитию методов численного решения задач гидродинамики и анализу влияния моделей турбулентности на расчеты вязкостного сопротивления судов [46, 47].

Цель и задачи исследования Целью диссертационной работы является оценка влияния гидродинамических сил сопротивления воды движению судна, имеющих волновую и вязкостную природу, на демпфирование общей вынужденной вибрации судов (включая суда переходного режима движения и глиссирующие суда) и разработка практических методов расчета сил гидродинамического сопротивления общей вибрации.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1) предложены практические методы расчета гидродинамических сил сопротивления общей вибрации волновой и вязкостной природы для судов переходного режима движения и глиссирующих судов;

2) выполнен анализ различных существующих методов определения сил сопротивления жидкости общей вибрации и предложены новые, позволяющие производить учет гидродинамического демпфирования волновой и вязкостной природы;

3) проведен анализ влияния конструктивных факторов и скорости хода и тона колебаний на характеристики сил сопротивления жидкости общей вибрации с помощью численных методов;

4) разработаны рекомендации по использованию численных методов в расчетах колебаний судовых конструкций и в расчетах сил сопротивления вынужденной вибрации судна.

Методы исследования Для решения задач, поставленных в диссертационной работе, были привлечены методы теории вибрации корабля, экспериментальные методы строительной механики корабля, а также методы численной гидродинамики. Методика учета сил гидродинамического демпфирования основана на методах решения задач строительной механики корабля и гидродинамики.

Актуальность диссертации С ростом скорости судна наблюдается тенденция к увеличению интенсивности гидродинамических сил, обусловленных взаимодействием корпуса с морскими волнами. Эти силы вызывают волновую вибрацию, которая, в свою очередь, неблагоприятно сказывается на прочности и усталостной долговечности судов. Существуют многочисленные программные комплексы на базе МКЭ для расчета частот и форм колебаний конструкций, однако отсутствуют надежные методы и программы для расчета вынужденной общей вибрации судов. Точность расчета вынужденной общей вибрации судов в большой степени зависит от достоверности оценки гидродинамических сил при вибрации, и, в особенности, от точности определения сил гидродинамического демпфирования. В большей мере сказанное относится к расчетам резонансных режимов вибрации на частотах, соответствующих низшим тонам колебаний.

Внешние силы, действующие на корпуса высокоскоростных судов в условиях волнения, а также их интегральные характеристики, должны определяться с учетом упругих колебаний корпуса высокоскоростного судна. Гидродинамическое демпфирование волновой и вязкостной природы оказывает большое влияние на такие упругие колебания. Однако в

существующих методиках определения внешних сил ранее допускалось пренебрежение этим типом демпфирования. Вместе с тем традиционные подходы к оценке сил демпфирования колебаний (внутренних сил на основе гипотезы Сорокина и сил внешнего сопротивления па основе гипотезы Фохта) дают неправдоподобно большие значения интегральных характеристик внешних сил, которые могут достигать 10 раз и более отличаться от истинных значений, определенных экспериментально.

Завышение происходит из-за того, что в подавляющем большинстве случаев колебания корпуса, вызванные очередным ударом судна о встречную волну, накладываются на колебания, которые были вызваны предыдущим ударом. Однако на самом деле, из-за гидродинамического демпфирования темп затухания колебаний велик; он значительно превышает расчетный темп затухания, оцененный на основе традиционных подходов и имеющихся рекомендаций [7, 20, 56]. Вследствие этого, ошибка, связанная с недооценкой гидродинамического демпфирования вибрации скоростных и высокоскоростных судов всегда очень велика.

Таким образом, необходимо создание новых методов определения не только внешних силовых воздействий на конструкции высокоскоростных судов, но и их динамических реакций (гидроупругих колебаний). На данный момент можно достаточно точно решать задачи вибрации судна только на тихой воде без хода, либо имеющего небольшую скорость хода. При такой постановке задачи, то есть при отсутствии хода, волнения и качки, влияние жидкости на гидроупругие колебания сводится к следующему:

1) увеличению инерционных характеристик гидроупругой системы (присоединенные массы жидкости, суммирующиеся с массами конструкции);

2) рассеянию энергии колеблющимся судном вследствие образования на поверхности жидкости гравитационных волн.

Однако, по мнению Д.М. Ростовцева [56, 59] такое рассеяние почти не влияет на процесс колебаний.

