CC BY
12УДК 629.123.056.071.5.001.57
ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ПОСАДКИ СУДНА В ТРЕНАЖЁРЕ ВЫПОЛНЕНИЯ ГРУЗОБАЛЛАСТНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ ТАНКЕРА
Е. А. Лукина
Имитационная модель посадки предназначена для отслеживания изменений посадки корпуса в результате проведения грузобалластных операций на судне. В связи с изменением нагрузки судна изменяется величина и форма погруженного объёма корпуса. Новое положение равновесия судна отыскивается путём последовательных приближений. Проведена оценка адекватности полученной модели с точки зрения отображения происходящих изменений. После приведения модели к программному виду она была внедрена в тренажёр и показала успешное взаимодействие с его другими модулями.
Для контроля посадки корпуса судна в тренажёре грузобалластных операций танкера была разработана её имитационная модель. Как и при создании тренажёра в целом, так и для разработки данной модели в качестве объекта моделирования был принят танкер смешанного «река-море» плавания водоизмещением в грузу 6300 тонн. Прототипом послужило судно проекта 1577 («Волгонефть»).
Целью моделирования является адекватное отображение реакции корпуса судна на изменение нагрузки масс и положения его центра тяжести при грузобалластных операциях. Полученная модель позволяет анализировать изменение посадки судна, связанное с различными режимами работы судовых систем и оборудования.
Так как имитационная модель посадки судна является частью программного обеспечения тренажёра в целом, то необходимо было обеспечить её взаимодействие с другими моделями. Изменение посадки корпуса судна, являясь следствием проведения грузобалластных операций, в свою очередь оказывается внешним фактором влияния на работу систем, так как определяет положение рабочей среды (жидкости) в танках и цистернах. Поэтому необходимо, чтобы информация, являющаяся выходной при моделировании грузовой и балластной систем (процентное заполнение танков), а также результаты отдельных расчётов центра тяжести груза в каждом танке могли быть исходными данными для моделирования посадки судна. В свою очередь, информация о посадке должна являться исходной для расчёта положения центра тяжести груза в каждом танке, для отображения этой информации на мнемосхемах и визуализации состояния корпуса судна. Связь модели посадки судна с другими составляющими тренажёра условно можно отразить на схеме рис. 1.
В целях использования единых данных о форме корпуса как для расчёта посадки, так и для визуализации, обводы корпуса были заданы таким образом, чтобы была обеспечена и точность расчётов, и эстетичность отображаемой каркасной модели корпуса. Исходная информация по форме корпуса была задана в виде матриц. На этапе задания исходных данных в МаЛсас! эта информация была верифицирована графическим изображением шпангоутов, ватерлиний и диаметрального батокса.
Математическая модель посадки судна основана на известных расчетных зависимостях теории корабля и существующих рекомендациях по автоматизации этих расчетов [1,2]. Структуру математической модели можно представить в виде следующей схемы (рис. 1). На начальном этапе (при инициализации) рассчитывается начальная нагрузка судЯа и координаты его центра тяжести (ЦТ) на базе нагрузки масс порожнего судна и заданной инструктором начальной загрузки судна. Принимая начальный угол крена и
угол дифферента равными нулю, производится расчёт элементов ТЧ корпуса судна. При этом реализовано решение прямой задачи статики корабля: на вход подаются параметры посадки, и рассчитываются элементы ТЧ корпуса по расчётную осадку, которая в данный момент времени определяется по текущему состоянию нагрузки с использованием аналитической зависимости осадки от водоизмещения Т = 1(У). Эта зависимость была получена заранее путбм аппроксимации кривой водоизмещения, построенной для рассматриваемого танкера. Затем для этого состояния нагрузки с использованием метацентрических формул остойчивости из условий равновесия судна определяются углы крена и дифферент корпуса, осадки носом и кормой. В связи с изменением посадки происходит перетекание жидкости в танках, что влечёт за собой изменение положения ЦТ судна. Расчет повторяется с использованием найденных углов крена и дифферента в качестве исходных данных, т. е. принимая полученную посадку за исходное положение. Судно достигает состояния равновесия за несколько расчетных шагов, которые, как правило, оказываются пройденными до получения обновленных данных по текущей нагрузке. Полученные в конце каждого этапа углы крена и дифферента передаются на мнемосхемы и модуль визуализации.
Рис. I Схема взаимодействия модуля посадки судна с другими модулями тренажера: х, у, г - координаты точек поверхности корпуса судна; V - объемное водоизмещение корпуса судна. Тер, Тн, Тк - осадка корпуса средняя, носом и кормой; «1 - линейный дифферент, Э, V - угол дифферента и угол крена; Мдиф, Мкр - момсет днфферентуюншй и момент кренящий; Ур, рф - объем и плотность груза в танках; УЬ, р, - то же балластной воды, хт, ут, тт- координаты центра тяжести жидкости в танке или цистерне.
Пояснить формальную схему моделирования посадки корпуса судна можно на следующем примере (см. рис. 2). Будем считать, что происходит процесс заполнения симметрично расположенных относительно диаметральной плоскости судна кормовых танков.
