Разработка способов проектного обоснования характеристик малых судов и катеров с учетом факторов обитаемости тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.03, кандидат технических наук Юдкина, Юлия Владимировна

• Юдкина, Юлия Владимировна
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Юдкина, Юлия Владимировна

Введение

В. 1. Актуальность темы.

В.2. Обзор основных работ.

В.З. Обзор характеристик быстроходных катеров и формирование базы данных. Вывод формул для предварительного проектирования.

В.4. Оценка стоимости и затрат. Формирование критериев оптимизации.

В.5. Логико-математическая постановка задачи.

Глава 1. Анализ модели исследуемого объекта

1.1. Влияние целевого назначения.

1.2. Конкретизация состава модели.

1.3. Нагрузка. Влияние применяемых материалов.

1.4. Центровка. Ветробойность, управляемость, устойчивость движения.

1.5. Остойчивость, взаимосвязь с качкой и критериальное значение крена на циркуляции.

Глава 2. Структурные характеристики. Анализ архитектурно-компоновочных вопросов

2.1. Анализ проблемы обитаемости и комфортабельности.

2.2. Оценка необходимых площадей.

2.3. Разработка эскиза компоновки.

2.4. Схема оценки непотопляемости.

Глава 3. Обоснование рациональных форм обводов корпуса в соответствии с режимом движения

3.1. Границы режимов движения. Оценка сопротивления и мощности при двух режимах и их взаимосвязь с параметрами формы корпуса.

3.2. Примеры теоретических чертежей и рекомендации по их построению.

3.3. Схема обоснования движительно-двигательного комплекса.

3.4. Схема предварительного расчета винтов и обоснование оптимальной частоты вращения с позиций оптимальности по ходкости.

3.5. Выбор двигателей из реальных каталогов.

Глава 4. Конструктивное проектирование и взаимосвязь со снижением: уровней вибрации

4.1. Особенности конструкции и прочности катеров.

4.2. Схемы мидель-шпангоутов для основных видов материалов.

4.3. Конструктивное проектирование и взаимосвязь со снижением уровней вибраций.

4.4 Обоснование оптимальной частоты вращения движителя и двигателя с позиций предотвращения вибрации.

Глава 5. Формирование методики проектирования, ориентированной на повышение обитаемости и снижения уровней вибрации

5.1. Анализ вопросов оптимизации.

5.2. Оптимизация общепроектных характеристик.

5.3. Оптимизация вопросов обитаемости и вибрации.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка способов проектного обоснования характеристик малых судов и катеров с учетом факторов обитаемости»

В.1. Общая характеристика диссертационного исследования

В.1.1. Актуальность темы

Малые быстроходные суда и катера проектируются и строятся, как суда многоцелевого назначения и являются важной составной частью флота, имеющей большую специфику в решении проектных вопросов.

Одно из отличий малых судов и катеров от обычных водоизмещающих судов связано с вопросами функционального использования. В отличие от обычных судов, для которых схема оптимизации хорошо разработана и у которых доминирует подсистема «Корпус», для катеров доминирует комплекс основного функционирования, то есть подсистема "Общественные и жилые помещения". Основными тенденциями развития малых судов заключается в достижении высоких скоростей при помощи значительных мощностных потенциалов, что в свою очередь ведет к высокой энерговооруженности. Соответственно, модель проектирования быстроходных катеров является примером одной из самых сложных логико - математических моделей, в связи с тем, что в оптимизационной системе для малых судов и катеров можно выделить несколько доминирующих функциональных подсистем.

На стыке задач, определяющих характеристики доминирующих функциональных подсистем, заключается вопрос обитаемости и комфортабельности.

Обитаемость оценивается уже на стадии эксплуатации, когда изменить принятые при проектировании решения не удается. Для недопущения принятия неблагоприятных проектных решений необходимо на ранних этапах проектирования рассмотреть важные свойства катера, которые могут повлиять на жизнедеятельность и работоспособность людей на борту. Эти факторы объединены в свойство обитаемости.

Актуальность диссертационного исследования заключается в решении оптимизационной задачи - выбора варианта проекта с наилучшим показателем согласованного критерия, учитывая при этом обитаемость. В.1.2. Цель и содержание работы

Целью работы является разработка способов, алгоритмов и программных комплексов, решающих задачу обоснования проектных характеристик катеров, с учетом факторов обитаемости на ранних стадиях проектирования. Решаемыми вопросами комплекса являются определение главных размерений, основных статей нагрузки, выбор пропульсивного комплекса, включающего в себя выбор формы обводов корпуса, типа движителя и двигателя, отвечающим основным требованиям Заказчика и условиям обитаемости. В.1.3. Объект исследования

Объектом исследования являются способы проектирования судов и быстроходных катеров с длиной корпуса от 8 до 30 м, полной массой до 70 т и совершенствование этих способов. Рассматриваемые суда разделены на три классификационные группы по признаку назначения - патрульные, моторные яхты, служебные катера. По режиму движения рассматриваемые катера делятся на три типа: водоизмещающие, переходного режима и глиссирующие. В.1.4. Теоретическое значение исследования

- Разработан алгоритм и программный комплекс по оптимизационному проектному выбору характеристик быстроходных катеров. Учтены расширенные требования, в том числе, по предотвращению резонансных вибраций от двигателя и движителя.

- Применена методическая схема выбора энергетической установки, конкретно учитывающая типоряды двигателей, поставляемых моторостроительными фирмами.

- Выполнен проектный анализ уровня обитаемости для малых судов и катеров. Функция оценки обитаемости сформирована сочетанием восьми локальных функций, определяющих благоприятные условия пребывания людей на борту.

Обновлены рекомендации по адаптации существующих способов проектирования применительно к исследовательской стадии проектирования. В.1.5. Научная новизна

В результате проведенных исследований в работе получен ряд новых научных результатов. Важными новыми результатами являются методические указания и программные комплексы, позволяющие обосновывать проектные характеристики малых судов и катеров с учетом согласованного критерия, а также детально анализировать вопросы повышения обитаемости и предотвращения вибрации. Разработана логико-математическая модель для определения главных размерений, нагрузки, ходкости, компоновки, центровки, и проверки выполнения требований к плавучести, остойчивости, управляемости, непотопляемости и предотвращения резонансных вибраций от движителя и двигателя.

Новые результаты, полученные в результате диссертационного исследования, включают в себя:

- Способ определения главных размерений катера, основанный на анализе совместного решения уравнений функциональной оборудованное™, ходкости и мореходности.

- Алгоритм определения уровня обитаемости двух сравниваемых проектов.

- Схема анализа предотвращения резонансных вибраций путем выбора характеристик двигателя и движителя.

В.1.6. Практическая значимость

Практическая значимость диссертационного исследования обеспечена прикладной направленностью и созданием конкретных программных комплексов, приспособленных к применению в практике. В.1.7. Внедрение

Результаты исследования внедрены при разработке техно-рабочего проекта 82340 многоцелевого катера переходного режима в АО «Нептун-Судомонтаж» (г. Долгопрудный Московской области). Разработки по проектному анализу уровня обитаемости малых судов и катеров и проектному выбору характеристик малых судов и катеров внедрены на ОАО «Морском заводе Алмаз» и в ряде других организаций. В.1.8. Апробация

Основные разделы исследования представлялись на международных конференциях в 2003-2007 годах «Моринтех» и «Моринтех-Юниор», в 2001 г. - на конференции «Кораблестроительное образование и наука» СПбГМТУ. В 2007 г. материалы диссертационного исследования были представлены на научно-техническом семинаре секции проектирования судов НТО им. Академика Крылова А. Н. и кафедры проектирования судов СПбГМТУ. В.1.9. Публикации

Основные разделы диссертационного исследования опубликованы в 11 статьях. Их них 9 статей, 2 тезисов. 8 работ выполнено в личном авторстве, доля автора в остальных в среднем 35 %. В изданиях, рекомендованных ВАК, опубликовано 3 статьи, одна из них в соавторстве (доля автора 50 %).