В настоящей работе показано, что учет такого явления, как гидродинамическое демпфирование, обусловленное вызванными ходом судна силами волновой и вязкостной природы, а также вихреобразованием очень часто сильно влияет на общую вибрацию корпуса судна и его конструкций. Особенно важен учет гидродинамического демпфирования волновой и вязкостной природы при анализе волновой вибрации судов (включая суда переходного режима движения и высокоскоростные суда).

Структурная схема диссертационной работы

Разработка методов расчета характеристик демпфирования общей вибрации судов с учетом гидродинамических сил волновой и вязкостной природы

Разработка методики оценки характеристик демпфирования на основе результатов численных расчетов

Гидродинамическое демпфирование при продольном обтекашш корпуса Гидродинамическое демпфирование при поперечном обтекании корпуса

Ж.

Применение численных методов для определения сил гидродинамического демпфирования вибрации волновой и вязкостной природы

Ж

Верификация путем решения тестовых задач

Оотеканне корпуса судна переходного режима движения

Ф

Ж

Обтекание цилиндра с отрывом вихрей

Рекомендации по формированию конечно-элементных сеток и по использованию параллельных

вычислений * =

Анализ влияния конструктивных факторов и скорости хода судна на характеристики гидродинамического демпфирования волновой и вязкостной природы

Разработка практических методов расчета характеристик гидродинамического демпфирования

вибрации волновой и вязкостной природы

Оценка достоверности результатов путем сопоставления их с результатами испытаний

физической модели

Рис. 1. Структурная схема диссертационной работы

В целом диссертационная работа посвящена разработке практических методов расчета сил гидродинамического сопротивления волновой и вязкостной природы общей вибрации судов переходного режима движения и быстроходных судов (рис.1). Внедрение этих методов в практику связано с реализацией двух направлений. Во-первых, с разработкой методики оценки характеристик демпфирования на основе результатов численного

моделирования, которую можно разбить на две составляющие: гидродинамическое демпфирование при продольном обтекании корпуса и гидродинамическое демпфирование при поперечном обтекании корпуса. Более подробно решение этих задач рассмотрено в главах 2 и 3 соответственно. Во-вторых, необходимо разработать рекомендации по использованию численных методов для определения сил гидродинамического демпфирования вибрации. Для этого было решено несколько тестовых задач и примеров, в том числе продольное обтекание неподвижного корпуса судна переходного режима движения и обтекание цилиндра с отрывом вихрей. В ходе решения представленных задач были получены рекомендации по использованию параллельных вычислений и формированию конечно-элементных сеток для последующих задач. После верификации рассматриваемых задач проведен анализ влияния конструктивных факторов и скорости хода судна на показатели гидродинамического демпфирования. Затем предложен практический метод расчета характеристик гидродинамического демпфирования вибрации. В итоге проведена оценка достоверности полученных результатов путем сопоставления их с имеющимися результатами испытаний физической модели.

Практическая значимость диссертации

В результате диссертационного исследования разработан метод расчета амплитуд вынужденной общей вибрации судов (включая суда переходного режима движения и высокоскоростные суда), обладающий повышенной точностью благодаря учету сил гидродинамического сопротивления волновой и вязкостной природы. Разработаны практические методы расчета характеристик гидродинамического демпфирования.

Реализация результатов работы Полученные результаты работы были использованы лабораторией прочности и надежности конструкций ФГУП «Крыловский государственный

научный центр» при выполнении ОКР «Процессор-Плюс» и ОКР «Синтез» в 2012г., а также в учебном процессе при подготовке студентов по специальности «Прикладная механика» в Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете при чтении курса «Гидроаэроу пру гость». Разработана программа для ЭВМ «Программа расчета гидродинамических сил, действующих на плоский контур, который совершает вертикальные гармонические колебания на поверхности жидкости», на которую получено свидетельство о государственной регистрации №2011618708.

Использование полученных результатов позволяет достоверно оценивать роль гидродинамического демпфирования волновой и вязкостной природы при расчетах амплитуд вынужденной вибрации судов.

Основные результаты работы, выносимые на защиту:

1. верифицированный метод расчета амплитуд вынужденной общей вибрации судов с учетом ее демпфирования гидродинамическими силами волновой и вязкостной природы, позволяющий повысить точность расчетов волновой вибрации до 30 %;

2. результаты численного анализа влияния скорости судна, тона колебаний, формы поперечного сечения судна, формы скуловых килей и относительной осадки на характеристики демпфирования, вызванного гидродинамическими силами волновой и вязкостной природы. Установлены диапазоны сильного влияния перечисленных факторов на амплитуды общей вынужденной вибрации судов;

3. практический метод расчета гидродинамических сил сопротивления общей вибрации судов (включая суда переходного режима движения и глиссирующие суда), основанный на использовании приближенных формул, позволяющих упростить и ускорить выполнение расчетов общей вибрации.

