РАСЧЕТ СИЛ ВЕТРОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА КОРПУС СУДНА С КОЛЕСНЫМ ДВИЖИТЕЛЬНО-РУЛЕВЫМ КОМПЛЕКСОМ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 629.5.015.3

В.Я. Бычков, студент ФГБОУВО «ВГУВТ»

Л.С. Грошева, кандидат техн. наук, доцент ФГБОУ ВО «ВГУВТ»

В.И. Плющаев, зав. кафедрой, доктор техн. наук,

профессор ФГБОУ ВО «ВГУВТ»

603951, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5

РАСЧЕТ СИЛ ВЕТРОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

НА КОРПУС СУДНА С КОЛЕСНЫМ ДВИЖИТЕЛЬНО-РУЛЕВЫМ КОМПЛЕКСОМ

Ключевые слова: судно, колесно-движительный рулевой комплекс, ветровое воздействие.

Приведен расчет сил ветрового воздействия на корпус строящегося судно с колесным движительно - рулевым комплексом «Золотое кольцо».

В России продолжается строительство судов с колесным движительно-рулевым комплексом (КДРК) [1]. В настоящее время эксплуатируется 3 судна с КДРК - это пассажирские теплоходы проекта ПКС-40 «Сура», «Колесовъ» и «Доброходъ» [2,3]. Эти суда характеризуются малой осадкой (что очень актуально для речного флота, эксплуатируемого на реках России), хорошими маневровыми качествами, низким расходом топлива. Суда этого типа имеют сравнительно небольшие размеры: длинна - 35,8 м, ширина 9,8 м, высота 8.4 м. Сейчас ведется проектирования крупного пассажирского судна «Золотое кольцо», имеющего размеры 81,6 * 13,8 * 9,5 м, пассажи-ровместимостью 180 человек (рис. 1).

Рис. 1. Теплоходы проекта ПКС-40 и ПКС - 180

Суда с КДРК обладают специфическими особенностями - малой осадкой (около 60 см для ПКС-40 и 120 см для ПКС-180) и очень большой парусностью. Как показал опыт эксплуатации теплоходов проекта ПКС-40, ветровые нагрузки существенно

влияют как на динамику, так и на безопасность эксплуатации судов (это характерно для судов всех типов [4,5,6]). Этот эффект, по видимому, в большей степени будет проявляться для судна проекта ПКС-180, длина которого в 2,3 раза превосходит длину эксплуатируемых судов.

Цель данной статьи - изучение влияния ветровой нагрузки на корпус теплохода проекта ПКС-180.

Положение центра масс (ЦМ) смещается относительно миделя в зависимости от загрузки судна в пределах от 0,58 м (для судна с 10% запасов и топлива с пассажирами и с балластом) до 2,05 м (для судна с 10% запасов и топлива с пассажирами на палубе надстройки III яруса). При расчетах будет принята средняя величина 1,3 м, что соответствует судну с 100% запасов и топлива и пассажирами.

Общая площадь боковой проекции составляет 643 м2(без учета ограждения верхней палубы, например, при его выполнении в виде крупной сетки). С учетом площади ограждения верхней палубы общая площадь боковой проекции составляет 680 м2. Площадь поперечной проекции судна составляет 113 м2.

Для расчета ветровой нагрузки судно можно представить в виде параллелепипеда с цилиндрической носовой вставкой. Параллелепипед имеет площадь боковой поверхности около Sn =600 м2, поперечной проекции SK =113 м2. Переднюю часть судна можно представить в виде цилиндрической вставки высотой Нц= 8,6 м и диаметром 2гц= 13,1 м. Таким образом, общая площадь цилиндрической вставки составит SЦ= 177 м2. Центр парусности ЦП1боковой поверхности смещен к корме на 7 м, центр парусности ЦП2 цилиндрической вставки смещен к носу относительно ЦМ на 31 м.

На рис. 2 показаны силы, обусловленные ветровым воздействием на корпус судна (v - скорость кажущегося ветра в м/с, ф - угол кажущегося ветра в радианах, L1 и L2 -плечи сил, приложенных к центам парусности ЦП1 и ЦП2 в метрах).

Рис. 2. Силы, действующие на корпус судна в результате ветрового воздействия (для ф = 180°-270°)

Сила ветрового воздействия определяется как [7]:

R. = C. Pv2S., i i 2 i

где С¡ - аэродинамический коэффициент сопротивления (зависит, в частности от формы объекта); р - плотность воздуха, кг/м3; V - скорость ветра, м/с;

Si - площадь, на которую воздействует ветер, м2.

