CC BY
23
УДК 681.5:629
Методом компьютерного моделирования и с применением генератора формул Equo получены табличные, графические и аналитические зависимости между характеристиками рабочей зоны самоходного привязного подводного робота и вектором максимального упора движителей для заданного диапазона скоростей движения, а также диаметром кабель-троса как теоретическая основа для выполнения достоверных проектных оценок его эксплуатационных характеристик
досл1дження впливу конструктивних параметр1в самох1дного
прив'язного
п1дводного робота
на його експлуатац1йн1 характеристики
В. С. Бл i н цо в
Доктор техшчних наук, професор, директор Науково-дослщний шститут пщводноТ техшки Нацюнального ушверситету кораблебудування iMeHi адмiрала Макарова проспект ГероТв Сталiнграда, 9, м. МиколаТв, УкраТна, 54025
Контактний тел.: (0512) 47-70-95 e-mail: blintsov@mksat.net
О.М. Киризюк
Заступник директора Департамент розробок i закупiвлi озброення та вiйськовоТ техшки Мшютерства оборони УкраТни просп. Перемоги, 55/2, м. КиТв, УкраТна, 02113 Контактний тел.: (044) 234-92-02 e-mail: kyryziuk@meta.ua
1. Постановка задачi
Самохвдш прив'язш пiдводнi роботи (СППР) належать до сучасних високоефективних засобiв морськоТ технiки i широко використовуються при виконаннi пошукових, аварiйно-рятувальних та шспекцшних пiдводних робiт [1, 2]. В остання роки у зв'язку з удо-сконаленням конструкцп СППР вони стали застосо-вуватись i для цiлей захисту вiйськово-морських баз та для протимiнних операцiй [3, 4]. При цьому до голов-них задач СППР вщносять: мониторинг пiдводноi обстановки на заданш акваторп вiдео- та гщроакустич-
ними засобами; пошук та iдентифiкацiя виявлених тдводних об'eктiв; доставка у задану точку морського дна приладiв та шструменпв; виконання тдводно-технiчних робгт з застосуванням начiпного пiдводного шструменту (манiпуляторiв тощо).
За принципами функщонування СППР належить до дистанцiйно керованих ненаселених морських ру-хомих об'екпв, типовий склад обладнання якого мь стить власне самохiдний пiдводний робот (ПР), його кабель-трос (КТ) та розташоваш на судш-носп (СН) кабельна лебщка (КЛ) i пост енергетики й керування (ПЕК), рис. 1.
Рисунок 1. Склад самохщного прив'язного шдводного робота
Такий робот, за звичай, працюе в умовах зов-шшшх збурень (течи, вiтро-хвильовоi дii) i повинен забезпечувати заданий радiус робочоi зони, заданi швидкiсть та точшсть просторового руху вiдносно СН або морського дна [5]. Причому, головним дже-релом збурення для ПР е його кабель-трос, який сприймае гiдродинамiчний вплив водного середови-ща та вiтро-хвильову дiю на корпус СН i передае ix на корпус робота. Джерелами збурення е також змша власних параметрiв ПР - маси, гiдродинамiчниx ко-еф^енив тощо.
Iснуючi пiдxоди до проектування та експлуатацп таких роботiв Грунтуються на спрощеному представ-леннi впливу КТ на динамжу та усталений рух ПР [6-8]. В них не враховуеться складна просторова форма КТ, що призводить до значних похибок в ощнках його силовоi ди на корпус ПР i, отже до неточностей у проектних розрахунках характеристик його рушив та у визначенш розмiрiв робочоi зони ПР. Практика свщчить, що вказаш похибки суттево викривляють оцшку продуктивностi застосування СППР i, в окре-мих випадках, можуть навггь впливати на прийняття принципових ршень щодо розробки й застосування такоi теxнiки.
2. Мета роботи
Метою роботи е юльюсна оцiнка впливу конструк-тивних параметрiв СППР на його експлуатацшш характеристики, що дае змогу виконувати проектш роз-рахунки пiдводного робота з високою достовiрнiстю.
3. Викладення основного матерiалу
З позицiй математичного опису СППР е суттево нелiнiйним об'ектом, робота якого протжае в умовах активно! ди зовнiшнiх збурень та при нестащонарно-стi власних параметрiв.
