CC BY
36УДК 629.122
Е.В. Купальцева, аспирант ФГБОУВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВЛЯЮЩИХ НАГРУЗКИ МАСС «МАЛЫХ» ПАССАЖИРСКИХ СУДОВ НА НАЧАЛЬНОМ ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Ключевые слова: нагрузка масс, математическая модель, «малое» пассажирское судно.
Предложена математическая модель постатейного расчета массы «малого» пассажирского судна. На основе статистического анализа определены модули, отражающие наиболее тесную связь с соответствующими измерителями массы. Полученные аналитические выражения учитывают конструктивные особенности каждого из архитектурных типов данных судов. Проверка разработанной модели позволяет сделать выводы об ее адекватности.
Вопрос определения составляющих нагрузки масс на этапе концептуального проектирования является наиболее сложным и ответственным. Адекватная методика определения масс и точность полученных результатов позволит исключить ошибки при проведении дальнейших расчетов. Определение нагрузки масс проводится на всех стадиях проектирования судна. Полученные данные при эскизном проектировании уточняются на последующих этапах более подробной проработки проекта.
Общепринятым методом постатейного расчета составляющих нагрузки масс на начальных стадиях проектирования является пересчет с данных близкого прототипа с использованием измерителей массы и соответствующих модулей [4]. Таким образом, задача сводится к определению модуля для расчета массы определенной статьи. При этом модуль должен косвенно отражать влияние соответствующих элементов либо характеристик судна на составляющую нагрузки, а так же давать наиболее тесную корреляционную связь с соответствующим измерителем. Вид модуля и зависимость от него измерителя масс находят на основе статистического анализа. В данной работе такой анализ применительно к «малым» речным пассажирским судам, предназначенным для внутригородских и пригородных перевозок. Характеристики рассматриваемых судов приведены в таблице 1. Рассматриваемые суда разделены в соответствии с [1] на три архитектурно-конструктивных типа (АКТ): к типу I относятся суда с полноценной металлической надстройкой, размещенной на главной палубе; к типам II, III относятся суда с полуутопленной металлической надстройкой с размещением пассажиров как в корпусе (тип III), так и на тентовой палубе надстройки (тип II).
Для расчета массы судна на начальной стадии проектирования уравнение масс представим в следующем виде
В = Р + Р + Р + ВЖ0 + АВ, (1)
к м тс ' ^ '
где В _ полное водоизмещение судна, т;
Р - масса оборудованного корпуса, т;
Рж - масса энергетической установки, т;
Рте - масса топлива и смазки, т;
БЖ0 - чистый дедвейт судна, т; АВ - запас водоизмещения, т.
Таблица 1
Характеристики «малых» пассажирских судов
№ Проект Класс Главные размерения, м н С)" Тип движ т V, км/ч 5 ^ Е С АКТ
Ь В Н Т 5
1 623 О 40,6 6 2,5 1,5 0,5 180 В 300 20 271 I
2 780 О 40,6 6 2,5 1,46 0,5 177 В 300 20 242 I
3 82164 О 40 7,1 3 1,69 0,56 269 В 300 20 40 I
4 935 О 43 6 2,5 1,52 0,49 192 В 450 23 277 I
5 1630 О 40,6 6 2,5 1,5 0,5 180 В 300 20 270 I
6 839 О 28 4,9 2,4 1,22 0,456 75 В 150 20 147 I
7 81080А О 33 6 2,6 1,4 0,525 139 В 300 20 275 I
8 1570 О 40,6 6 2,5 1,47 0,5 181 В 300 20 240 I
9 23021М О 30,9 4 5,9 1,5 0,7 0,7 90 ВД 240 15 129 I
10 05371 Л 28,1 6 1,3 0,7 0,76 80 В 150 12,5 100 II
11 287 Р 28,4 6,35 1,4 0,87 0,665 82 В 180 17 600 II
12 к-80 Р 20,7 4,2 1,3 0,7 0,58 33 В 150 20 120 II
13 р51э Р 36 5,3 1,7 1,18 0,46 107 В 300 24 400 II
14 544 Р 24,8 4,45 1,4 0,9 0,54 52 В 150 19 145 II
15 181 Р 28,5 6,34 1,4 0,8 0,65 80 В 108 13,7 400 II
16 515 Р 21 4,5 1,4 0,88 0,555 45 В 150 20 131 II
17 р35 Р 36 5,3 1,7 1,12 0,45 100 В 300 24 450 II
18 222в Р 23 3,7 1 0,55 0,74 34 В 150 17,8 62 III
19 222 Р 22,5 3,7 1 0,53 0,73 33 В 150 18,5 60 III
20 3019 Р 16,6 3,65 1,35 0,54 0,82 26 ВД 103 13,5 40 III
21 564к Р 24,8 4,45 1,4 0,83 0,54 47 В 150 19 90 III
22 р118 Р 19 4,75 1,3 0,68 0,715 44 ВД 90 12 80 III
23 95100 Л 24 5,4 1,6 0,6 0,61 54 ВД 160 16 70 III
Массу оборудованного корпуса представим в виде
Р = Рмк + Рн.ч. + Роб + РОКр + Рсн + Рсу + Рсс + Рэ , (2)
где Рмк - масса металлического корпуса и надстроек;
Рн ч - масса неметаллических частей в составе корпуса и надстроек;
Роб - масса оборудования помещений;
Рокр - масса окраски, цементировки, изоляции;
Рсн - масса снабжения;
Р - масса судовых устройств и палубных механизмов;
Рсс - масса судовых систем;
Рэ - масса электро и радио оборудования.
