CC BY
20PECULIARITIES OF THE SUBSTANTIATION OF THE ARCHITECTURAL-DESIGN TYPE OF THE CRUISE SHIP
V.I. Lyubimov
Key words: passenger vessel, cruise ship, architectural and constructive type, hull, superstructure, wheelhouse, passenger compartment, passenger cabin, architectural analysis.
The features of the substantiation of the architecturally-constructive type (ACT) of promising river cruise vessels, including mixed (river-sea) navigation vessels, are considered allowing to form a virtual model of a ship at the stages of conceptual design, to perform architectural analysis.
Статья поступила в редакцию 07.05.2018 г.
УДК 629.12
Е.П. Роннов, д.т.н., профессор, зав. кафедрой ФГБОУВО «ВГУВТ» С.В. Пресное, к.т.н., директор московского филиала РРР 125195, г. Москва, Ленинградское шоссе, 59 Ю.А. Кочнев, к.т.н., доцент ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603951, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
РАСЧЁТ И ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИЙ, ВОЗНИКАЮЩИХ В АВТОСЦЕПЕ ТОЛКАЕМОГО СОСТАВА ПРИ ХОДЕ НА ВОЛНЕНИИ
Ключевые слова: толкаемый состав, автосцеп, регулярная качка, дифференциальные уравнения качки
В статье приведена формулировка задачи и математическая модель определения усилий в автосцепе сцепного устройства толкаемого состава. Представлены результаты тестовых расчётов и проведён анализ полученных значений.
Перемещение несамоходных судов методом толкания уже более пятидесяти лет применяется в нашей стране при перевозке массовых грузов на внутренних водных путях. Его эффективность доказана в работах отечественных ученых и специалистов и неоспоримо подтверждена эксплуатационной практикой освоения грузопотоков.
Внедрение этого метода потребовало решения многих новых вопросов, связанных как с организацией работы флота, так и с конструкцией судов, образующих толкаемый состав. Одним из основных из них была разработка специальных автосцепов, обеспечивающих автоматическую сцепку судов состава между собой.
Несмотря на отработанные и проверенные временем конструкции этого судового устройства, реализованные в одно- и двухзамковых автосцепах, например типа О-200 и УДР соответственно, для повышения надёжности в эксплуатации необходимо дальнейшее совершенствования их конструкции, а так же наличие нормативных требований классификационных обществ к их проектированию. Одним из основных направлений решения этой проблемы является всесторонний аналитический анализ усилий, возникающих в соответствующих конструктивных элементах автосцепа в различных ситуациях при эксплуатации состава. Такие критические усилия, с точки зрения мак-
симальных значении, могут возникать при отклонении рулей толкача и одновременной качке судов состава при его ходе на волнении.
Каждое судно состава в этом случае совершает шесть видов колебательных движений (перемещений) относительно трёх координатных осей, которые в [1] определяются линейной теорией качки, как некоторого твёрдого недеформируемого тела.
Нахождение усилий в элементах счала толкаемого состава связано с составлением и решением уравнений движения каждого судна при всех этих перемещениях, для чего используется система уравнений Эйлера-Лагранжа
<** дТ, пп у дт, п у дт, дт, п п\
---+ \\гУ —--а + \е1У —---= Р, (1)
<Ъ /=1 1=1 дау у=1 дау дп*
где Т1 - кинетическая энергия системы 1-ое судно вода; п - число степеней свободы; а - квазискорости системы;
/¡У - трёхиндексные символы Больцмана;
е-У - двухиндексные символы Больцмана; П - квазикоординаты;
Р - обобщённая сила, отнесённая к координате.
Кинетическая энергия толкаемого состава в этом случае находится как сумма кинетической энергии толкача, каждой секции состава и кинетической энергии жидкости, вызванной движением судов состава. Выражение для кинетической энергии каждого судна состава получено на основе уравнения кинетической энергии движения твёрдого тела с учётом особенностей взаимного поведения системы «судов состава -жидкость» [4].