Вивчення властивостей таких об'екпв морсько! техшки необхiдно виконувати шляхом створення адекватних математичних моделей !х функцiонування та подальшого дослiдження цих моделей методами комп'ютерного моделювання. Ефективним шструмен-том для розв'язання таких задач е спецiалiзований моделюючий комплекс, який мктить комп'ютернi ре-алiзацii математичних моделей основних елеменпв СППР, об'еднанi в едину систему для стльного вико-ристання [9].
Нижче наводяться результати комп'ютерного до-слiдження впливу конструктивних параметрiв одного з головних елеменпв СППР - кабель-троса - на його експлуатацшш характеристики. Розглядаеться квазь стащонарний режим руху СППР, осюльки вiн е визна-чальним для ощнки ефективностi його застосування.
У загальному випадку, до конструктивних параме-трiв КТ i ПР належать:
для КТ - дiаметр d, лiнiйна вага у водi рКТ, безроз-мiрнi коефiцiенти нормальноi й тангенцiальноi скла-дових гiдродинамiчного опору Cn, Ct;
для ПР - масо-габаритш характеристики (вага у водi тПР, габаритнi розмiри LnpxBnpxHnp), безроз-мiрнi коефiцiенти гiдродинамiчного опору Cx, Cy, Cz у системi просторових координат {0x, 0y, 0z}, жорстко зв'язанш з центром величини ПР; максимальш зна-чення упорiв рушив Tx max, Ty max, Tz max, якi долають вiдповiднi складовi сили гiдродинамiчного опору КТ F; параметри начiпного пiдводного шструменту, якi впливають на гiдродинамiку корпусу ПР.
До експлуатацшних характеристик КТ i ПР належать наступш характеристики, якими можна керувати з ПЕК:
для КТ - довжина попущеноi частини L, швидюсть набтючого потоку (швидкiсть руху СН та СППР вщ-носно води) v, координати ходового кшця КТ вщносно СН {x,y,z}, питома густина води р;
для ПР - кероваш значення упорiв його рушiiв Tx, T, T.
yz
До експлуатацiйниx характеристик СППР у щлому належить також максимальний радiус його робочоi зони ЯСППР, який при заданому максимальному зна-ченш глибини руху ПР Ymax визначаеться як максимально можливе вщдалення робота вщ СН ЯСППР = Xmax|v = узад при заданш швидкостi потоку води узад, що набте.
Практика створення СППР свщчить, що мае мiсце двi постановки проектноi задачi:
пряма задача - визначити конструктивш параметри СППР, за яких вш забезпечить задаш експлуата-цiйнi характеристики;
обернена задача - визначити експлуатацшш характеристики СППР при заданих конструктивних параметрах його елеменпв.
Для розв'язання обох задач дощльно отримати залежносп мiж конструктивними параметрами та ек-сплуатацшними характеристиками СППР в аналиич-нш, табличнiй чи графiчнiй формах. У робот за допо-могою спецiалiзованого моделюючого комплексу було виконано масовi багатоварiантнi розрахунки квазшта-цiонарного руху СППР у потощ води з рiвномiрним епюром швидкостi течii по вертикалi у наступному дiапазонi змши конструктивних параметрiв та експлуатацшних характеристик: дiаметр d = 6...40 мм;
довжина попущеноi частини КТ L^ = 350.700 м; швидюсть потоку води, що набiгае v = 0,25.3 м/с. Причому, аналiзувалось декiлька позицiй ПР вщ-носно СН при '¿х синхронному квазктащонарному русi: по поздовжнiй осi - у дiапазонi х = -300.+300 ме-трiв;
по глибинi - у дiапазонi у = - 50.-150 метрiв (знак «-» означае вщлж глибини по вертикальнiй оа, яка скерована вгору).
Результати комп'ютерного дослщження показу-ють, що вектор F зусилля на ходовому (нижньому) кшщ КТ i, вщповвдно, необхiднi упори рушiiв ПР Т змiнюються в широких межах залежно вiд швид-костi потоку води V, що набiгаe на КТ i ПР, i дiаметру КТ d для кожноТ позицп робота вщносно СН. На рис. 2 наведено деяю результати дослiдження для усталеноТ позицп ПР вiдносно СН {х = +300 м; у = -150 м, LКТ = 500 м}.