На этапе инициализации рассчитываются элементы теоретического чертежа корпуса судна для осадки Т0, соответствующей начальному водоизмещению Э0 (ватерлиния \УЬ0). В конце этапа рассчитывается угол дифферента, возникающий из-за различных точек приложения силы тяжести и силы поддержания. При этом действующей ватерлинией оказывается \УЬ0'.
Рис. 2 Структура математической модели посадки судна
Полученное значение угла дифферента у является исходным для следующего этапа расчёта, но средняя осадка Т| при этом рассчитывается вновь на соответствие новой нагрузке. Далее рассчитываются геометрические характеристики корпуса, погруженного по ватерлинию Заканчивается этот этап расчётом приращения угла дифферента Д\|/ к прежнему значению. С его появлением действующей ватерлинией становится Приращение угла дифферента, а в случае произвольной посадки и
приращение угла крена, складываются с прежними значениями Ду+у. Новый углы крена и дифферента являются исходными для расчёта на очередном этапе при новой нагрузке. Если изменения нагрузки не происходит, то корпус судна за несколько этапов приходит в состояние равновесия, приращения углов крена и дифферента становятся равными нулю, а сами углы (9 и у) сохраняют постоянные значения.
При создании имитационных моделей традиционным требованием выступает ограничение счётного времени. Перед началом работы инструктором устанавливается режим таймера, определяющий скорость передачи данных по текущей нагрузке судна на вход модели расчёта посадки. Этот режим можно подобрать таким образом, что расчёт элементов теоретического чертежа корпуса судна и параметров посадки успевает выполняться несколько раз до считывания новых данных по нагрузке. При этом количество итераций невелико (5-6), что говорит об эффективности разработанной модели. Таким образом, не смотря на динамический характер грузобалластных операций, при рассмотрении изменения посадки судна на одном шаге его можно считать статическим, что делает правомерным решение задачи статики корабля. Быстрый счёт одного шага, а также небольшое количество требующихся итераций позволяет задавать малый интервал времени обновления данных. При этом изменение нагрузки, следовательно, и посадки судна, оказывается незначительным, что обеспечивает плавное отображение процесса.
В полученной математической модели можно выделить несколько крупных блоков: блок расчёта нагрузки масс и соответствующих координат центра тяжести судна; блок вычисления элементов теоретического чертежа (для этапа инициализации этот блок содержит упрощенные расчётные формулы для симметричного относительно ДП кор-. пуса судна без использования полусвязной системы координат); блок вычислений параметров посадки. Модель, созданная в МаЛсаё была проверена на тестовых задачах. Были протестированы некоторые значения нагрузки судна, в частности: порожнём и в грузу с полными запасами в пресной воде. Совпадение значений, рассчитанных по созданной модели, с проектными данными удифферентовки судна представлены в табл.
О качестве полученной модели свидетельствует достаточное совпадение расчётных значений с результатами проектных расчётов для базовой модели судна.
Рис. 3. Иллюстрация схемы расчета посадки судна
Таблица
Результаты тестирования имитационной модели по проектным данным
Контрольные величины Судно порожнем в цксной воде Судно в грузу (керосин) с полным запасом топлива и масла в пресной воде
Расчет по модели Проектные значения Расчёт по модели Проектные значения
Водоизмещение т 1520 1520 6329 6330
Водоизмещение V, м3 1503 1520 6331 6330
Абсцисса центра тяжести -12,4 -12,4 0,88 0,83
Аппликата центра тяжести 4,15 4,15 3,50 3,46
Абсцисса центра величины Хс.М 3,00 2,90 1,46 1,43
Аппликата центра величины гс.м 0,46 0,46 1,80 1,80
Осадка средняя Тс, м 0,90 0,91 3,52 3,53
Осадка носом Тн, м 0,08 0,10 3,41 3,42
Осадка кормой Т„ м 1,75 1,81 3,62 3,64
Линейный дифферент А, см -167 -170 -22 -22
Последующее внедрение математической модели посадки судна в состав программного обеспечения тренажёра осуществлено посредством разработки программы на языке Visual Basic. Работа программы была проверена оценкой её взаимодействия в комплексе с другими модулями тренажёра. Передача данных происходит по всем требующимся направлениям в соответствии с приведённой выше схемой (см. рис.1). Результаты работы данной имитационной модели отображаются на приборах и в полях мнемосхем. Можно увидеть положение корпуса судна в трёхмерной визуализации, где качественно отображается реакция корпуса на произошедшие изменения нагрузки в результате выполнения грузобалластных операций.
Список литературы
1. Алферьев М.Я. Теория корабля. - М.: Транспорт, 1972. - 448 с.
2. Роджественский В В. и др. Статика корабля. - Л.: Судостроение, 1986. - 240 с.
Волжская государственная академия водного транспорта. 603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.
SIMULATION MODEL OF SHIP BOARDING IN SIMULATOR OF PERFORMING CARGO-BALLAST AND TECHNOLOGICAL OPERATIONS OF TANKER E. A. Lukina
Simulation boarding model is intended for tracing a changing a boarding a body as a result an the cargo-ballast operations on the ship. In connection with the ship load changes a value and form of the shipped volume of body. New position of balance of ship is found by the way of progressive approximations. Conducted evaluation of adequacy available models from standpoints of displaying going change. After the adduction models to the programmed type it was introduced in the simulator and has shown a successful interaction with its other modules.