Апробация работы

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

1 ) IX молодежной научно-технической конференции «Взгляд в будущее - 2011» (СПб, ФГУП «ЦКБ МТ «Рубин», май 2011 г.);

2) VI международной конференции "Военно-морской флот и судостроение в современных условиях" (NSN'2011, СПб, июнь 2011 г.);

3) II Всероссийской научно-технической конференции "Суперкомпьютерные технологии" (СКТ-2012, с. Дивноморское Геленджикского района Краснодарского края, сентябрь 2012 г.);

4) Научно-технической конференции, посвященной памяти проф. П.Ф. Папковича (СПб, ФГУП «ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова», декабрь 2012

г.);

5) VII международной конференции "Военно-морской флот и судостроение в современных условиях" (NSN'2013, СПб, июль 2013 г.);

6) XI международной конференции и выставки по освоению ресурсов нефти и газа Российской арктики и континентального шельфа стран СНГ (RAO/CIS Offshore 2013, СПб, сентябрь 2013 г.);

7) научно-технической конференции по строительной механике корабля, посвященной памяти академика Ю. А. Шиманского (СПб, ФГУП «Крыловский государственный научный центр», декабрь 2013 г.);

8) XX международном симпозиуме «Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред» им. А.Г.Горшкова (Ярополец, февраль 2014 г.);

9) XXVII сессии Российского акустического общества, посвященной памяти ученых-акустиков ФГУП «Крыловский государственный научный центр» А. В. Смольякова и В. И. Попкова (СПб, апрель 2014 г.);

10) XXVI Международной инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов МИКМУС ИМАПТ РАН (Москва, декабрь 2014 г.).

ГЛАВА 1

РАСЧЕТ ВИБРАЦИИ С УЧЕТОМ СИЛ СОПРОТИВЛЕНИЯ ВОДЫ

ДВИЖЕНИЮ СУДНА

1.1. Механизмы рассеяния энергии в жидкость и классификация гидродинамических сил при демпфировании общей вибрации

судна

При расчетах вибрации движущихся судов обычно пренебрегают потерями энергии в жидкости, либо учитывают их недостаточно корректно [6, 16, 20, 45, 56]. Это связано с тем, что во внимание не принимаются гидродинамические силы волновой и вязкостной природы, влияющие на рассеяние энергии при общей вибрации. К факторам, влияющим на эти силы, относятся скорость судна, формы его оконечностей, наличие скуловых килей и т.д. Это происходит ввиду сложности изучения проблемы гидродинамического демпфирования и отсутствия практических рекомендаций по учету такого явления. Однако гидродинамические силы демпфирования сильно влияют на низкочастотные резонансные режимы вибрации судов переходного режима движения и высокоскоростных судов. В работах [29, 30, 32, 33, 34] развит новый подход к оценке вибрационных характеристик скоростных судов с учетом гидродинамического демпфирования судна с транцевой кормовой оконечностью.

В дополнение к внутренним потерям в конструкциях и системах судна, которые имеют большое значение при анализе вибрационных характеристик тихоходного судна выделим специфические виды демпфирования, возникающие при движении судна. Гидродинамическое демпфирование можно разбить на несколько составляющих:

1. транцевое демпфирование, учет которого важен для быстроходных судов;

2. волновое и вязкостное сопротивление колебаниям (зависит от распределения силы сопротивления воды движению судна по его длине);

3. вязкостное демпфирование, возникающее при поперечном обтекании судна.

Перечисленные выше составляющие гидродинамического

демпфирования соответствуют шести механизмам рассеяния энергии в

жидкость (рис. 1.1.1):

1. Образование гидродинамических сил вязкостной природы при безотрывном обтекании тела, вызванном вибрацией;

2. образование сил вихревой природы при отрывном обтекании тела или его элементов, вызванном вибрацией;

3. механизм «стекания» импульсов с кормовой части тела;

4. «стекание» образованных вибрирующим телом импульсов в формируемый при установившемся поступательном движении тела пограничный слой;

5. унос колебательной энергии носовой системой корабельных волн, генерируемой поступательным движением тела;

6. Брызгообразование на режимах глиссирования

Рис. 1.1.1. Схема рассеяния энергии в жидкость (1 - от корпуса в пограничный слой жидкости при поперечном обтекании ею корпуса, 2 - от скулового киля в жидкость, 3 - от кормы в кильватерный след, 4 - от корпуса в пограничный слой жидкости при продольном обтекании ею судна, 5 — от корпуса в корабельные волны).