В.2. Обзор основных работ в области проектирования катеров

Формулировка задачи по разработке способов проектного обоснования характеристик катеров с учетом факторов обитаемости ранее не ставилась. Но, в некоторых печатных изданиях рассмотрены отдельные вопросы, связанные с темой диссертационного исследования. [84, 86, 87]

Практическую ценность имеет публикация Юхнина Е. И. "Проектирование катеров", в которой приведены численные значения параметров скоростных кораблей, спроектированных в ЦМКБ «Алмаз», применение значений которых возможно на ранних стадиях проектирования. Среди этих параметров - удельные значения статей нагрузки в процентном соотношении от водоизмещения. В книге изложены принципы определения главных размерений в первом приближении, даны рекомендации по разработке эскиза скоростного катера. [111]

Приведены требования к боевым катерам по остойчивости, скорости хода, обитаемости. Практический интерес представляют рекомендации по нормативным показателям площадей помещений, необходимых для одного человека. Также рассмотрены вопросы управляемости, выбора энергетической установки.

Ценность монографии Юхнина Е.И. "Боевые катера" заключается в раскрытии тенденций изменения проектных характеристик в зависимости от изменения режимов движения, принципов поддержания с момента создания первого боевого катера. [110]

С точки зрения методики проектирования скоростных катеров ценным материалом является учебник А. М. Ваганова "Проектирование скоростных судов". На основе отработанных статистических данных по построенным катерам автором предлагаются две схемы проектирования, в которых учитываются предложенные автором методы расчета необходимых характеристик. [14]

С точки зрения исследовательского проектирования, предложенные схемы требуют расширения, а данные по статистике - обновления. Это и выполнено в диссертационном исследовании.

Задача оптимизации судов в полной мере раскрыта в книге В. М. Пашина «Оптимизация судов». В книге рассматриваются основные задачи системной оптимизации судов - это задача внешнего проектирования, которая направлена на оптимизацию пополнения флота, и задача внутреннего проектирования. Наиболее важными для автора данного диссертационного исследования являются главы, посвященные внутренним задачам оптимизации проекта, которые в свою очередь подразделяются на два уровня. Верхний уровень - решение задачи выбора основных элементов, обеспечивающих наивысшую эффективность судна при выполнении требований к его качествам. Нижний уровень — обоснование и детализация проектных решений по отдельным подсистемам судна. Особая ценность данной публикации заключается в создании математического аппарата вариантного метода оптимизации, в котором оценка проекта осуществляется с помощью глобального критерия, например, совокупных затрат, а взаимосвязь (координацию) верхнего и нижнего уровней происходит в соответствии с локальными критериями.

Математическая постановка оптимизационной задачи, предложенная В. М. Пашиным, применяется в решении оптимизационной задачи проектирования скоростных катеров. [60]

В учебнике В. В. Ашика «Проектирование судов» и Л. М. Ногида «Теория проектирования судов» систематизированы материалы по совокупности решений общепроектных задач. Общие концепции по вопросам решения уравнения нагрузки, вместимости, проверки мореходных качеств и непотопляемости используются и при проектировании скоростных катеров. Некоторые из рассмотренных в книге В. В. Ашика методов перестроения теоретического чертежа нашли отражение в диссертационном исследовании.[4, 5, 6, 7].

В книге Л. М. Ногида изложены практические методики для пересчета показателей судна по прототипу при полном подобии сопоставляемых судов, интерес представляют непосредственно пересчет частот собственных колебаний корпуса судна. При использовании критериев подобия Копта: л = idem - idem

Е К EL2 idem

СВ.1) где ц, — коэффициент Пуассона, р - плотность, v - скорость, Е — модуль упругости, К — сила, L - длина. Частота собственных колебаний корпуса судна по прототипу будет выражена формулой (В.2). п = п0- Л~1 (В.2) где п — частота собственных колебаний проектируемого судна, щ - частота собственных колебаний судна прототипа, к — масштабный коэффициент. [57]

Книга А. Пишки «Проектирование катеров» является ценным материалом для изучения вопроса проектирования катеров. Статистические сведения, положенные в основу книги, насчитывают около 250 малых судов. В свою очередь информационные данные разбиты на подгруппы, объединенные по типу назначения, по диапазонам длин корпуса катера и архитектурно-конструктивным типом. Приведены соотношения главных размерений для всех подгрупп. [62]

С точки зрения исследовательского проектирования практический интерес представляют решения задачи по определению нагрузки катера. В книге представлены значения главных размерений катера в зависимости от весового коэффициента для определения веса корпуса, от назначения катера, материала корпуса и архитектурно-компоновочного типа.

Также представлены расчеты достижимой скорости и буксировочной мощности.

Приведенные в книге численные значения характеристик деревянных катеров актуальны и в наше время, а касательно стальных катеров и конструкций из легких сплавов необходимо обновление.

С точки зрения проектирования скоростных катеров можно выделить монографию "Быстроходные катера" Питера Дю Кейна. В книге изложены вопросы теории глиссирования пластины и корпуса с формой глубокое «V». [61]

Значительный вклад в теорию ходкости и мореходности глиссирующих судов внесли авторы одноименной книги «Ходкость и мореходность глиссирующих судов» - И. Т. Егоров, М. М. Буньков, Ю. М. Садовников. Ценность материала заключается в систематическом изложении данных серийных испытаний глиссирующих моделей катеров различных авторов. Даны рекомендации по выбору формы днища глиссирующих судов в зависимости от предполагаемого скоростного режима. [23]

Приведены конкретные примеры применения различных форм обводов корпуса. Разработка систематических серий быстроходных судов малого и большого водоизмещений, а также обработка данных испытаний могут помочь проектанту выбрать рациональные формы корпуса и главные размерения проектируемого катера. Серия БК (быстроходные катера большого водоизмещения) состоит из 37 моделей, которые разделены на 4 группы:

1) группа моделей, имеющая одинаковые главные размерения и различные формы обводов.

2) группа - модели с безреданными обводами корпуса.

3) группа - смешанные обводы (острая скула в корме, лекальные обводы в носу).

4) группа - модели с остроскулыми реданными образованиями.

Серия МБК (быстроходные катера малого водоизмещения) состоит из 25 моделей, которые тоже разделены на 4 группы. 1-ой группе соответствуют модели с одинаковыми главными размерениями и различными формами обводов; 2-ая группа - остроскулые безреданные обводы; 3- я группа объединяет остроскулые реданные формы корпуса; 4-ая группа характеризуется моделями с круглоскулыми обводами.

При разработке способов обоснования проектных характеристик могут быть применены методики вычисления сопротивления корпуса по данным серийных испытаний БК и МБК М. М. Бунькова. [23]

С точки зрения вопросов ходкости для быстроходных судов ценным материалом является диссертационное исследование В. П. Соколова «Разработка методики проектирования скоростных многокорпусных судов, сочетающих статическое и динамическое поддержание». [77, 78]

Книга А. И. Гайковича «Основы теории проектирования сложных технических систем» посвящена вопросам создания логико-математической модели судов, представляющих сложную техническую систему, и методам ее оптимизации. [16]

Работы Шляхтенко А. В. « Проектные аспекты создания и направления развития малых высокоскоростных боевых кораблей и катеров» внесли значительный вклад в область проектирования судов. [104]

Основными разделами учебного пособия Царева Б. А. «Оптимизационное проектирование скоростных судов» являются: [98]

1. Принципиальные методические особенности проектирования скоростных судов.

2. Определение критериев для оптимизационной задачи.

3. Взаимовлияние характеристик доминирующих функциональных подсистем.

4. Анализ конструктивных особенностей скоростных судов.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата наук Францева М. Э. посвящена вопросам архитектуры быстроходных судов.