Наиболее важной составляющей уравнения (2) является масса металлического корпуса, т.к. в составе всего раздела «корпус» «малого» пассажирского судна она имеет наибольшее значение и доходит до 78%. Металлический корпус этих судов конструктивно и функционально состоит из двух частей- собственно корпуса и надстройки. Масса последней, в зависимости от архитектурно- конструктивных особенностей, составляет до 30%. Поэтому группу Рмк можно представить в виде суммы слагаемых
Р = Р' + Р (3)
мк мк мн > V /
где Рмк - масса металла корпуса, т; Р мн - масса металла надстройки, т.
В работе [2] нами предложена методика расчета этих слагаемых. В соответствии с ней, получены модули для расчета масс статей, составляющих металл корпуса, а так же даны рекомендации для расчета данного раздела укрупненно- через квадрат кубического модуля. Масса металлической надстройки представлена в зависимости не только произведения характеристик, описывающих геометрию судна, но и с учетом пассажировместимости. По результатам анализа точности полученных результатов, предложенная методика признана адекватной.
Для нахождения вида модуля и выражения для измерителя массы решалась экстремальная задача, формулировка которой так же приводится в работе [2].
Для расчета масс статей, напрямую либо косвенно зависящих от количества оборудованных мест для сидения (неметаллические части корпуса и надстроек, оборудование помещений, окраска, цементировка, изоляция, дельные вещи) традиционный подход с использованием, в качестве модуля, произведение габаритов судна Ь х В х Н не дает приемлемого результата. В данном случае, для расчета измерителя массы должны учитываются не только главные размерения судна, но и количество
оборудованных мест (пм) и число предназначенных для их размещения палуб (к).
По результатам статистического анализа, наилучшим получен модуль
Мм ={ЬБ)2 И1пмк, (4)
где - приведенная высота борта, рассчитываемая по формуле
У А • ^
Нх = Н (5)
где Н ,м - высота борта;
, Н{ - длина и высота I -го яруса надстройки.
В таблице 2 приведены аналитические и графические зависимости для расчета измерителей масс статей, зависящих от числа оборудованных мест.
Таблица 2
Измерители масс статей, зависящих от числа оборудованных мест
Статья
Измеритель массы
Аналитическое выражение
Графическое выражение
Неметаллические части корпуса и надстроек
АКТ I
О 1 А-7 (-5-10-9 -Мм)
= 2-10 e^
АКТ II
= 2-10 е'-
(-9 -10-8 -Мм)
АКТ III
укя = 85,6- М-1,25
Оборудование помещений
АКТ I, II
Уоб = 3,7-10-3 -(Мм)-
АКТ III
= 6,4-10-3-(Мм )-06
Окраска, цементировка, изоляция
АКТ I
у = 1,34- (М )-
т окр ' V м /
АКТ II, III
= 25-10-3 -(Мя)-
Дельные вещи
АКТ I
= 3,7-10-3 -(Мм
АКТ II, III
У«
= 3,2-10-3 -(МмГ"
Статьи «Судовые устройства» и «Палубные механизмы» для малых пассажирских судов объединены, ввиду незначительности второй составляющей. В общем случае
0,62
для судовых устройств оптимальным является модуль данная зависимость отражена на рис. 1.
(ЬБИ )2/: . В графическом виде
Рис. 1. Измеритель массы судовых устройств
Аналитическое выражение для определения измерителя массы данной статьи имеет вид
Ус
= 2,3 • 10-3 •(ЬБИ)2/3 - 0,025
(6)
Более точно массу данной статьи можно определить, как сумму отдельных устройств
Рсу = Рс1 + (Рс2 + Рс3) + Рс
(7)
где Рс1 - масса рулевого устройства; Рс2 - масса якорного устройства; Рс3 - масса швартовного устройства; Рс4 - масса иных устройств.