Внешние силы, действующие на суда состава, сведены к следующим категориям:
1 силы, действующие на движителях;
2 рулевые силы и моменты;
3 силы и моменты, приложенные к корпусам судов со стороны жидкости и обусловленные её вязкостью и наличием свободной поверхности;
4 возмущённые силы, обусловленные набегающим волнением;
5 демпфирующие и восстанавливающие силы.
С учётом полученных в [4] выражений для кинетической энергии всех категорий внешних сил и соответствующих математических преобразований уравнение (1) применительно ко всем шести видам колебаний конкретного судна, в матричной форме имеет вид [1]
А х В = С (2)
где А - матрица коэффициентов уравнений; В - матрица перемещений;
С - матрица внешних сил, действующих на судно; I - тип судна толкаемого состава; ] - вид колебательного движения.
Матрица коэффициентов уравнений имеет вид [5,6,7,8]
=
ап Ъц сп а12 Ъ12 сп ахъ Ь13 с13 аи Ь14 сы а15 Ь15 с15 а16 Ь16 с16
а21 Ъ21 с21 а22 Ъ22 с22 а23 Ъ23 с23 а24 Ъ24 с24 а25 Ъ25 с25 а26 Ъ26 с26
а31 Ъ31 с31 а32 Ъ32 с32 а33 Ъ33 с33 а34 Ъ34 с34 а35 Ъ35 с35 а36 Ъ36 с36
а41 Ъ41 с41 а42 Ъ42 с42 а43 Ъ43 с43 а44 Ъ44 с44 а45 Ъ45 с45 а46 Ъ46 с46
а51 Ъ51 с51 а52 Ъ52 с52 а53 Ъ53 с53 а54 Ъ54 с54 а55 Ъ55 с55 а56 Ъ56 с56
а61 Ъ61 с61 а62 Ъ62 с62 а63 Ъ63 с63 а64 Ъ64 с64 а65 Ъ65 с65 а66 Ъ66 с66
Матрица перемещений в рассматриваемой системе уравнений, является матрицей неизвестных
где £, ^ - перемещения судна вдоль продольной, поперечной, и вертикальной оси; с,,-,,.' - скорости перемещения (первые производные от перемещений) вдоль продольной, вертикальной и поперечной оси /-ого судна в составе соответственно; Ь7Т77 " - ускорения при перемещении (вторые производные от перемещений) вдоль продольной, вертикальной и поперечной оси /-ого судна в составе соответственно;
6, - угловые перемещения вокруг продольной оси (крен), поперечной оси (дифферент) и вертикальной оси (рысканье) /-ого судна в составе соответственно; С 7 у' - скорости угловых перемещений (первые производные от перемещений) вокруг продольной оси, поперечной оси и вертикальной оси /-ого судна в составе соответственно;
с , " - ускорения от угловых перемещений (вторые производные от перемещений) вокруг продольной оси, поперечной оси и вертикальной оси /-ого судна в составе соответственно.
Матрица внешних сил, действующих на судно включает в себя следующие элементы
С, ] = ( к£ % М£ мл '
где Я£ - продольная составляющая внешних сил;
Яц - поперечная составляющая внешних сил;
Я^ - вертикальная составляющая внешних сил;
М£ - момент внешних сил относительно продольной оси;
Мц - момент внешних сил относительно поперечной оси;
М^ - момент внешних сил относительно вертикальной оси.
Систему уравнений (2) можно составить для каждого судна в составе, учитывая в матрице внешних сил не только величины, рекомендуемые [1], но и реакции сил и моменты взаимодействия элементов сцепного устройства двух судов друг на друга.
В общем виде реакцию конструкции сцепного замка представляют в зависимости от перемещения сцепляемых судов состава
Щ = а х / (£ 6 ^ ^ ),
где а^ - коэффициент пропорциональности, зависящий от материала, размеров и других конструктивных характеристик сцепного замка.