В работе Рюмина С. Н. «Обоснование проектных и конструктивных характеристик скоростного судна с учетом нормативных требований» исследованы проблемы учета нормативных требований, включающих в себя проблемы снижения перегрузок, действующих на скоростное судно при движении при проектировании однокорпусного скоростного судна. [71, 72]

В диссертационном исследовании Захарова А. И. «Методика исследования экспортной конкурентноспособности при проектировании скоростных судов и катеров» применен метод экспертных оценок качеств быстроходных судов. [29-31]

Проектирование скоростного малого судна является сложным процессом, составные части которого исследовались специалистами не только в области: проектирования, но и в области строительной механики корабля. В области прочности судов и борьбы с вибрацией на судах большое значение имеют работы А. Н. Крылова, Г. В. Бойцова, О. М. Палия, В. А. Постнова, Д. М. Ростовцева, А. А. Курдюмова, Ю. А. Шиманского, В. JI. Александрова, А. П. Матлаха, В. И. Полякова, А. И. Фрумена. [10, 11, 43, 52, 59, 63, 64]

В перечисленных работах наибольший интерес представляют методики расчета собственных колебаний катера на ранних стадиях проектирования. В работах Ю. А. Шиманского «Динамический расчет судовых конструкций», В. JT. Александрова, А. П. Матлаха, В. И. Полякова «Борьба с вибрацией на судах» рассмотрены решения задачи собственных колебаний судна в виде решения задачи колебаний призматической балки на упругом основании с учетом присоединенных масс воды. [1, 103].

При совершенствовании способов проектирования скоростных судов необходимо учесть те возможности, которые вытекают из новых подходов к обоснованию рациональных проектных характеристик. [32, 33, 100, 106, 107, 109]

Большое значение имеет также обновление информационной базы и ориентация на новые идеи в науках, смежных с теорией проектирования судов. [36,37, 40,41,49, 55].

Необходимо отметить, что в зарубежных публикациях и в Интернете преобладают описательные данные и редко даются обобщающие проектные рекомендации. [113-116, 118, 119, 121, 123-129, 133-138]

В.З. Обзор характеристик быстроходных катеров и формирование базы данных. Вывод формул для предварительного проектирования

Скоростные катера подразделяются на различные классификационные группы. Для решения задачи обоснования проектных характеристик скоростных катеров необходимо задать определенную область значений параметров, характеризующих скоростной катер.

В данном диссертационном исследовании рассматривались катера со следующими параметрами, характеризующими определенную группу катеров:

1. По режиму движения:

• водоизмещающие катера;

• катера переходного режима;

• глиссирующе катера.

2. По форме корпуса:

• реданные катера;

• глиссеры с формой корпуса «глубокое V»;

• безреданные остроскулые суда с плоскокилеватой формой обводов;

• мореходные глиссеры с комбинированной формой корпуса.

3. По архитектурно-конструктивному типу:

• беспалубные катера;

• катера с носовой палубой и открытым кокпитом;

• катера со средней рубкой;

• моторные яхты с развитой надстройкой (двух ярусной);

• катера с полуутопленной рубкой.

4. По назначению:

• патрульные катера;

• моторные яхты;

• катера служебного назначения (полицейские, спасательные, таможенные)*

Из описанных выше особенностей скоростных катеров, ясно, что катера имеют многоплановую классификацию. Поэтому для сужения поиска оптимальных отношений характеристик, необходимо ввести ограничения по главным характеристикам.

Вводятся следующие диапазоны: длина корпуса 8 >¿>30, полная масса (водоизмещение) 5>£>>100т, суммарная мощность энергетической установки £^>100кВт, значение относительной скорости 0.5>>4 (число Фруда по длине).

Статистические данные по главным характеристикам катеров собраны в базу данных, одним из классификационных признаков, которой является разделение по типу назначения. На рисунке В.1 показана разбивка катеров по назначению в процентном соотношении от общего числа статистики.

Рисунок В.1 - Разбивка катеров по назначению

Статистические данные представлены в соотвествии с разбивкой по назначению. В таблице В.1 показаны характеристики патрульных катеров, в таблице В.2 — моторные яхты и прогулочные катера и в таблице В.З — служебные и гоночные катера.

В таблицах приняты следующие обозначения:

Б - полное масса катера, т;

Ьнаиб - наибольшая длина корпуса, м;

Ьквл -длина по КВЛ, м;

1Наиб = ^рт; ¡квл = ^¡Т - относительная длина, м;

В - ширина корпуса, м; Т - осадка корпусом, м; Н - высота борта, м;

Ысум - суммарная мощность энергетической установкм, кВт; Нцвиг. - мощность одного агрегата, кВт; V! - максимальная скорость катера, узл; у2 — эксплуатационная скорость, узл;

И213 -V3

Са =--адмиралтейский коэффициент; г - дальность плавания, миль;

Рт - нагрузка по разделу топливо, выраженная в т или в % от водоизмещения.

В столбце "Материал корпуса" приняты следующие сокращения:

Стеки. - стеклопластик;

АМг - алюминиево-магнивый сплав;

Арм. б. - армированный бальзой пластик;

Арм. - армированный пластик.

Таблица B.l

Статистические данные по патрульным катерам

Название катера Страна, производитель Luang M Lai, M Bjmii6 M B, M T, m H, m 5 D, T Материал корпуса Тип главных двигателей Кол.-во главных двигателей NcyM, кВт Тип движителя Vi узл V2 узл V3, узл R, миль Экипаж/спец, персонал (число сп. мест) Запас топлива Вооружение

1. Jan van Gent Нидерланды 23,75 20,80 5,55 1.6 2,9 АМг MAN D2842 LE 408 2 1470 22

2. Р84 Нидерланды 18,80 16,60 5,25 1,3 2,2 0,26 30,0 АМг MTU8V 183ТЕ 92 2x490 980 ВФШ 22

3. Rodman 101 Испания 30,00 25,40 6 1,1 0,25 46,0 Стскл. MTU 12V2000M90 2x1008 2016 2ВМ 33 25 9(8) 2 пм х 7.62

4. Соболь Россия 29,80 24,10 5,6 1,1 0,38 56,0 АМг MWM "Deutz" 616V16 2x1360 2720 2 ЧПВ 48 35 12 800 6(6) 1 РАК, АУ 6x30, 1 пулх 14.5

5. Yastrcb Россия 13,15 11,95 3,3 0,85 2,1 0,30 9,8 АМг Cummins 6СТА8.3-М2 2x300 600 чпг 40 30 /200 2 /6(2) 830кг

6. CB 901IMN Швеция 16,10 13,00 3,8 0,8 0,47 18,6 Caterpillar 3406Е 2x590 1180 вм 45 40 360 /8 2300

7. VSV50 Вслюсобрнтагаш 15,25 13,86 2,5 0,6 0,55 11,5 Scatck "Navy" 2x463 926 45 40 3/12

8. FB 46 Италия 13,41 11,18 2,75 0,85 0,41 10,7 Арм. б. Seatcc 2x552 1104 2 ЧПВ 43Д 350 ■1(2) Ручное авт. оружие

9. Intcmiarinc 16 Италия 16,50 13,31 4,5 1,0 2,1 0,37 22,0 Стекл. диз. 2x955 1910 2 ЧПВ 48 35 450 5(3) 2,9м' 1 пул х 7.62

10 Мангуст Россия 19,45 14,60 4,4 1,2 2,2 0,35 27,2 АМг M470K АО "Звезда" 2x1100 2200 гв 53 35 /430 6 2500кг

И. Kalkan Украина 10 3,3 0,6 0,40 8,0 АМг ббОл.с. 485 40

12. Force dix "Orque" Франция 15,65 11,80 3,6 0,8 0,40 13,5 Volvo Pcnta 2x566 1132 2 ЧПВ 53 35 500 5(2) 2.0м3 1пул х 12.7, АУ хЗО

13. Горностай Россия 15,57 11,85 3,95 0,75 1,85 0,47 16,5 АМг MTU 12V183TE93 2x846 1692 2 ВМ 53 35 400 3/8 (2) 1 пул х 12.7,2 Г/МхЗО