В [8,9] приведены графики значений коэффициента сопротивления для параллелепипеда. В зависимости от геометрии параллелепипеда его значения лежат в пределах 0,8-1,0. Для корпуса теплохода проекта ПКС-180 этот коэффициент примерно равен С]= 1,0. Для цилиндра, расположенного перпендикулярно к потоку (носовая часть) коэффициент сопротивления можно принять за С2= 0,6.

Для направления ветра слева в нос (в секторе от 180° до 270° составляющие) силы ветра, действующие на корпус, можно записать:

P 2

Rln = R sin ф = - С -J Sn sin ф v sin ф;

P

Run = R °°s ф = - С — Sn sin ф v cos ф;

P

R2n = R sin ф = С2 — гц \ (2л - ф) v sin ф;

P

R2 дп = R c°s ф= С2~ Гц hH (2л-фу> v cos ф-

Тогда

Р 2

Rn = sinф (Rln + R2n ) = - V sinф (-CjSn sinф+ С2гц h4 (2л - ф));

Р

Rdn = COÜ ф (Ri дп + R2 дп ) = ~V COÜ ф ( Sn sin ф+ C2 Гц h4 (2л-ф)).

Момент, разворачивающие судно, можно записать как

Mr = Mri - Mr2 = Р V2 sinф (QSn Lx sinф + C2 Гц h4 (2л - ф) L2).

Для направления ветра слева в корму составляющие силы ветра, действующие на корпус, показаны на рис. 3.

Составляющие силы ветра, действующие на корпус, можно записать как

=- C Р Sп V 2 sin2 ф,-

= - C1 р Sп V 2 sin ф COs ф -

Р 2

R2п = C2~ Гц hn V (2л - ф) sin ф-Р

R2W = C 2~ Гц hn (2л - ф) V COs ф, Р

Rn = SK V соsф sin ф, Rздп = C3 Р Sк V2 cos 2 ф.

Тогда

р 2

Rn = sin ф (R1n + R2n + R3n ) = - v sin ф (-Ci sn sin ф+ C2 Гц К (2я-ф) + C3 ^сшф^

р

Rw = COS Ф (R1 дп + R2 дп + R3 дп ) = -v cos ф (-Ci sin ф + с2Гц h4 (2гс-ф) + Q^rn^.

Момент, разворачивающие судно, можно записать как

Р ?

MR = - МЛ2 + Млз = — v sin ф (CSn L sinф + C гц h (2я - ф) L2 -

2

- С3 SKL соsф).

J R2 дп -- к

/С

f ЦП2 " s w \

L2

ЦМ ' R\m

;/ Ri

L1

ЦП1 L3 ' R1 п R3 дп

/ R3

ЦП3 R3 п

R2

Рис. 3. Силы, действующие на корпус судна в результате ветрового воздействия (для ф = 270° - 360°)

Аналогично можно найти составляющие силы ветра, действующие на корпус, и в других квадрантах. Для направления ветра в корму справа (от 0° до 90°):

Rio = Ci Р S„V2 sin2 Ф;

Ri„„ = Ci р S v2 sin Фcos Ф; ^ = C2 р гц К sin ф; К2дп = C2 р Гц кц v2ф COS ф;

Rn = C р SV2 со5ф sin ф;

Rздo = C3 Р Sk V2 COS2 ф.

Тогда

Р 2

Rn = Sin ф (Rin + R2n + R3n ) = " V Sin ф ( CiSn Sin ф + C2 Гц Кц ф + C3Sk С05ф)/

Р 2

Кдп = COS ф (R1дп + К2дп + К3дп) = - V COS ф (Ci Sn Sin ф + C2 Гц h4 ф + C3 Sk COS ф).

Момент, разворачивающие судно, можно записать как

Р ?

Mr = -Mri + Mr2 - Mr3 = - v sin ф (-ClSп Li sinф + C2 Гц Кц ф L2 -- C SKL3 соsф). Для направления ветра справа в нос (от 90° до 180°):

Rп = Ci Р Sп V2 sin2 ф; Ri дп = Ci РS пsin ФV2 cos ф;

R2 п = C2 Р Гц Кц ФV 2 sin ф;

R2 дп = C2 Р Гц Кц ФV 2 COs ф-

Тогда

Р 2

R = sin ф (R + R ) = — v sin ф(^ S sin ф+ C г h ф);

п 1п 2п 2 ц Ц

Р

Rdn = COs Ф(R1 дп + R2 дп ) = -V COs ф (C1So sin ф+ C2 Гц Кц ф).