Для определения усилий в элементах сцепного устройства необходимо проинтегрировать систему уравнений, составленную для состава, вид которой будет зависеть от выбранного автосцепа.
Для примера рассмотрим толкаемый состав из трёх судов: толкача, концевой и головной баржи (секции). Схема усилий, действующих на суда в составе приведена на рисунке 1 [3].
Составим матрицу коэффициентов уравнений для приведённого состава судов, учитывая результаты вычислений инерционных составляющих, выполненных в [1], применяя принцип суперпозиции и зависимость реакций связей от перемещений судна [2]. Таким образом, матрица А для каждого судна в составе примет вид
A =
ЪЦ 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
0 0 0 a22 Ъ22 0 0 0 0 a24 Ъ24 0 0 0 0 a26 Ъ26 c26
0 0 0 0 0 0 a33 Ъ33 c33 0 0 0 a35 Ъ35 c35 0 0 0
0 0 0 a42 Ъ42 0 0 0 0 a44 Ъ44 c44 0 0 0 a46 Ъ46 c46
0 0 0 0 0 0 a53 Ъ53 c53 0 0 0 a55 b55 c55 0 0 0
0 0 0 a62 Ъ62 c62 0 0 0 a64 Ъ64 c64 0 0 0 a66 Ъ66 c66,
Рис. 1. Схема сил, действующих на состав
Вид матрицы В останется без изменений, но она запишется для каждого судна. Матрица С будет иметь разный вид для каждого судна - для толкача
(
C =
Rel - ХУТ + Х31 - xP - ХУТ + RЛТ + КПТ
Ri - Уз1 + Ур + КУЛт - Rnт
+ Клт + RnT Mi - УЗ1НЗ1 + Ур Нр + МТт МУу1 + ТЗНЗ1 + ХрНр - хУтНут - хУтНут + Мут
„ Мв3 - y31L31 - yPLP + ХУТЪУЛТ - ХУТУ + МТТ
\
для кормовой секции
(
С =
Кв2 + ХУТ - ХЗ1 + ХУТ - КЛТ - КПТ - ХУБ + ХЗ2 - ХУБ + КЛБ + КПБ
<2 + УЗ1 - УЗ2 -КЛТ + КПТ + КЛБ -КПБ
пБ пБ пБ пБ пБ
Кв 2 - КЛТ - КПТ + КЛБ + КПБ Мв2 - УЗ\НЗ\ + УЗ2НЗ2 + МТБ
Мв2 - ХЗ1НЗ1 + ХЗ 2 НЗ2 + ХУТ НУТ - ХУТ НУТ - ХУБ НУБ - ХУБ НУБ + МТБ Мв2 - УЗ1ЦЗ12 - ХУТ ЪУТ + ХУБЪуБ - уЗ2ЦЗ23 - ХУТ ЪУуТ - ХУБЦ/Б + МТБ
- для головной секции
С =
Квз + ХУБ - ХЗ 2 + ХУБ - КЛБ - КПБ
КвУз + УЗ2 - КУЛБ + КП
ПБ
пБ пБ nz
Кв3 - КЛБ - КПБ Мвз - УЗ1НЗ1 + УЗ 2 НЗ 2 + МТБ
МвУз - ХЗ 2 Нз 2 + хУб НУб + ХУБ НУб + МТб
Мвз - ХУБ ЦлБ - УЗ 2 ЦЗ 2з + ХУБ ЪУуБ + МТб
где Хут , Хут, Хуб , Хуб - усилия в левом (л) и правом (п) упоре толкача (т) и концевой баржи (б);
Х31, Х32, Уз1, У32 - продольные (х) и поперечные (у) усилия в замке между толкачом и концевой баржей (1), коневой и головной баржей (2);
КЛТ > КЛБ > КПТ > КПБ > Щтт ' Щш' К11Т' КПБ' КЛЛТ > ^ЛБ > КПТ > КПБ - продольные (х), поперечные (у) и вертикальные (г) усилия в левых (л) и правых (п) вожжевых между толкачом и концевой баржей (т), коневой и головной баржей (б);
Хр, Ур - продольная и поперечная силы от пера руля толкача;
Н5Н52 - возвышение головок замка толкача (1) и баржи (2) над плоскостью хРу;
Нр - вертикальное расстояние от плоскости х101у1 до точки действия силы рулевой
силы;
Цр - плечо рулевой силы;