1.2.Форма представления сил сопротивления воды ходу судна и

демпфирование общей вибрации

Сформулируем задачу общей вибрации скоростного судна, испытывающего воздействие силы сопротивления жидкости ходу судна Я. Пренебрегая влиянием колебательного движения конструкции на течение жидкости, эту силу, как известно, можно рассматривать как сумму

К = Ят+Яд, (1.2.1)

где Ят - сопротивление трения, обусловленное возникновением касательных напряжений на обшивке вследствие вязкости жидкости, представляющее собой проекцию результирующей этих напряжений на направление скорости движения судна; Яд — проекция результирующей гидродинамических давлений на направление скорости, движения.

Сопротивление Яд обусловлено вязкостными и гравитационными свойствами жидкости и, в свою очередь, традиционно принято разделять на две составляющие:

ЯД=ЯФ+ЯВ, (1.2.2)

где Яф — сопротивление формы, обусловленное в основном влиянием вязкости жидкости на распределение гидродинамических давлений по поверхности корпуса (а также приращением сопротивления трения от влияния кривизны поверхности тела, если это сопротивление определяется приближенным способом с использованием понятия эквивалентной пластины); Яв - волновое сопротивление, которое обусловлено весомостью воды и возникает вследствие перераспределения гидродинамических давлений по поверхности корпуса вследствие образования гравитационных волн, вызванных движением судна.

Те или иные из составляющих сопротивления являются определяющими практически для всех типов судов. Основное допущение, которое используется при приближенной оценке силы сопротивления воды,

состоит в пренебрежении взаимодействием перечисленных составляющих этой силы. Подобное представление о пренебрежении взаимным влиянием составляющих сопротивления позволяет с определенной степенью точности производить пересчет результатов модельных буксировочных испытаний на натуру и удобно для анализа относительной доли этих составляющих в полном сопротивлении. При этом для расчета вязкостного сопротивления можно использовать теорию пограничного слоя, а для расчета волнового сопротивления - теорию волновых движений невязкой (идеальной) жидкости.

Фактически физические процессы, обусловливающие возникновение различных составляющих сопротивления, строго говоря, не являются независимыми и, следовательно, имеет место некоторое взаимодействие между составляющими. В ряде случаев его учет может оказаться необходимым и достижимым при использовании численных методов гидродинамики вязкой жидкости.

Сумма сопротивления трения и сопротивления формы принято называть вязкостным сопротивлением

Кок=Вт+*Ф, (1.2.3)

поэтому полное сопротивление можно записать в виде

Л^+Дф+^^+Дд. (1.2.4)

Полное сопротивление воды можно представить в виде функции скорости хода судна V

2

Я = (1.2.5)

или, с учетом зависимостей (1.2.3) и (1.2.4), в виде выражения

Я = + СФ + ^ := + ^ , (1.2.6)

где 4"= Сг + Сф + Св ~ коэффициент полного сопротивления, равный сумме соответствующих составляющих гидродинамических коэффициентов трения формы Сф и волнового гидродинамического коэффициента Св; £<1Я1К -вязкостный гидродинамический коэффициент; р — массовая плотность воды; - смоченная поверхность так называемого «голого» корпуса.

Кроме указанных выше составляющих сопротивления голого корпуса часто выделяют и сопротивление выступающих частей корпуса

2

О-2-7)

К таким частям обычно относят вертикальный и скуловые кили, судовые рули, гребные валы, их кронштейны, ахтерштевень и т. д. Сопротивление выступающих частей, как и сопротивление всего корпуса, может быть представлено в виде формул, аналогичных (1.2.4) или (1.2.6). При определении сопротивления выступающих частей полезно учитывать влияние обтекания корпуса, а при близком расположении выступающих частей - их взаимодействие.

Значения коэффициентов сопротивления трения и сопротивления формы зависят не только от соотношения главных размерений и формы судовых обводов (и соответствующих особенностей образования пограничного слоя на корпусе), состояния поверхности (ее шероховатости),

но и от числа Рейнольдса 11е = — {Ь — длина судна, и — коэффициент

и

кинематической вязкости жидкости), определяющего важнейшие свойства пограничного слоя жидкости.