Момент, разворачивающий судно:

Р 2

MR = -MR1 + ^^R 2 =2 V sin ф (-C1So L1 SinФ + C2 Гц Кц ф L2)-

Зависимости поперечной (R„), продольной (Ядп) сил и разворачивающего момента (MR) от направления и скорости ветра показаны на рис. 4.

а)

б)

в)

Рис. 4. Зависимости поперечной (а), продольной (б) сил и разворачивающего момента (в) от направления и скорости ветра

Для наглядности эти же зависимости представлены в полярных координатах (рис. 5).

Rn, Rdn, Н

180

попер сила 3 м/с прод сила 3 м/с

а)

MR. Н *м при 3 м/с

о

180

б)

Рис. 5. Зависимости поперечной и продольной (а) сил и разворачивающего момента (б) от направления ветра

Полученные результаты качественно совпадают с данными, приведенными в литературе (например, рисунок 6 из [10]). Естественно, конкретные значения зависят от типа судна и его конфигурации, а именно длины и ширины, высоты борта, надстроек и рубок.

Поперечная составляющая

Момент

Рис. 6. Поперечная и продольная составляющие аэродинамической силы и их вращающий момент из [10]

При вычислении сил и моментов, действующих на корпус судна, необходимо использовать «кажущийся» ветер [11], вектор скорости которого V является суммой векторов скорости судна V и скорости истинного ветра т?в. Угол между векторами

скорости судна V и скорости истинного ветра Ув равен в (рис. 7).

При определении направления ветра не используются принятые у судоводителей правила («ветер в компас»), поскольку для математического и компьютерного моделирования требуется задание углов в соответствии с математическими законами. Угол направления ветра определяется между осью х (или х') и прямой соответствующей направлению его вектора. Так, например, ветер с углом равным 0, относительно корпуса судна, будет для судна попутным.

1±

р.'

Рис. 7. Определение вектора «кажущегося» ветра Рв - направление истинного ветра в системе координат х'у', связанной с корпусом

судна:

У

х

в =

{27

если рв > 2п, то Рв = Рв - 2п. 9 - угол между векторами истинного ветра Рв и направлением перемещения судна 5 в системе координат x'y':

|/?в — 5| при |/?в — 5| < тг т - |/?в — 31 при |/Зв — <?| > ТТ Скорость «кажущегося» ветра можно определить как V = + V2 — 2увУС0Б 1?

Для определения угла «кажущегося» ветра в системе координат x'y' рассмотрим 2 ситуации:

1) Угол реального ветра в системе координат x'y' находится в диапазоне 0< Рв <

п. Выбор знака при вычислении угла кажущегося ветра в системе координат x'y' поясняется на рисунке 8а.

у '

б)

Рис. 8. Определение знака при вычислении угла кажущегося ветра ф

х

х

Таким образом, угол между направлением «кажущегося» ветра и ДП судна равен:

2) Угол реального ветра в системе координат x'y' находится в диапазоне

п <РВ< 2п. Выбор знака при вычислении угла кажущегося ветра в системе координат

x'y' поясняется на рисунке 8б.

Таким образом, угол между направлением «кажущегося» ветра и ДП судна равен

Проведенные расчеты показывают, что для нового судна «Золотое кольцо» (обладающего малой осадкой и большой парусностью), аэродинамические силы будут иметь весьма существенное значение и влиять на его динамические характеристики. При ветре уже в 5м/с поперечная составляющая аэродинамической силы достигает 1000 кГ, а поворачивающий момент величины в 61000 н*м. Это может значительно затруднить маневрирование судна, особенно на малых скоростях (например, при выполнении швартовых операций). Полученные результаты будут использованы при моделировании динамических характеристик нового судна и разработки алгоритмов управления.

Список литературы:

[1] Российский патент № 2225327 от 30.11.2001.

[2] Галкин Д.Н. и др. Уникальный туристический теплоход, или как развивать отрасль в современных условиях . // Речной транспорт (XXI век) ). 2016. - № 2(78). - с. 21-23.

[3] Галкин Д.А., Малый Ю.А. От «Суры» к «Золотому кольцу». // Речной транспорт (XXI век) ). 2015. - №2(73). - с. 32-33.