14. Onuk MRTR15 Турция 15,40 12,50 4,04 0,96 0,39 19,0 Арм. MTU 12V183TE93 2x846 1692 2 ЧПВ 54 40 300 4 2.4м3 1 нм х 12.7

15. Sea Stalker 1500 Нидерланды 14,77 11,95 2,71 1,18 1,9 0,25 9,7 Аыг бенз. Mcrcruiscr V8 3x373 1119 3 ВФШ 60 40 8(2) 1 пул х 7.62

16. Supcrhnrwc-34 Всликобр1гга1шя 11,06 3,11 0,65 0,26 5,8 Стскл. стац. двигатель 2 54 34 260 8(2) 700

Рисунок В.2. - Скоростной патрульный катер «Горностай» [34]

Таблица В.2

Статистические данные по моторным яхтам

Название катера Страна, производитель ^-тшиб M Lan» M Внаиб M Л в, M Т, м H, M й D, t Материал корпуса Тип главных двигателей Кол.-во главных двигателей NcyM, кВт Тип движителя Vi, узл V2 узл V3, узл R, миль Экипаж/спец, персонал (число сп. мест) Запас топлива, л

1. Есрсут Россия 13,20 12,20 3,4 0,7 2,0 13,5 Сталь Volvo TAMD 41М 2x125 250 ПВ 18 13,9 205 1000

2. Проект 02090 Россия 16,00 13,6 4,5 1,13 2,75 25,6 AMr Volvo Penta TAMD 72 2х430л.с. 632 ГВ 22 /600 /8

3. Carver 450 Voyager Великобритания 14,3 13,60 4,55 1,09 18 Стскл. Cummins 450C 2x316 632 ВФШ (4 лоп.) 24,7 21,3 /308 2120

4. Ferretti 430 США 13,30 13,11 4,34 1,2 17,6 Volvo TAMD 74 EDC6L 2x480 л.с. 706 30 27 /12 1440

5. Катер типа Fly bridge Россия 11 10 3,7 1 7,0 AMr Volvo Penta KAD44DPX 2х260л.с. 382 угл. колонка 32 26 400 /10 б. Baylincr 265 США 7,95 7,57 2,9 0,53 2,74 2,88 Стекл. бенз. McrCruiser 1х220л.с. 162 28 20 130 318

7. Sea Horce28Comfort США 8,6 2,5 0,8 АМг Volvo PenUi AD31DP 1x150 л.с. 110 угл. колонка 32 150 /8 400

8. Magnum 70 США 21,00 20 5,18 1,8 Стекл. DDA/MTU 16V2000 2x1800л. с. 2646 52 2(8)

9. BMB 34 Sport Германия 10,7 10,20 3,5 0,7 3,6 5,6 Стекл. Volvo KAD44P-EDC/DPG 2x179 358 угл. колонки 41 /12(4) 750

10. EmeraId-40 Италия 13,60 12,30 4,5 1,25 4,25 15,6 Стекл. Volvo TAMD73P EDC 2х430л.с. 632 4 лоп.ГВ 30,4 24 7 175/248 2(4) 1400

11. Donzi ZX38 Великобритания 11,5 10,95 2,88 5,22 Mercruiser 2 690 50 /260

12. Sunseeker XS2000 Великобритания 11,9 9,754 2,3 0,78 Yanmar 6LY2-STE 2x420 л.с. 618 5лоп. СКГВ 66 56 185/255

13. Pershing 37 Италия 11,45 3,25 2,8 1,0 3,2 9,0 Стскл. Yanmar 2x370 л.с. 543,9 36 33 1/10(5) 740

Рисунок В.З - Моторная яхта [132]

- р 00 рч Vi к> г

Seeadler Holnis Kchtwicdcr Kapetanija тз UJ Phoca Mahiraj Biber Pilot 6 Tiger Полицейский катер j Название катера

1 ■3 g s g Германия >1 1 в s Хорватия | Нидерланды Нидерланды Шри Ланка S 3 ы i Нидерланды 2Г 1 g Германия Страна и о s с» о s St таможенный таможенный сторожевой сторожевой охранный спасательный лоцманский а о £ в о g K« лоцманский полицейский Назначение

К) о 18,30 19,97 12,53 18,80 19,75 ОЧ о 20,30 15,00 'чо оо о Г 3 1 е*

19,04 15,60 17,36 10,65 16,60 18,45 о 19,69 1 13,06 о ОЧ оо о

Ul Чл у. КМ -t» о Vi "to VI ■t- Ъ\ Vi Оч V» ■и JO 03 ч и> VI V VO 2 »

V К) сл vi - "to о "оо "оч О Оч Н 3

JO "to ю ю "чО Хо И

Lo LiJ О 4* СП

Оч to о to о to О "оч Оч 4* ОО о оо О н дерево | АМг Стекл. 1 Сталь* Стекл, j АМг Стекл. Материал корпуса мти 6Ш83ТЕ62 мти 8У183ТЕ92 MTU 396 Volvo TAMD71B MTU 183ТЕ92 Volvo Penla TAMD71B Yamaha МЕ629 TIH Caterpillar 3412В Man D2866 LE 403 Cummins QSB Volvo KAD44DP Тип главных двигателей

- 2x440 2x257 to 2x145 2x204.4 2x615 N> X Ln О о Li р 2x224 - Кол.-во главных двигателей to оч —] оо оо о оо го Vi IT оо ЧО о to vo О ■с. о VO ю о -Я ■с» 00 S 03«? 2

ВФШ (5 ЛОП.) Злоп. ; ВФШ ВРШ 4 лоп. ГВ a ГВ (3 лоп.) а ВФШ водомет Тип движителя

К) ОЧ VI и> к> V NJ ОО о ч > й vi to ю Оч ю JO о to К) и> to Оч V; £ "

К) о о 2 5 я а -В"

00 NJ ОЧ Экипаж/спец, персонал (число сп. мест)

К) VI о о о о о ОЧ о о о ¿л оо к. NJ О О о to о о Vi О оо Запас топлива, л n н ta H S q s X rs T. s

3 Ki S s tr я о к

ГВ СУ» s

D"

К ta

H «

•a » S

1 о S о j: s cr я

Kl H л чз ta S H es О Ьа s с » w

Рисунок В.4 - Служебный катер [92]

Формирование базы данных может помочь проектанту определить в первом приближении главные характеристики катера в зависимости от назначения и параметров задания. На основе статистических данных необходимо выявить зависимости и диапазоны главных размерений и их соотношений, определяющих такие качества катера как мореходность, скорость, вместительность.

Одним из главных параметров, определяющим скоростной режим движения катера является относительная скорость, выраженная числом Фруда по длине или по водоизмещению.

Выделяют три режима движения:

1. Плавание (водоизмещающий режим) при Fro < 1.0, FrL < 0,5;

2. Переходный режим при 1 < FrD < 3, 0,5 < FrL < 1

3. Глиссирование при FrD >3, FrL > 1.

На рисунке В.5 показана зависимость относительной длины от числа Фруда по длине, по которому можно видеть, что относительная длина падает по мере роста числа Фруда, так как главную роль играет ширина. При этом выделяются две группы:

1) при 1Квл = 5,6 - 7,2 достигается наряду с ходкостью и высокая мореходность;

2) при 1квл = 4,6 - 5,3 имеются как глиссеры, так и катера переходного v

СВ.3)

FrL=-r=, VS'L

В.4) л где V - скорость хода, м/с; § = 9,81 - ускорение силы тяжести, м/с ; Б - полное водоизмещение катера, т; р - плотность воды, т/м ; Ь - длина судна, м. [51] режима.

Рисунок В.6, на котором отображена взаимосвязь относительных длин от длины корпуса по ватерлинии, показывает, что наиболее мореходными катерами являются те, которые достигают значений длины корпуса по ватерлинии 24 - 26 м.