При оценке сопротивление трепия, являющегося одной из основных составляющих полного сопротивления, необходимо принимать во внимание, что для натурных судов даже при относительно малых скоростях движения

о

пограничный слой оказывается турбулентным (Яе > 10 ) практически по всей длине корпуса. При выполнении расчетов сопротивление трения судов

обычно принимается равным сопротивлению трения эквивалентной пластины, т. е.

Ст = Сэ.п, (1.2.8)

где ^э.ц— коэффициент сопротивления турбулентного трения эквивалентной пластины, т. е. тонкой пластины прямоугольной формы, имеющей длину, равную длине судна по действующей ватерлинии, смоченную поверхность, равную его смоченной поверхности О (для неподвижного корпуса), и движущейся в той же жидкости со скоростью судна. При этом характеристики пограничных слоев судна и эквивалентной пластины, определяемые числом Рейнольдса Яе, должны соответствовать друг другу. Наряду с величиной часто рассматривается - надбавка на

шероховатость, учитывающая дополнительное (по сравнению с гладкой поверхностью) сопротивление, вызванное наличием на корпусе микронеровностей, распределенных по всей поверхности (общая шероховатость), и местных неровностей - небольших выступов (заклепки, сварные швы), вырезов в обшивке (местная шероховатость). Подобное разделение сопротивления трения весьма условно, но оно позволяет существенно упростить анализ влияния различных факторов и часто используется в практических схемах расчета сопротивления трения судов. Коэффициент трения эквивалентной пластины ¿¡э-п учитывает влияние числа Яе и особенностей режима в пограничном, слое, а коэффициент С,щ - степень чистоты обработки обшивки и наличие местных шероховатостей. Представление о величине £,Э-п в зависимости от числа Рейнольдса и протяженности ламинарного участка в пограничном слое можно получить с помощью зависимостей, приведенных на рис. 1.2.1.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Норьков, Евгений Сергеевич, 2015 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Александров A.B., Крыжевич Г.Б. Особенности плоского обтекания скуловых зон судов при качке. — Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, 2010, вып. 55 (339).

2. Александров A.B., Крыжевич Г.Б., Норьков Е.С., Шапошников В.М. Применение современных программных комплексов численной гидродинамики при решении задач прочности и вибрации конструкции корабля // Судостроение - СПб, выпуск 2, 2012, с.23-27.

3. Александров A.B., Норьков Е.С. Определение ходового изгибающего момента водоизмещающего судна с применением компьютерного моделирования на основе методов численной гидродинамики // Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова - СПб, выпуск 67(351), 2012, с.99-102.

4. Александров A.B., Норьков Е.С. Программа расчета гидродинамических сил, действующих на плоский контур. Который совершает вертикальные гармонические колебания на поверхности жидкости. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011618708, 2011.

5. Александров A.B., Крыжевич Г.Б., Норьков Е.С., Шапошников В.М. Применение распределенных вычислений при решении сопряженных задач прочности и гидродинамики судов // Сборник трудов Второй Всероссийской научно-технической конференции «Суперкомпьютерные технологии» - с. Дивноморское Геленджикского района Краснодарского края, 2012.

6. Акулаев B.C. Исследование физической природы рассеяния энергии при вибрации корпуса судна. // Тр. ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова. 1962. Вып. 186.

7. Бабаев H.H., Лентяков В.Г. Некоторые вопросы общей вибрации судов. Л.: Судпромгиз, 1961.

8. Бельгова М.А. Изгибающие моменты для судов внутреннего плавания на волнении. Л.: Судостроение, 1966.

9. Бойцов Г.В., Палий О.М. Прочность и конструкция корпуса судов новых типов. Л.: Судостроение, 1979.

10. Бойцов Г.В., Вагенгейм С.Г. Волновая вибрация судов. // Вопросы судостроения. Сер. Проектирование судов. 1978. Вып. 17.

11. БреббиаК., Уокер С. Динамика морских сооружений. JL: Судостроение, 1983.

12. Бреббиа К., Телес Ж., Вроубел JI. Методы граничных элементов. М.: Мир, 1987.

13. Григорьев В.Д., Постнов В.А. Численный алгоритм решения нестационарной задачи гидроупругости при наличии свободной поверхности жидкости. // Тр. ЛКИ «Динамика и прочность судовых конструкций». 1986.