Оптимальный модуль для расчета массы рулевого устройства должен учитывать скорость движения судна, а так же размерения, влияющие на данную величину. Так же необходимо учитывать тип используемых движителей: на речных пассажирских судах это винт либо водомет. Таким образом, на основе проведенного анализа, модулем будет являться величина ( ЬТу ). Для остальных составляющих уравнения (7)
принимаем модуль (БТ53 / 4). Таким образом, определять измерители масс составляющих судовых устройств возможно по следующим формулам
- масса рулевого устройства для судов с водометным движителем
уВД = 6•Ю-6 • (ЬТУ) + 0,0016 масса рулевого устройства для судов, оборудованных винтом
уВ = 2 • 10-6 \ЬТу)+ 0,0003 масса якорного, швартовного и иных устройств
Ус2+сз,с4 = 0,2 •(ВТЪ3 / 4)-0,35
(8)
(9)
(10)
С учетом требований СаНПиН [3] по условиям обитаемости пассажирские суда оснащаются развитыми системами вентиляции, водоснабжения, сточно-фановыми, кондиционирования воздуха и др.
Судовые системы распределены по всему корпусу и надстройкам, в виду этого оптимальным будет является модуль, наиболее полно описывающий геометрию всей
конструкции - {ЬБИ1 )2.
Рис. 2. Измеритель массы судовых систем
Формула для расчета измерителя массы общесудовых систем получена в следующем виде
= 6,3 • 103 •{ЬБИ1 ^ (11)
Измеритель массы снабжения и инвентаря дает наиболее тесную связь с квадратом кубического модуля. Графическая зависимость изображена на рис. 3.
Рис. 3. Измеритель массы снабжения и инвентаря
Аналитическое выражение, в данном случае, выглядит следующим образом
уск = 4,7• 10 3 -{ЬБИ)1 (12)
При расчете массы механизмов необходимо использовать модуль, учитывающий суммарную мощность судна. Закон изменения величины измерителя масс данной статьи наиболее тесно связан с энерговооруженностью судна N/D, а так же скоростью движения судна v, км/ч.
Рис. 4. Измеритель массы механизмов Выражение для определения данного измерителя массы имеет следующий вид
Оптимальным модулем для расчета массы электро- радиооборудования будет являться кубический модуль (ЬБИ)2. Графически зависимость изображена на рис. 5.
Рис. 5. Измеритель массы электро и радиооборудования
Получена следующая формулу для расчета измерителя массы данной статьи
= 5,2 • 103 • (ЬБИ)1 (14)
Проверка адекватности разработанной модели постатейного расчета нагрузки масс «малого» пассажирского судна проведена в табл. 3.
Из приведенных данных видно, что погрешность расчета массы судна в основном не превышает 10%. Увеличение погрешности до 14% для пр. Р35 обусловлено, прежде всего, заложенной по проекту высокой массой статьи «Окраска, цементировка, изоляция» - большая доля которой приходится на выравнивающее мастичное покрытие.
Таблица 3
Анализ точности расчета нагрузки масс по предложенной методике
Проект (тип) Сумма рассматриваемых масс по проекту Сумма рассматриваемых масс по предложенной методике Погрешность %
81080а (I) 120,3 114,59 5,02
935 (I) 155,4 145,04 7,2
544 (II) 37,43 37,16 0,73
Р35 (II) 81,7 71,95 13,6
05371(III) 67,1 62,09 8,1
3019 (III) 21,3 19 11,8
При оценке разработанной методики можно сделать следующие выводы: разработанная математическая модель применима, прежде всего, для наиболее типовых проектов «малых» пассажирских судов, т.к. максимально учитывает конструктивные особенности каждого из описанных типов.
Список литературы:
[1] Купальцева Е.В. Анализ проектных характеристик главных элементов пассажирских судов для внутригородских и пригородных линий // Вестник Государственного университета морского и речного флота им. адмирала С. О. Макарова. 2015.- № 2 (30). - с. 119-129.
[2] Роннов Е.П. Масса металлического корпуса «малых» пассажирских судов. / Роннов Е.П. Купальцева Е.В. // Вестник Астраханского Государственного технического университета. Се-рия:Морская техника и технология 2015.
[3] СанПиН 2.5.2.703-98. Санитарные правила и нормы. 2.5.2. Водный транспорт. Суда внутреннего и смешанного (река-море) плавания. Введен 01.07 1998.
[4] Grubisic I. Reliability of Weight Prediction in Small Craft Concept Design / I. Grubisic // Proc. of 6th HIPER Congress, [September 18-19, 2008]. - Naples, Italy, 2008. - P. 215-226.
THE DEFINITION COMPONENTS OF THE LOAD MASS OF «SMALL» PASSENGER VESSELS AT THE INITIAL DESIGN STAGE
E. V. Kupaltseva
Key words: mass load, mathematical model, «small» passenger vessel
A mathematical model for calculating light-ship displacement «small» passenger ship is proposed. On the basis of statistical analysis modules are identified, reflecting the closest relationship to the relevant mass meter. The analytical expressions take into account the design features of each of the architecture types. Verification of the developed model allows permit conclusions about its adequacy.