Рисунок В 5 - Зависимость относительной длины от числа Фруда по длине

А1цаиб а 1квп

90 8.5 8Я 75 7Я 6.1 6Й 55 50 +5 + Й 35 за

А к

А ■

А | к ' 4 А

А А, к А к

А А А я

V ж в ю

15

20

25

30

Рисунок В.6 - Изменение относительной длины по интервалу длин

На рисунках В.7, В.8, В.9 построены зависимости, выражающие отношения главных размерений от длины корпуса по ватерлинии для патрульных катеров, моторных яхт и служебных катеров соответственно.

• В, м Г, А Н,М

Рисунок В.7 - Соотношение главных размерений в зависимости от длины для патрульных катеров

Рисунок В.8 - Соотношение главных размерений в зависимости от длины для моторных яхт

II

13

15

17

19

Ь, м

21

Рисунок В.9 - Соотношение главных размерений в зависимости от длины для служебных катеров

В.4. Оценка стоимости и затрат. Формирование критериев оптимизации

Математический метод решения оптимизационной задачи формулируется так: определить такой вектор неизвестных х при векторе переменных хк, характеризующих к- ю подсистему судна, чтобы критерий стремился к min или шах. [4]

V,xk) -> min (шах) (В• 5)

В (3.1) примером х могут быть длина, ширина, коэффициент общей полноты ватерлинии, примером Хк - допускаемые напряжения материала корпуса, число Фруда. Примером функции f(x,xjJ является срок окупаемости, прибыль, лимитная цена.

Таким образом, решается задача определения оптимальных элементов скоростного катера исходя из его эффективности и необходимости обеспечения надлежащих качеств, описываемых системой ограничений типа: gXx,xk)>b„ Vs<=S2 где g/x) - функции, определяющие качества судна; bs - нормы и уровни допустимых значений тех или иных качеств; Sj, S2 — подмножества ограничений, выполняемых в виде строгих равенств и неравенств. Пример равенства (В.6) являются уравнения, выражающие требования к плавучести и нагрузки катера, к его удифферентовке и продольной центровке при глиссировании. Примером неравенств (В.7) могут быть ограничения к достаточной остойчивости, к выполнению условий прочности и непотопляемости.

Необходимым условием решения задачи оптимизации является ограничение области допустимых значений х, х^: > л: > л: , (В.8) шах — — ^min ' V /

X' к тах

В.9)

Taie, например, в исследовательской задаче рассматриваются катера, диапазон длин (х) которых составляет 8 > L > 30, а значение относительной скорости FrL (jcк) колеблется в пределах 0.5 > FrL > 4, что соответствует определению скоростных катеров.

Критерием оптимизации вычисляется по формуле (В. 10), в которой учтены характеристики доминирующих функциональных подсистем. [98]

Ф(х,ха,х\)-^тin (тах) (В. 10) где X — вектор оптимизируемых на данном уровне переменных множеством I, с

Ха - вектор оптимизируемых переменных для доминирующих функциональных подсистем множеством А;

Х°К - вектор характеристик остальных подсистем скоростных катеров.

Применительно к катерам целевого назначения следует использовать ограничения (лимиты) строительной стоимости С (капиталовложения), а критерий - совокупные затраты Ф в форме, предложенной И. Г. Бубновым в 1916 году [96]:

Ф = Э + ЕС (В.11) где Э - эксплуатационные затраты; Е - до 1991г. нормативный коэффициент, а во времена И.Г. Бубнова и сейчас означает проценты на капитал. Эксплуатационные затраты можно вычислять по (В. 12):

3 = f,U + f2PTnp+f,n3 (В. 12) где fx - коэффициент амортизационных, ремонтных и снабженческих отчислений;

2 - бункеровочная стоимость топлива; Рт - масса топлива на рейс; п - число рейсов за навигацию, /3 - среднегодовая зарплата моряка со всеми доплатами и условным включением накладных и навигационных расходов, пэ — численность экипажа.

Строительная стоимость катера будет равна:

Ц = %-(£[Рк + Í2Vэy + Ь?уст+ £}Рэо+ {5?вб) (В. 13), где х - коэффициент, учитывающий влияние серийности постройки, Рк - масса корпуса, Рдв - масса двигателя, Рус - масса устройств и систем Рэо - масса электрооборудования, Рвб - масса вооружения (навигационного оборудования и средств радиосвязи) и для патрульных катеров - масса боезапасов, £2, fз, f4, ^ - измерители удельной цены (долл./т).

Коэффициент х ~ учитывает влияние серийности постройки на полную строительную стоимость и на общесудовые технологические затраты. В случае производства головного судна коэффициент х принимает значение, равное единице.

Примерами локальных критериев оптимизационной задачи могут являться:

1. Уровень обитаемости, - применяется, в том случае, если имеются компоновочные схемы сопоставляемых вариантов, и вычисляется по формуле (В. 14): Ф г п \ /=1 У гпах

В. 14) где - функция обитаемости, определяемая совокупностью факторов локальных функций характеризующих благоприятные условия пребывания людей на судне; % - коэффициент весомости ьго элемента.

2. Наивысшее значение коэффициента полезного действия применяемого движителя:

Лдвиж тах (В. 15)

3. Минимальный избыток применяемой энергетической установки к требуемой мощности:

АМ —» пип (В. 16)

4. Ограничение по стоимости катера:

Ц^Ц] (В. 17)

В работе принимаются значения показателей затрат, приведенных в таблице В.4.

Таблица В.4 - Значения удельных показателей затрат

Значение удельного

Наименование нагрузки показателя затрат Л тыс. долл./т

Корпус/}

Сталь 5

Алюминиево-магниевый сплав 7

Стеклопластик 10

Энергетическая установка/2

Дизель высокооборотный 17

Двигатель среднеоборотный 20

Судовые устройства и системы/3 8

Электрооборудование и штурманские приборы/4 24

Вооружение и боезапас/5 50

Для удобства расчета полной стоимости катера на начальной стадии проектирования можно использовать разбивку составляющих масс по статьям, показанную в таблице В.5.

Использование приведенной разбивки полной массы на начальных стадиях проектирования может помочь проектанту оценить полную стоимость катера.

Таблица В.5 - Пример разбивки составляющих масс по статьям

Наименование статей Масса по статьям, %

Корпус Pol

Листы корпуса 54

Профили корпуса 24

Листы надстроек 12

Профили надстроек 8

Оборудование помещений и палуб Р0102

Покрытия и изоляция 69,5

Мебель и бытовое оборудование 30,5

Судовые устройства и дельные вещи Р02

Дельные вещи 24

Якорное и швартовное устройства 26

Рулевое подруливающее устройство 43

Спасательное устройство 7

Судовые системы Р0з

Противопожарная система 15

Водная, сточная, балластная системы 68

Вентиляционная система 17

Энергетическая установка Р04

Высокооборотный дизель 62*

Валопроводы и движители 16*

Вспомогательные механизмы и оборудование 22*

Электрооборудование Р05

Дизель-генераторы 50

Кабели и пульты 45

Связь и управление 5

Вооружение Р0б

Навигационное оборудование 71

Средства радиосвязи 29

Запчасти, инструмент Р07 100 в зависимости от типа двигателя.

В.5. Логико-математическая постановка задачи

При проектировании катера, представляющего собой, сложную систему, следует учитывать, что требования, предъявляемые к нему, носят противоречивый характер, а это заставляет принимать компромиссные решения. Именно вследствие этого формулы теории проектирования носят вероятностный характер, так как основаны на статистических источниках и упрощении физических зависимостей.