14. Гурьев Ю.В., Красиков В.И., Калинин О.С. Нелинейная математическая модель прогнозирования позиционных и вращательных характеристик ПЛ. Материалы НТК. Посвященной 95-летию со дня рождения А.Н.Патрашева. СПб: ВМИИ, 2005

15. Гурьев Ю.В., Ткаченко И.В. Моделирование гидродинамических реакций, действующих на подводные объекты, методами вязкой и невязкой жидкости. Труды НТК «Проблемы мореходных качеств судов и корабельной гидромеханики». XLI Крыловские чтения. СПБ, 2003.

16. Давыдов В.В., МаттесН.В. Динамические расчеты прочности судовых конструкций. Л.: Судостроение, 1974.

17. Дорофеюк С.К. Исследование присоединенных масс воды при упругих колебаниях корпуса судна. // Тр. ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. 1956. Вып. 105.

18. Ершов Н.Ф., Шахверди Г.Г. Метод конечных элементов в задачах гидродинамики и гидроупругости. Л.: Судостроение, 1984.

19. Иванов М.А., Крыжевич Г.Б. Экспериментальное и расчетное исследование влияния гидродинамического демпфирования на общую вибрацию скоростного судна. - Труды ЦНРШ им. акад. А.Н. Крылова, 2012, выпуск 67 (351).

20. Иванюта Э.И. Определение коэффициентов внутреннего сопротивления при расчетах вынужденной вибрации корпуса. // Судостроение. 1982. №12.

21. Коллатц Л. Задачи на собственные значения. М. Наука, 1968.

22. Короткин Я.И., Ростовцев Д.М., Сивере Н.Л. Прочность корабля. Л.: Судостроение, 1974.

23. Короткин Я.И. и др. Волновые нагрузки корпуса судна. Л.: Судостроение, 1987.

24. Короткин А.И. Присоединенные массы судна: Справочник. Л.: Судостроение, 1986.

25. Крыжевич Г.Б. Об определении матриц присоединенных масс при расчете гидроупругих колебаний методом конечных элементов. // Сб. НТО им. акад. А.Н. Крылова. 1977. Вып. 262.

26. Крыжевич Г.Б. Применение метода Ритца при расчете общей вибрации судна. // Тез. докладов на Всесоюзной научно-техн. конф. «Проблемы прочности и надежности конструкций ...» Л. 1979.

27. Крыжевич Г.Б. Влияние жидкости на параметры вертикальных колебаний скеговых кораблей на воздушной подушке. // Вопросы судостроения. Сер. «Проектирование судов». 1981. Вып. 34.

28. Крыжевич Г.Б. Воздействие сил, вызванных пульсациями давления на поверхности жидкости, на погруженное в жидкость твердое тело. // Сб. НТО имени акад. А.Н. Крылова. 1981. Вып. 338.

29. Крыжевич Г.Б. Учет энергообмена с внешней средой при расчете общей вибрации судна, движущегося в условиях волнения. // Тр. научно-техн. конф., посвящ. 125-летию И.Г.Бубнова. Санкт-Петербург: ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, 1998.

30. Крыжевич Г.Б. Нелинейные гидроупругие колебания корпуса судна, движущегося в условиях волнения. // Тр. ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. 2001. Вып. 11.

31. Крыжевич Г.Б. Математическое моделирование вибрации судна в условиях волнения. // Тр. XIX Междунар. конф. «Математическое моделирование в механике сплошных сред. Методы граничных и конечных элементов». 2001. Т. 1.

32. Крыжевич Г.Б. Практический метод учета рассеяния энергии в жидкости при общей вибрации скоростных судов. // Тр. научно-техн. конф., посвящ. памяти проф. И.Г. Бубнова. ЦНИИ им. акад. A.M. Крылова. 2004.

33. Крыжевич Г.Б. Особенности расчета вынужденной общей вибрации скоростных судов. //Морской вестник. 2005. № 2.

34. Крыжевич Г.Б. Практический метод учета рассеяния энергии в жидкости при общей вибрации скоростных судов. // Судостроение. 2005. № 5.

35. Крыжевич Г.Б. Влияние скорости хода судна и рассеяния энергии в жидкости на динамический изгиб корпуса при слеминге. // Тр. научно-техн. конф. «Кораблестроительное образование и наука — 2005» СПбГМТУ. 2005.

36. Крыжевич Г.Б. Динамический изгиб корпуса скоростного судна при слеминге. // Морской вестник. 2006. № 1.

37. Крыжевич Г.Б. Гидроупругость конструкций судна (монография). СПб: Издательство ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, 2006.