[4] Szelangiewicz T.,Wisniewski B., Zelazny K. The influence of wind, wave and loading condition on total resistance and speed of the vessel. polish maritime research 3(83) 2014 Vol. 21; pp. 61-67.

[5] Fossen T.I., Perez T. Ship Motion Control and Models // One-day Tutorial, CAMS'07, Bol, Croatia, 2007. - 27 с.

[6] Andersen I. M. V. Wind Forces on Container Ships Fluid Mechanics, Coastal and Maritime Engineering, Department of Mechanical Engineering, Technical University of Denmark, Nils Koppels Allé, 2800, Kgs. Lyngby, Denmark - 12 c.

[7] Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: учеб. пособ. - 4-е изд., испр. - М.: Academia, 2003. - 720 с.

[8] Барт Р. Влияние бокового ветра на аэродинамические силы, действующие на модели автомобилей и подобные им тела// Аэродинамика автомобилей. М.: Машиностроение. 1984 г.

[9] Nakayama Y., Boucher R.F. Introduction to Fluid Mechanics. - Elsevier, 2000. - 312 с.

[10] Антонов В.А., Письменный М.Н. Теоретические вопросы управления судном. Учебное пособие. 2-е изд., перераб. и доп. МГУ им. Адм. Г.И. Невельского, 2007. - 78 с.

[11] Вагущенко Л.Л., Цымбал Н.Н. Системы автоматического управления движением судна. -3-е изд., перераб. и доп.- Одесса: Фешкс, 2007. - 328 c.

THE CALCULATION OF WIND FORCE IMPACT ON THE SHIP HULL WITH WHEEL PROPULSION STEERING UNIT «GOLDEN RING»

V. Y. Bychkov, L.S. Grosheva, V.I. Pluyshchaev

Key words: ship, wheel-propulsion steering complex, wind impact

The article represents the calculation of wind force impact on the ship hull with wheel propulsion steering unit «Golden Ring».

Статья поступила в редакцию 18.04.2018 г.

УДК 629.563.21: 001.891.54

Е.М. Грамузов, д.т.н., профессор ФГБОУ ВО «НГТУ им. Р.Е. Алексеева»

603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24

О.А. Иванова, инженер-конструктор АО «ЦКБ» Коралл»

299028, г. Севастополь, ул. Репина, 1

КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ ПЛАВУЧИХ ОБЪЕКТОВ И ПАРАМЕТРОВ ИХ СТАБИЛИЗАЦИИ В ОПЫТОВОМ БАССЕЙНЕ

Ключевые слова: бассейн, амплитуда колебаний, волнограф, число Фруда, модель, платформы, экспериментальные исследования

В статье приведены результаты и анализ экспериментальных исследований пространственных колебаний плавучих объектов и параметров их стабилизации в опы-товом бассейне. Разработана схема выполнения измерений параметров пространственных колебаний для плавучих объектов на физических моделях буровых платформ. Определены характеристики угловых и поступательных колебаний физических моделей при использовании разработанного комплекса цифрового оборудования, параметры их стабилизации в зависимости от конфигурации платформ.

Постановка задачи

Добыча природных энергетических ресурсов является одной из основных отраслей топливно-энергетического комплекса России, в которой старана занимает ведущее место в мировой системе оборота энергоресурсов, активно участвует в торговле на мировом рынке углеводородов. В настоящее время разведано значительное число нефтяных и газовых месторождений в глубоководных районах Мирового океана [1-5]. Их освоение требует создания соответствующих технических средств. В центральных районах Черного моря имеются огромные запасы углеводородов. Первоочередные задачи для освоения энергетических ресурсов в бассейне Черного моря включают комплексные исследования в лабораторно-стендовых и реальных (морских) условиях, для возможности добычи их с применением экологически чистых технологий без нарушения биосферы моря, с учетом глубин порядка 2 км и экстремальных ветро-волновых условий возможных в центральных районах Черного моря. Решение этой проблемы предусматривает детальные исследования гидродинамики платформ для глубоководного бурения, определение условий их стабильности с относительными поступательными колебаниями в пределах 1...2 % от глубины места разработки, оптимизацию конструкций таких установок, создание численных моделей их динамики для определения возможных экстремальных нагрузок на элементы конструкций. Экспериментальные исследования на основании лабораторного моделирования - один из необходимых этапов создания таких средств.