Аналiз отриманих результаив показуе, що сила гiдродинамiчного опору КТ Ё е визначальною при оцiнках проектних та експлуатацiйних характеристик СППР, осюльки частка гiдродинамiчного опору само-
го ПР складае 2...5% вщ опору КТ. Тому максимальш (проектнi) значення рушив пiдводного робота Тх тах, Ту тах, Т тах практично повнiстю визначаються вщповщ-ними складовими вектора Ё .
Виконаний у ходi дослiдження комп'ютерний ек-сперимент дав змогу юльюсно визначити залежностi експлуатацiйних характеристик СППР вщ Тх кон-структивних параметрiв. Так, у результатi серп роз-рахункiв отримано табличнi та побудовано графiчнi залежностi характеристик робочоТ зони СППР RcппР для варiантiв КТ дiаметром d = 6.40 мм при рiзних значеннях глибини руху ПР Ymax та швидкостi потоку води V, що набте.
Рисунок 2. Залежносп горизонтально!' складовоТ сили натягу на ходовому кшЩ КТ при х = +300 м;
у = -150 м, Ц<т = 500 м
О 20 АО 60 80 100 120 %0 160 180 200 220 21,0 260 280 х,м
Рисунок 3. Залежносп робочоТ зони RСППp (координат ходового кшця КТ ПР вщносно СН) при V = 2 м/с i упорi горизонтального рушля ПР Rх = 600 Н
Рисунок 4. Залежносп робочо'| зони RcnnP (координат ходового кiнця КТ ПР вщносно СН) при v = 3 м/с i упорi горизонтального рушля ПР Rx = 600 Н
На рис. 3-4 наведено результати розрахунково! ощнки робочо! зони Rcппp для режиму руху ПР у дь аметральнiй площинi системи «СН-КТ-ПР», коли Тх = 600 Н, V = 2 i 3 м/с. Аналогiчнi залежностi отримано i для упорiв вертикального рушiя ПР Ту, а при лаговому (боковому) змщенш ПР вiдносно СН - i для упорiв лагового рушiя Т2.
Як узагальнення отриманих комп'ютерних роз-рахункiв було сформульовано тезу про можлившть отримання аналггичних залежностей мiж конструк-тивними параметрами та експлуатацшними характеристиками СППР у векторнш формi:
Т = ?(v,d), (1)
яка у формi проекцiй на ос системи координат, зв'язано! з центром величини ПР:
Тх = d); Ту = fy(v; d); Т = fz(v; d), (2)
для будь-якого робочого режиму системи, який харак-теризуеться заданими координатами ходового кшця КТ {х,у^} та довжиною попущено! частини КТ L.
При аналiзi режимiв руху системи «СН-КТ-ПР» у плоскш постановцi бувае зручно використовувати представлення вектора Т в полярних координатах:
T = f(v; d); а = fa(v; d),
В po6oTi було застосовано спецiальний програмний продукт - генератор формул Equo, який Грунтуеться на використаннi штучних нейронних мереж i забез-печуе високу яюсть iнтерполяцiйних властивостей отримуваних аналиичних залежностей [10]. Як приклад, нижче наведено отриманий за його допомогою аналиичний вираз для модуля вектора натягу ходового кшця КТ T для робочо! точки ПР з координатами {х = 300 м; у = -150 м} при довжиш попущено! частини КТ L = 500 м:
T — aQ + a^ + a2X2 + a^x^ + a^x^ + a^x^ + agx^x^ +
(4)
де xi = v; X2 = d; X3 = xi2; X4 = xi X2; X5 = X22.
Значення коефiцieнтiв ai рiвняння (4) наведеш у табл. 1.
Таблиця 1
Значення коефiцieнтiв ai, i = 0...20
(3)
де Т - модуль вектора упору рушив T ; а - кут мiж векторами T та v .
Таю залежносп дали б змогу формалiзувати вико-нання та тдвищити достовiрнiсть проектних оцшок створювано! СППР, а також тдвищити ефектившсть практичного застосування таких робопв у складних умовах експлуатаци.