38. Крыжевич Г.Б. Демпфирование общей вибрации судна и влияние на нее гидродинамических сил волновой и вязкостной природы. — Труды Крыловского государственного научного центра, 2013, выпуск 76 (360).

39. Крыжевич Г.Б., Норьков Е.С. Практический метод расчета сил гидродинамического сопротивления общей вибрации судна // Труды Крыловского государственного научного центра - СПб, выпуск 82(366), 2014, с.129-138.

40. Крыжевич Г.Б., Норьков Е.С. Расчет сил гидродинамического сопротивления общей вибрации скоростного судна и гидросамолета, движущегося в режимах взлета и посадки // Материалы XX международного симпозиума «динамические и технологические проблемы механики

конструкций и сплошных сред» им. А.Г. Горшкова - Москва, том 1, 2014, с. 119-121.

41. Крыжевич Г.Б., Норьков Е.С. Влияние сопротивления внешней среды на общую вибрацию корабля // Труды Седьмой международной конференции «Военно-морской флот и судостроение в современных условиях», NSN'2013 -СПб, 2013.

42. Крыжевич Г.Б., Норьков Е.С. Расчетное прогнозирование гидродинамических сил, действующих на плохообтекаемые конструкции морских буровых установок // Труды 11-й международной конференции и выставки по освоению ресурсов нефти и газа Российской арктики и континентального шельфа стран СНГ (RAO/CIS Offshore 2013) - СПб, 2013.

43. Крыжевич Г.Б., Норьков Е.С. Hydrodynamic resistance to vessel global vibration analysis by numerical methods and development of simplified analysis method // Сборник трудов VII международной научно-практической конференции по гидродинамике в области судостроения, океанотехники, подводной техники и других морских наук APHydro 2014 - Владивосток, 2014.

44.Крылов А.Н. Вибрация судов. Москва: ОНТИ НКТП. Редакция судостроительной литературы, 1936.

45. Курдюмов A.A. Вибрация корабля. Л.: Судостроение, 1961.

46. Лобачев М.П., Иванов Н.Г., Смирнов П.Е., Овчинников H.A., Панов Д.О., Рис В.В., Смирнов Е.М. Тестирование двухпараметрических низкорейнольдсовых моделей турбулентности применительно к задачам обтекания судов полных обводов. СПб: Труды ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, 2010. №53, с.45-50.

47. Лобачев М.П.. Денисихина Д.М., Пустотный A.B., Чичерин И.А. Влияние выбора модели турбулентности на точность расчета вязкостного сопротивления транспортных судов. Морской вестник. 2008. №3, с.95-100.

48. Ментер Ф. (F.Menter), Куптц M. (M.Kuntz), Патрик Шарки (Patrick

Sharkey), Сергей Якубов. Технологии/CFX Моделирование взаимодействия жидких сред и элементов конструкций в ANSYS. «ANSYS Solutions». Русская редакция. Зима 2007

49. Мнев E.H., Перцев А.К. Гидроупругость оболочек. JL: Судостроение,

1970.

50. Норьков Е.С., Рудниченко A.A. Анализ особенностей распределения по длине корпуса сил сопротивления воды движению скоростного судна // Труды Крыловского государственного научного центра - СПб, выпуск 82(366), 2014, с.139-146.

51. Норьков Е.С. Анализ плоского обтекания контуров судовых шпангоутов // Материалы IX молодежной научно-технической конференции «Взгляд в будущее - 2011» - СПб, ФГУП «ЦКБ МТ «Рубин», 2011.

52. Норьков Е.С. Результаты анализа методами вычислительной гидродинамики сил внешнего сопротивления общей вибрации скоростных и высокоскоростных судов // Собрание трудов XXVII сессии Российского акустического общества - СПб, 2014.

53. Осипов O.A. Влияние формы поперечных сечений судна на динамические нагрузки, вызывающие вибрацию корпуса. // Тр. ЦНИИМФ. Л.: Транспорт,

1971. Вып. 134.

54. Плыкин М., Чернов А. Параллельные возможности ANSYS. «ANSYS Solutions». Русская редакция. Весна 2008

55. Поляков В.И., Белов И.М., Бояновский B.C. Расчетное прогнозирование уровней вибрации надстроек транспортных судов. // Судостроение. 1986. №5.

56. Постнов В.А., Калинин B.C., Ростовцев Д.М. Вибрация корабля. Л.: Судостроение, 1983.