Полученная в результате математическая модель судна в итоге может содержать некоторые неточности. Поэтому отдельные части логико-математической модели судна стоит подвергать проверке по более точным формулам других кораблестроительных дисциплин. В результате может понадобиться исправление логико-математической модели, корректируя ее с помощью поправок, вычисленных по дифференциальным формулам. [4, 5, 70, 101]

Решение совокупности основных вопросов проектирования, с учетом взаимного влияния дает возможность создать проект катера, представляющего собой сложную техническую систему. Система - скоростной катер имеет свой жизненный цикл, состоящий из следующих логических этапов: процесс проектирования, постройки, эксплуатации, возможной модернизации и утилизации. Каждому из этапов жизненного цикла соответствует своё разделение на функциональные подсистемы. [16, 17]

1-ая позиция

Проект скоростного катера является динамической информационной системой, которая видоизменяется, исследуется и детализируется в процессе проектирования, проходя путь от задания до комплекса построечных чертежей. Проектируемый катер разделяется при этом в соответствии с основными разделами проектирования. [73-75]

2-ая позиция

Скоростной катер является объектом постройки, в процессе которой технологические функциональные подсистемы постепенно объединяются и в совокупности образуют конструктивно-функциональную систему. Эта система превращается в реальный катер после включения в ее структуру экипажа, т.е. с того момента, когда катер начинает эксплуатироваться. [67, 68]

3-я позиция

Скоростное катер рассматривается как системный объект, функционирующий в заданных эксплуатационных условиях. В этом случае она включает эргономические функциональные подсистемы, таким образом -является сложной системой управления, составной частью которой является человек - оператор или группа операторов.

При этом характеристики информационной модели можно разделить на 2 категории. К первой относятся характеристики, указанные в задании и нормах (например, скорость, водоизмещение). Характеристики, определяемые проектными расчетами для удовлетворения требований заданий и норм (главные размерения, мощность энергетической установки) соответственно относят ко второй группе [4, 102]. Но четкого разграничения на категории между характеристиками нет. Формулы, выражающие зависимости второй категории от зависимостей первой, или от других зависимостей второй категории не дают однозначных решений и позволяют установить некоторую колеблемость средней величины. Именно данный факт позволяет решать задачи оптимизации проектов.

Вопрос оптимизации для быстроходных катеров существенно отличается от такового для обычных водоизмещающих судов. Особенности функционирования быстроходных катеров влияют на развитие (в сравнении с корпусом) других подсистем. Систему «Скоростной катер» следует рассматривать как совокупность подсистем «Глиссирующий корпус», "Энергетическая установка" и "Движитель", которые выполняют важные функции, и значительно влияют на стоимость катера в целом [2, 3]. Ряд характеристик этих подсистем должен входить в число оптимизируемых параметров, поскольку отдельные характеристики двигателей могут оказаться важнее характеристик корпуса или, по крайней мере, сравняться с ними по влиянию на критерий оптимизации. Эти подсистемы можно назвать доминирующими функциональными подсистемами [98].

При проектировании катера для подсистемы «Глиссирующий корпус» будут оптимизироваться характеристики реданов, положение центра тяжести по длине, килеватость днища, материал корпуса. Для «Энергетической установки» оптимизируемыми характеристиками будут число и расположение двигателей, сопоставление вариантов газотурбины с дизелем или их комбинирование. Для «движителей» - их разные типы, для гребного винта -число лопастей, частота вращения.

Общая задача оптимизации скоростных катеров показана на рисунке 3.1. В данной блок-схеме учитываются все проектные задачи, совместное решение которых позволяет получить оптимальный вариант скоростного катера с учетом мер по предотвращению вибрации.

Область допустимых значений элементов катера определяется системой равенств и неравенств, выражающих требования:

1. к плавучести и нагрузке катера:

П{Х,Ха)-^РХХ,Ха) = (В .18) 1

2. к параметрам, определяющим такое качество катера как ходкость: ограничение нижней границы расчетной скорости

У(х,ха,хк)>утт. (ТЫОЛ ограничение по максимальной потребляемой мощности энергетической установки:

Щх,ха,хк) < Х^шах - (В.20)

3. к компоновке и вместимости, выраженной уравнением необходимых площадей:

В.21)

4. к удифферентовке:

J-1 ; (В.21 а)

Xc(X>Xa>Xt)~Xg(X>Xa>Xk) ■ (В 22) в том числе должна быть проверена продольная центровка при глиссировании. Также необходимо сделать расчет устойчивости движения в продольной плоскости.

5. к устойчивости глиссирования:

V^lV^J (в 23)

6. к остойчивости: h/B](x,xa)>(h/B)*; (в 24) где (h/B)* - величина из заданного диапазона допустимых значений; h/3](x,xa)<(h/B)** где (h/B)** - величина из заданного диапазона допустимых значений, устанавливаемых из условий плавности качки и при удовлетворении других ограничений. При невозможности — устанавливается интерцепторная система. Устойчнвосп>дв1[жения в пр од о л ьноП плоскости У

6 Вместимость <

7. Огределенне главных характеристик

8. Остойчивость на главу

9 Остойчивость на

Цфкуляци ----Г

10 Остойчивость нп глиссировании

11 Управляемость

12 Поворотливость ча счет площадируля

14 Мореходность

I? Прочность I

16 Бечв! йр ащ юнно с тъ

1" Непотопляемость

13 Противодействие дрейфу

Оценка эффективности проекта

Информационная модель

Рисунок В. 15

- Блок-схема общей задачи оптимизации скоростного катера

Для скоростного катера необходимо проверить и остойчивость на циркуляции, и остойчивость в режиме глиссирования.

7. к управляемости с позиций её условий при боковом ветре:

Кв](х)<(Кв)* (з 25) где (Кв)* - величина допустимого коэффициента ветробойности.

8. к прочности в различных ситуациях и конкретных схемах доминантных внешних сил и моментов: (сг)О) < [сг}доп } (В. 26)

9. к предотвращению резонанса частоты свободных колебаний корпуса первого тона (fi), второго тона ф) от частоты возмущающих сил (fB03M.): Va) + ajx(х,хк) < fx (х,хк) < fe03M(xa,xk)~ajl (х,хк) (В.27) feo3M.(xa,xk) + a2f2 (х,хк) < f2 (х,хк) < feo3M(xa,xk)-a2f 2 (х,хк) (В.28) или

Л™. (*«>**) £fix>xk) возм. (ха ' Хк ) 2 С*> Хк ) 29) где /возм(ха>хк) возмущающая частота (двигателя, движителя), flx>xk) зоны резонанса для первых двух тонов собственных колебаний судна.

10. к непотопляемости:

L^[LJL]L (В.ЗО) где 1ОТС - длина отсека катера, L - длина катера.

Указанные выше уравнения и неравенства определяют область значений оптимизируемых элементов скоростного катера в общей задачи оптимизации внутреннего уровня.

Заключение диссертации по теме «Проектирование и конструкция судов», Юдкина, Юлия Владимировна

Выводы по главе 4:

Дан обзор по применяемым материалам в катеростроении. Для построенных катеров, представленных в подбазе конструктивных характеристик применен алгоритм определения распределенной толщины основной связи (днища) и толщины остальных связей относительно днища. Использование этого алгоритма дает возможность проектанту определить конструктивные характеристики проектируемого катера в первом приближении для основных типов материала (сталь, АМг, стеклопластик). Такими характеристиками являются - площадь поперечного сечения, момент инерции площади поперечного сечения.

Для определения собственных частот колебаний катера применены упрощенные схемы расчета, которые позволяют решить задачу предотвращения резонансных вибраций на ранних этапах проектирования.

Глава 5. Формирование методики проектирования, ориентированной на повышение обитаемости и снижения уровней вибрации

5.1. Анализ вопросов оптимизации

Исследуя вопросы оптимизации быстроходных катеров можно выделить следующие особенности: 1) в отличие от транспортных судов для катеров проявляются несколько доминирующих подсистем - «Глиссирующий корпус», «Энергетическая установка; «Движитель», определяющие главные функции скоростного катера; 2) доминирование подсистемы «Жилые и общественные помещения», существенно влияющие на обитаемость быстроходных катеров.