НуТ, нут, нуБ, нуБ, НУТ, НУТ, НуБ, НуБ - плечи точек контактов правых (п) и левых (л) носовых упоров толкача (т) и концевой баржи (Б) с упорными панелями барж относительно оси Огуг; Ъ^, Ъ^, ЪУБ, Ъ^, Ьг, , ЪуБ, ЪуБ - плечи тех же точек относительно плоскости
Оу;
М^, М^т, М^ - моменты нагрузок , счала толкача с концевой баржей
относительно координатных осей толкача;
М^, М%Б, МрБ - моменты нагрузок ^, , , счала толкача с концевой
баржей и концевой баржи с головной баржей относительно координатных осей концевой баржи;
, M^ - моменты нагрузок , счала концевой и головной баржи относительно координатных осей головной баржи;
, Рзз _ отстояние центров контактов поверхности головок замков толкача и концевой баржи от поверхностей zt О, y, толкача и головной баржи; L3\2, Р23 _ отстояние центров контактов поверхности головок замков толкача и концевой баржи от плоскости z2O2y2
Окончательно система уравнений для состава из трёх судов (толкач, концевая и головная баржи) имеет вид
' AХ B = с ' A2 х B2 = C2 ' A х Вз = Сз
Решая приведённую систему численно методом Рунге-Кутта четвёртого порядка для состава судов, характеристики которых приведены в таблице 1, получены значения усилий, действующие на сцепной замок автосцепа: продольные усилия (Xz1 - для сцепа толкач - концевая баржа, Xz2 - для сцепа концевая - носовая баржи) и поперечные усилия (Yz1 - для сцепа толкач - концевая баржа, Yz2 - для сцепа концевая - носовая баржи) (см. рисунок 2), а так же на реакции в тросах вожжевых связей: Rl1 - для левых вожжевых сцепа толкач - концевая баржа, Rl2 - для левых вожжевых сцепа концевая - носовая баржи; Rp1 - для правых вожжевых сцепа толкач - концевая баржа, Rp2 - для правых вожжевых сцепа концевая - носовая баржи (рисунок 3).
Таблица 1
Элементы и характеристики судов состава
Величина Размерность Толкач Концевая секция Головная секция
Главные размерения
Длина м 43,95 114,59 114,53
Ширина м 11,58 14,07 14,07
Осадка м 2,14 3,7 3,7
Высота борта м 3,305 5 5
Коэффициент полноты ватерлинии 0,872 0,999 0,999
Коэффициент полноты мидельшпангоута 0,98 0,999 0,999
Коэффициент полноты водоизмещения 0,649 0,9 0,9
Абсцисса центра тяжести м 0,1 0,2 0,2
Аппликата центра тяжести м 2,84 4,25 4,25
Абсцисса центра тяжести ватерлинии м 0,1 0,2 0,2
Мощность кВт 1470 - -
Сцепное устройство
Жёсткость амортизатора замка МН/м
- продольного 30,0 -
- 30,0
- поперечного 25,0 -
- 25,0
Жёсткость амортизатора счалов вожжево-го троса МН/м 10,0 -
- 10,0
Величина Размерность Толкач Концевая секция Головная секция
Координаты замка м
- по высоте 3,5 5,1 -
- по ширине 0 0 -
- по длине 22,1 57,3 -
кЫ
Хг1
Хг2
180
Уг1
Уг2
180
90
270
кЫ
90
270
^о!