57. Постнов В.А., Хархурим И.Я. Метод конечных элементов в расчетах судовых конструкций. Л.: Судостроение, 1974.

Iii,,

58. Ростовцев Д. М. Присоединенные массы при вибрации днищевых перекрытий. // В кн. «Проблемы строительной механики корабля» (К 100-летию со дня рождения И. Г. Бубнова). J1.: Судостроение, 1972.

59. Ростовцев Д.М. Гидроупругие колебания судовых конструкций: Учебное пособие. Л.: Изд. ЛКИ, 1977.

60. Рудниченко A.A. Численное определение гидродинамических характеристик скоростных судов. — Труды Крыловского государственного научного центра, 2013, выпуск 78 (362).

61. Сочинский С. В. К расчету присоединенных масс воды при общей вибрации судна. // Судостроение, 1973. № 6.

62. Тарануха H.A., Журбин О.В., Журбина И.Н., Чижиумов С.Д. Математическая модель динамики судна на волнении. СПб: Морские интеллектуальные технологии, 2011. №2, с.54-58

63. Тарануха H.A., Журбин О.В., Журбина И.Н. Решение задачи о колебаниях судовых конструкций с учетом сопротивления внешней среды различной плотности. СПб: Морские интеллектуальные технологии, 2012. №4, с.47-50

64. Тарануха H.A., Журбин О.В., Журбина И.Н. Экспериментальное определение коэффициентов внутреннего и внешнего сопротивления при колебаниях стальных конструкций в воздухе и жидкой среде различной плотности. СПб: Морские интеллектуальные технологии, 2012. №4, с.43-46

65. Таубин А.Г. Численный расчет вибрации судовых конструкций в жидкости с помощью метода граничных элементов. // Судостроительная промышленность. Сер. Проектирование судов. 1986 г. Вып. 1.

66. Чувиковский Г.С. Динамический изгиб корпуса судна при ударе о встречные волны. // Тр. ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. 1968. Вып. 245.

67. Чувиковский B.C. Численные методы расчета в строительной механике корабля. Л.: Судостроение, 1976.

68. Шиманский Ю.А. Расчет прочности глиссирующих катеров. // Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. 1946. Вып. 10.

69. Шиманский Ю.А. Динамический расчет судовых конструкций. Ленинград, 1948г.

70. Щукина Е.Н. Расчет вибрации судовых пластин, подкрепленных ребрами жесткости и соприкасающихся с жидкостью. // Тр. НИИ им. А.Н. Крылова. 1962, вып. 186.

71. Щукина Е.Н. О влиянии присоединенных масс жидкости на колебания элементов конструкций, входящих в состав судовых перекрытий. // Тр. НТО Судпрома. 1965. Вып. 66.

72. Щукина Е.Н., Родосский В.А. Исследование демпфирования колебаний пластин в потоке жидкости на моделях наружной обшивки судна. // Сб. "Вопросы судостроения", серия "Проектирование судов". 1982. Вып.31.

73. Щукина Е.Н., Федоров В.Н. Экпериментальные исследования влияния потока воды вибрационные и гидроупругие параметры судовых конструкций. // Тезисы докладов на Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы прочности и снижения материалоемкости корпусных конструкций..." в г. Ленинграде. 1982.

74. Машиностроение. Энциклопедия. Раздел IV «Расчет и конструирование машин», Т. IV-20 «Корабли и суда». Книга 1 «Общая методология и теория кораблестроения». СПб.: Политехника, 2003.

75. Lars Larsson, Frederick Stern, Volker Bertram, Benchmarking of computational fluid dynamics for ship flows: the Gothenburg 2000 workshop, Journal of ship research, vol.47, No.l, march 2003, pp. 63-81.

76. Kryzhevich G.B. Specific Features of Global Vibration Analysis for Planing Boats and Ships Operating in Transient Conditions. // Proc. of International Conference on Fast Sea Transportation FAST'2005. St. Petersburg, State Marine Technical University, 2005.

© $

77. Zienkiewicz O.C., Newton R.E. Coupled Vibrations of a Structure Submerged in a Compressible Fluid. // Proc. of the ISD/ISSC Symp. on Finite Element Techniques University of Stuttgart. Germany, 1969.

78. Shchukina E.N., Rodossky V.A. Nature of Origination and Assessment of Water Flow Damping Effect on Vibration of Ship Hull Skin. // Transactions of Krylov Shipbuilding Research Institute "Strength, Reliability and Operating Life of Ship and Off-Shore Structures". Saint-Petersburg, 1994.