Вопрос оптимизации для быстроходных катеров существенно отличается от такового для обычных водоизмещающих судов. Особенности функционирования быстроходных катеров влияют на развитие (в сравнении с корпусом) других подсистем. Систему «Скоростной катер» следует рассматривать как совокупность подсистем «Глиссирующий корпус», "Энергетическая установка" и "Движитель", которые выполняют важные функции, и значительно влияют на стоимость катера в целом. Ряд характеристик этих подсистем должен входить в число оптимизируемых параметров, поскольку отдельные характеристики двигателей могут оказаться важнее характеристик корпуса или, по крайней мере, сравняться с ними по влиянию на критерий оптимизации. [98].

Критерий оптимизации вычисляется-по формуле (5.1), в которой учтены характеристики доминирующих функциональных подсистем.

Ф(Х,ХаД°,)->тт(тах) (5.1), где X - вектор оптимизируемых на данном уровне переменных множеством I,

Ха - вектор оптимизируемых переменных для доминирующих функциональных подсистем множеством А;

Х°к - вектор характеристик остальных подсистем скоростных катеров:

Применительно к катерам целевого назначения следует использовать ограничения (лимиты) строительной стоимости С (капиталовложения), а критерий - совокупные затраты Ф в форме, предложенной И. Г. Бубновым в 1916 году:

Ф = Э + ЕС (5.2) где Э - эксплуатационные затраты; Е - до 1991г. нормативный коэффициент, а во времена И.Г. Бубнова и сейчас означает проценты на капитал или проценты по кредиту.

Эксплуатационные затраты можно вычислять по (5.3):

Э = ЛС+/2Ртпр+/2п3 (5.3) где - коэффициент амортизационных, ремонтных и снабженческих отчислений;

2 - бункеровочная стоимость топлива; Рт - масса топлива на рейс; пр - число рейсов за навигацию, /3 - среднегодовая зарплата моряка со всеми доплатами и условным включением накладных и навигационных расходов, пэ -численность экипажа.

Строительная стоимость катера будет равна:

Ц = %•(№ + ^Рэу + £РусН- £Д>эо+ £5Рвб) (5.4), где х - коэффициент, учитывающий влияние серийности постройки, Рк - масса корпуса, Рдв - масса двигателя, Рус - масса устройств и систем Рэо - масса электрооборудования, Рвб - масса вооружения (навигационного оборудования и средств радиосвязи) и для патрульных катеров - масса боезапасов, ^ £2, - измерители удельной цены (долл./т).

Для катеров доминирует комплекс основного функционирования — подсистема "Общественные и жилые помещения". У катеров, эта подсистема превращается в суперподсистему, так как в нее входят сложные фрагменты, относящиеся к конкретным вопросам создания планировок, оборудования и-отделки общественных и жилых помещений, открытых пространств, коммуникаций. В то же время к ней тяготеют такие важные проеьсгно — аналитические подмодели как «Архитектура и интерьер», «Комфортабельность, Обитаемость».

На стыке вопросов безопасности, обитаемости и комфортабельности находится задача о предотвращении вибрации, которая в свою очередь является одним из факторов благоприятного пребывания людей на борту катера.

В соответствии с выше сказанным, необходимо параллельно с рассмотрением проектных задач анализировать вопросы обитаемости.

Свойство обитаемости, можно представить в виде функции Ч*, которая определяется совокупностью факторов, характеризующих благоприятные условия пребывания людей на судне.

Определяя это качество для проектируемого катера можно воспользоваться локальным критерием наивысшего значения: Л

Ф = 21а1у/1 -»шах, (5.5) ч ¿=i У где - функция обитаемости, определяемая совокупностью факторов! локальных функций i]/j, характеризующих благоприятные условия пребывания, людей на судне; aj - коэффициент весомости i-ro элемента. По результатам диссертационного исследования были разработаны алгоритмы и программные комплексы, описание к которым приведено ниже.

5.2. Оптимизация общепроектных характеристик

По результатам диссертационного исследования разработан программный комплекс «Проектный выбор характеристик малых судов и катеров с учетом требований обитаемости», предназначенный для решения оптимизационной задачи проектирования скоростных судов на начальном этапе.

Блок-схема программного комплекса показана на рисунке 5.1.

В данной блок-схеме учитываются все проектные задачи, совместное решение которых позволяет получить оптимальный вариант скоростного катера с учетом локального критерия - обитаемости:

Задача разбита на составляющие модули, в каждом из которых проводится анализ свойств будущего проекта:

Составляющими подпрограммами программного комплекса «Проектный выбор характеристик малых судов и катеров» являются:

1. Определение главных характеристик (главных размерений) катера.

На этапе выбора главных размерений катера (оптимизируемых элементов

Хь Х2, Х3, Х4) определяется близкий прототип с помощью рисунка 3: Используя зависимости, определяющие взаимосвязь между главными размерениями определяются остальные элементы.

2. Расчет нагрузки в первом приближении.

Для определения статей нагрузки используются формулы, определяющие зависимости составляющей от полной массы корпуса, от мощности или от характеристик, указанных в задании.

1 Задание на проект

1

2 Выбор критерия и

3 Определение главных характеристик (обращение к подбазе главных характеристик) ч г

4 Расчет статей нагрузки (в первом приближении обращение к подбазе нагрузки)

1

5 Расчет ходкости (материалы серийных испытаний) и

6 Выбор и расчет движителя и

7 Выбор энергетической установки (обращение к подбазе двигателей), расчет массы двигателей и топлива

15 Разработка конструктивных характеристик (обращение к подбазе)

16 Проверка нет

9 Разработка эскиза

10 Центровка и удифферешповка и

11

Анализ дополнительных факторов обитаемости

20 I

Оценка экономического критерия

Рисунок 5.1 - Блок-схема общей задачи оптимизации скоростного катера

3. Расчет ходкости.

Подмодуль «Ходкость» может быть изменен в соответствии с методиками, применяемыми проектантом. Данный подмодуль включает в себя вопросы определения формы корпуса, определения сопротивления- и необходимой буксировочной мощности. В программном комплексе применяются материалы серийных испытаний серии «Большие катера» БК М. М. Бунькова.

4. Расчет движителя.

Исходя из условия у> 50 узл или у< 50 уз л выбирается тип движителя -водомет или гребной винт. В. показанном примере используется расчет 3-х лопастного гребного винта по аналитическим формулам. Расчет характеристик движителя необходим для проверки условий предотвращения резонансных вибраций.

5. Выбор энергетической установки.

В конкретном примере осуществляется в результате решения задачи оптимального гребного винта. Выбор энергетической установки состоит из нескольких этапов.

5.1. Используя данные каталогов по требуемым данным, выбирается три варианта двигателей. Далее по ранжированию выбирается наилучший вариант, который используется в дальнейших расчетах.

6. Уточнение (корректировка) статей нагрузки. Данный подмодуль выполняется после уточнения конкретного варианта двигателя.

7. Разработка эскиза.

Производится вручную, проектант может выбрать архитектурно-компоновочный тип по подбазе компоновок или исходя из своего опыта, используя главные размерения, полученные на первых стадиях.

8. Центровка и удифферентовка. Расчет остойчивости на плаву.

9. Проверка управляемости (противодействие дрейфу).

Проработка вопросов, изложенных позиций с 1 по 8 является необходимым объемом информативной модели малого судна- или катера. Подпрограммы 1-5, 7 строятся на имеющейся у проектанта базе данных по соотношениям главных характеристик, нагрузке, двигателям, движителям и архитектурно-компоновочных видов. То есть для определения требуемых параметров, используя входные данные, проводится обращение к подбазе данных. На основе данных проектант выбирает наиболее близкий к проектируемому судну вариант.

Следующие позиции определяют качества скоростного судна, и контроль их возможен при детализации оценок.

10. Оценка коэффициентов глиссирования. Проверка устойчивости глиссирования.

11 .Проверка условий непотопляемости.

12.Разработка конструктивного мидель-шпангоута. Проверка конструктивных элементов с позиций прочности.

13.Проверка условия предотвращения, резонанса от двигателя и движителя.

14. Проектный анализ обитаемости.

15. Оценка экономического критерия.