30
330
30
330
Рис. 2. Зависимость продольных и поперечных усилий в замке автосцепов состава от курсового угла
Приведённые графики показывают значение усилий, возникающих в связях при различных курсовых углах движения судна по отношению направления набегания
0
0
волны. Так видно, что наибольшие продольные нагрузки на замок возникают при курсовом угле, близком к встречному волнению. Аналогично, наибольшие поперечные нагрузки на сцепной замок возникают при поперечном волнении. Вожжевые включаются в работу при промежуточных положениях судна, когда замок не воспринимает все усилия из-за своей конструкции (наличии амортизаторов и зазоров).
Полученные результаты могут быть использованы при разработке рекомендаций судоводителю для избежания опасных курсовых углов, с точки зрения целостности сцепного устройства.
kN
Rl1 Rl2
90
30
180
330
270
0
ugol
kN
90
30
Rp1 Rp2
180
330
270
0
^о1
Рис. 3. Зависимость усилий в вожжевых состава от курсового угла
Однако применение линейно теории качки, рассмотренной в настоящей статье, не дает полного описания величины данных усилий, значения которых могут быть уточ-
нены при рассмотрении нелинейной теории качки при движении судно на не регулярном волнении.
Список литературы:
[1] Благовещенский С.Н. Справочник по статике и динамике корабля. В двух томах. Изд. 2-е перераб. и доп. Том 2. Динамика (качка) корабля. // С.Н. Благовещенский, А.Н. Холодилин / Л. Судостроение - 1975. - 176 с.
[2] Сторожев Н.Ф. Судовые сцепные устройства. - Изд. 2-е перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1978. - 272 с.
[3] Корректировка требований РРР к сцепным устройствам толкаемых составов внутреннего плавания (разделы 5.7, 5.8 ч III Устройства). Научно-технический отчёт. Н. Новгород - 2000 г. -135 с.
[4] Преснов С.В. Метод определения усилий в счалах толкаемых составов смешанного (река-море) плавания / С.В. Преснов. М.: ООО ИПК «Корабел». - 2006. - 89 с.
[5] Porter R.W. Added-mass, damping and wave-ratio coefficient fer heaving ships - line cylinders // Journal of ship research. - 1966. - vol 10, no 4. - p. 223-241.
[6] Tasai F. On the Damping Force and Added Mass of Ships Heaving and Pitching. // Journal Society of Naval Architects, Japan. - 1959. - No 105. - p. 47-56.
[7] Tasai F. The «state of the art» of calculations for lateral motions // Report of Seakeeping Committee. Proceedings, vol. 2. 13 ITTC, Berlin, Hamburg. - 1972.- p. 918-942.
[8] Frand W. The heave damping coefficients of bulbous cylinders, partially immersed in deep water // Journal of Ship Research, vol. 11, No 3, September. - 1967.- p. 151-153.
CALCULATION AND INVESTIGATION OF THE FORCES ARISING IN THE COUPLER OF THE PUSHED CONVOY DURING A WAVE RUN
E.P. Ronnov, S.V. Presnov, U.A. Kochnev
Key words: pushed convoy, automatic coupler, regular pitching, differential rolling equations.
The article contains the formulation of the problem and a mathematical model for determining the forces in the coupler of the pushed convoy. The results of test calculations are presented and the analysis of the obtained values is carried out.
Статья поступила в редакцию 09.04.2018 г.
УДК 629.12.001
М.Э. Францев, кандидат техн. наук, АО «Нептун-Судомонтаж» 141703, г. Долгопрудный, ул. Набережная, 18
ПРОЕКТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА МАТЕРИАЛА СРЕДНЕГО СЛОЯ НАДСТРОЙКИ ИЗ КОМПОЗИТОВ ПАССАЖИРСКОГО СУДНА НА ПОДВОДНЫХ КРЫЛЬЯХ
Ключевые слова: пассажирское судно на подводных крыльях, надстройка из композитов, легкий средний слой