В результат обробки отриманих шляхом комп'ютерного моделювання табличних залежностей характеристик робочо! зони СППР ЯСППР для прийнятого дiапазону змiни дiаметру КТ при рiзних значеннях глибини руху ПР Ymax та швидкосп потоку води v встановлено, що традицшш методи iнтерполяцiï е не-ефективними, оскiльки не забезпечують необхщно! точностi.
ai Значення ai Значення
ao -3.222i6446 aii -i6254.62508539
ai 2.9493666 ai2 i5724.240i8348
a2 560.82i93467 ai3 6i20.33903545
аз -0.37769365 ai4 79i727.66400284
a4 -i8i.23566ii9 ai5 0.00579542
a5 -i6254.62508539 ai6 -2.0242i60i
a6 -0.37769365 ai7 -675.309988i7
a7 -i8i.23566ii9 ai8 -675.309988i7
a8 0.0i954452 ai9 -i20608.69957762
ag i5724.240i8348 a20 -7050088.93003303
aio 6i20.33903545 - -
Аналогiчну структуру мають залежносп (2) та (3). Ввдмшшсть полягае у цифрових значеннях та кшько-ст коефiцiентiв а;.
+ a7XiX2 + aoXiXo + a^x^xz + aiQXiXr + aiiX2X2 +
+ ai2x2x3 + a13x2x4 + ai4x2x5 + ai5x3x3 + ai6x3x4 +
Висновки
1. Встановлено суттеву залежшсть експлуатацш-них характеристик самохiдного прив'язного тдводно-го робота вiд конструктивних параметрiв його кабель-троса. Отриманi шляхом комп'ютерного моделювання табличнi та графiчнi залежностi мiж характеристиками робочоТ зони робота i його основним конструк-тивним параметром - вектором максимального упору рушив для заданого дiапазону швидкостей руху та дiаметром кабель-троса - е нелiнiйними залежностя-ми, якi можуть бути представлен iнтерполяцiйними полiномами високого порядку.
2. За допомогою генератора формул Equo синтезо-вано основнi полiномiальнi залежносп мiж конструк-тивними параметрами i експлуатацiйними характеристиками самохiдного прив'язного тдводного робота як теоретичну основу для виконання достовiрних про-ектних ощнок його експлуатацiйних характеристик як нелшшного об'екта.
Лiтература
1. Блинцов В.С. Привязные подводные системы. - К.: На-
укова думка, 1998. - 232 с.
2. Привязные подводные системы. Прикладные задачи ста-
тики и динамики. / Н.И. Виноградов, М.Л. Гутман, И.Г.
Лев, М.З. Нисневич. - СПб: Изд-во С.-Петерб. Ун-та,
2000. - 324 с.
3. Литвиненко Е. Я., Илларионов Г. Ю., Сидоренков В.В.
Противоминные необитаемые подводные аппараты: Монография. СПб.: Судостроение, 2005. - 108 с.
4. Необитаемые подводные аппараты военного назначения
/ Сост.: М. Д. Агеев, Л. А. Наумов, Г. Ю. Илларионов и
др. Под ред. академика РАН М. Д. Агеева. Владивосток: Дальнаука, 2005. - 164 с.
5. Блинцов В.С. Современные проблемы создания электро-
оборудования и автоматики подводных аппаратов. // Радюелектронш i комп'ютерш системи. Науково-техшч-ний журнал. - Нацюнальний аерокосмiчний ушверситет iм. М.6. Жуковського «Харгавський ашацшний шсти-тут», 2007, №5 (24). - С. 90-98.
6. Вашедченко А.Н., Пышнев С.Н., Родичев А.П. Некоторые
оценочные расчеты при проектировании подводных судов: Уч. пособие. Под общей редакцией проф. Вашедченко А.Н. - Николаев: НКИ, 1997. - 66 с.
7. Илларионов Г.Ю., Карпачев А.А. Исследовательское про-
ектирование необитаемых подводных аппаратов: теория, методы, результаты. Владивосток: Дальнаука, 1998.
- 272 с.
8. Слижевский Н.Б., Король Ю.М. Гидродинамический расчет самоходных подводных аппаратов. Уч. пособие.
- Николаев: УГМТУ, 2000. - 93 с.
9. Блшцов В.С., Киризюк О.М. Моделюючий комплекс для
дослщження технологш мошторингу акваторш з засто-суванням самохщного прив'язного тдводного робота. // Зб. наук. праць НУК. - Миколшв: НУК, 2008. - № 6 (423). - С. 48-57.
10. Програмний продукт «Генератор формул Equo». // При-ватне шдприемство "1нтелектуал1зоваш технологи авто-матизацй i методи моделювання". - Свщоцтво на знак для товарiв i послуг №65047 вщ 15.08.2006 р. Державного департаменту штелектуально! власност МОН Украши.