При ориентации на близкий прототип позиции 10-15 могут быть отложены на более поздние стадии проектирования.

Проектная задача состоит, из модулей, для каждого из которых будут требоваться свои входные данные. Задание для проектирования включает в себя следующие исходные данные:

1. Назначение катера (патрульный, моторная яхта, служебный).

2. Скорость (расчетная), узл.

3. Мореходность (значительная, средняя, минимальная).

4. Автономность (значительная, средняя, минимальная).

5. Тип энергетической установки (дизель, карбюраторный двигатель).

6. Количество экипажа.

6а. Суммарное количество спальных мест.

В зависимости от назначения катера - патрульный, моторная яхта или служебный предлагаются следующие варианты задания:

7. Функциональное оборудование (значительное, среднее, минимальное) - для патрульного и служебного катера.

7а. Площади жилых помещений пассажиров - для моторных яхт.

При детализации решения поставленной задачи, кроме этого, потребуются значения главных характеристик судна прототипа, таких как:

8. Длина расчетная Ь0, м;

9. Полная масса катера прототипа Б0, т;

10. Степень оборудованное™ катера прототипа (значительная, средняя, минимальная);

11. Скорость у0, узл;

12.Мощность суммарная N0, кВт;

13.Масса топлива Рт0, т;

14.Применяемый материал (сталь, легкие сплавы, стеклопластики).

В число исходных данных нормально должно входить более десятка величин. Если заказчик (пользователь) затрудняется в определении какой-либо величины, то возможность ее реконструкции по следующему приоритету логик: а) следование прототипу; б) принятие средней альтернативы из трех возможных; в) ориентация на статистические графики и формулы при расчетной длине в качестве главного параметра (для мощности при числе Фруда); г) обсуждение с экспертами.

Как видно из блок-схемы, показанной на рисунке 5.1, в программном комплексе большое значение имеет информационная база по построенным судам. На основе информации, формирующей подбазы данных, организованы гистограммы, графики зависимостей, взаимовлияния различных параметров малых судов друг от друга.

Заключение

В диссертационном исследовании разработаны способы, проектного обоснования характеристик катеров с учетом факторов обитаемости. При разработке способов обоснования характеристик катеров получены следующие новые результаты:

1. Сформирована методика проектного обоснования технических и технологических решений по малым судам и катерам, включающая в себя ряд новых разработок, конкретных способов и методических схем, внедренных в практику. Предложенные в работе решения. имеют важное народнохозяйственное ■ и оборонное значения, способствуют сохранению^ ведущего положения Российских предприятий на рынках экспорта катеров.

2. Показаны пути обеспечения высокого уровня обитаемости, в том числе, особое внимание обращение на обеспечение минимизации вибрации.

3. Разработаны и внедрены методические указания по проектному выбору характеристик быстроходных катеров.

4. На основе требований санитарных правил на морском и речном транспорте и с использованием базы данных разработаны методические указания по оценке обитаемости катеров. Они учитывают восемь факторов, при этом весомость факторов может корректироваться с позиций пользователя.

5. Откорректированы проектировочные зависимости для обоснования трех функциональных групп катеров по результатам статистического анализа 60 катеров. Предусмотрены две структуры назначения критериев и учета доминантности подсистем на основе функционального анализа ставящихся Заказчиком целей.

6. Исследованы особенности обеспечения безвибрационности на малых судах и катерах, разработаны и внедрены методические указания по проверке обеспечения минимизации вибрационных характеристик.

7. При рассмотрении характеристик энергетического комплекса разработана методическая схема, учитывающая особенности двигателей, поставляемых конкретными фирмами.

8. Методические рекомендации по обеспечению хорошей обитаемости и по минимизации вибрации, полученные на материале малых судов и катеров, имеют значительную структурную общность с другими группами судов. С некоторой корректировкой большинство положений разработок, методических решений можно применять при исследовательском проектировании других судов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Юдкина, Юлия Владимировна, 2008 год

1. Александров В. Л., Матлах А. П., Поляков В. И. Борьба с вибрацией на судах. СПб, «МорВест», 2005.

2. Ачкинадзе А. Ш. Проектировочный расчет оптимального гребного винта. СПб, СПбГМТУ, 1996.

3. АппжВ.В. Проектирование судов. Л.: «Судостроение», 1985.

4. Ашик В.В., Царев Б.А., Челпанов И. В. Особенности логико-математической модели судна при проектировании с помощью ЭВМ и учете прогнозируемых тенденций Науч. тр. НКИ. Л., 1972 г., вып.- 62 с. 311.

5. Ашик В.В., Царев Б.А., Челпанов И. В. Выбор- коэффициента общей полноты при проектировании современных морских судов // Судостроение, 1972, №2 с. 13-16.

6. Ашик В. В., Дробышевский Р. В.Особенности проектирования обводов судов переходного режима движения // Оптимизация проектируемых судов. Сб. науч. тр./ЛКИ. Л., 1985 г., с. 3-7.

7. Баадер X. Разъездные, туристские и спортивные катера, Л. «Судостроение», 1976 г.

8. Барабанов Н. В., Турмов Г. П. Конструкция корпуса морских судов; СПб: «Судостроение», 2002 г. 1, 2 том.

9. Бойцов Г. В. Проблемы оптимизации судового корпуса. // Судостроение, 1983, № 2 с.5-8.

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

11. Борисов Р .В., ЖинкинВ. Б. Теория корабля. Л. ЛКИ, 1982.

12. Бронников А. В. Проектирование судов. Л. «Судостроение», 1991.

13. Ваганов А. М., Проектирование скоростных судов. Л. «Судостроение», 1978.

14. Вицинский В. В., Страхов А. П. Основы проектирования судов внутреннего плавания, Л. «Судостроение», 1970 г.

15. Гайкович А. И. Основы теории проектирования сложных технических систем. СПб НИЦ Моринтех, 2001.

16. Гайкович А. И. Применение современных математических методов в, проектировании судов, Л., ЛКИ, 1982 г.

17. Гайкович А. И., Родионов В. В., Цюх М. А., Концепция и облик многоцелевого корабля ВМФ России XXI века // Военнно-морской флот и судостроение в современных условиях: Материалы международной, конференции к 300-летию Российского флота — СПб, 1996. А1-14.

18. Давыдов В. В., Маттес Н. В. Динамические расчеты прочности судовых конструкций, М.: «Транспорт» 1964 г.

19. Демешко Г. Ф. Проектирование судов «Амфибийные суда на воздушной подушке», СПб, Судостроение, 1992.

20. Егоров И. Т., Буньков М. М., Садовников Ю.М., Ходкость и мореходность глиссирующих судов, Л., Судостроение, 1978 г.

21. Емельянов Ю. В. Малые туристские моторные катера, JI.: «Судостроение», 1967 г.

22. Ершов Н. Ф., Шахверди Г.Г., Метод конечных элементов в задачах гидродинамики и гидроупругости JI.: "Судостроение" 1984 г.

23. Жинкин В.Б. Движители быстроходных катеров. СПб. 1997 г.

24. Жинкин В.Б. Теория и устройство корабля, СПб.: «Судостроение», 1995 г.

25. Зайцев H.A., Маскалик А. И., Отечественные суда на подводных крыльях. JL: «Судостроение», 1967 г.

26. Захаров А. И. Экономическое обоснование проектных характеристик скоростных судов с применением модульного подхода // Судостроение № 6 2006г., с. 47-49.

27. Захаров. А. И., Методика исследования экспортной конкурентноспособности при проектировании скоростных судов и* катеров, Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, СПб, СПбГМТУ, 2006 г.

28. Захаров А. И., Юдкина Ю. В. Уравнения теории проектирования судов, использующие формы частных производных // Морской вестник,

29. Специальный выпуск, сентябрь 2007 № 3 (6), с. 29-31.

30. Зубрицкий В. В. Скорость на страже закона // Катера и яхты № 172, 2001.

31. Иконников В.В., Маскалик А.И. Особенности проектирования и36