Математична модель і алгоритм оптимізації головних елементів пасажирського порома

Размещено на http://www.allbest.ru//

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ КОРАБЛЕБУДУВАННЯ

імені адмірала Макарова

Спеціальність 05.08.03 - Конструювання та будування суден

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Математична модель і алгоритм оптимізації головних елементів пасажирського порома

Чан Ван Мінь

Миколаїв - 2009

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному університеті кораблебудування імені адмірала Макарова Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

кандидат технічних наук, професор

Альвіан Миколайович Вашедченко

Офіційні опоненти

Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, професор кафедри теорії та проектування суден

доктор технічних наук, професор

Леонід Михайлович Дихта

Офіційні опоненти

Чорноморський державний університет ім. Петра Могили, професор кафедри прикладної та вищої математики

кандидат технічних наук, доцент

Олександр Олегович Каніфольский
Одеський Національний морський університет, доцент кафедри теорії та проектування суден

Захист відбудеться "_14_" грудня 2009 р. о _1430_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 38.060.02 Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова за адресою: 54025, м. Миколаїв, пр. Героїв Сталінграду, 9, ауд. 360.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова за адресою: 54025, м. Миколаїв, пр. Героїв Сталінграду, 9.

Автореферат розісланий"_11_" листопада 2009 р.

1

Размещено на http://www.allbest.ru//

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТІ

Актуальність теми обумовлена потребою періодичного оновлення застарілого прибережного пасажирського флоту і необхідністю у зв'язку із цим наукового обґрунтування сітки перспективних типів суден, а також відсутністю у вітчизняній та зарубіжній науковій і технічній літературі методики обґрунтування характеристик деяких нових типів поромів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація включає в себе результати досліджень, отриманих при виконанні держбюджетної науково-дослідної роботи «Розробка методики проектування суден для умов ринкової експлуатації» № 0107U000718 Міністерства освіти і науки України. Вона також виконувалася відповідно до державної програми «Розвиток океанської економіки і суднобудування В'єтнаму», в рамках науково-дослідної роботи «Створення систем автоматичного проектування сучасних суден для В'єтнаму».

Мета і завдання дослідження ? створення математичних моделей і алгоритмів оптимізації високошвидкісних пасажирських поромів нових типів і відповідно розробка статистичної моделі поромів на основі мінімального обсягу початкових даних, розробка способу розв'язання рівняння мас при поточній частці дедвейту, розробка алгоритму вибору геометричних параметрів корпусу мінімального опору, формулювання та обґрунтування глобального критерію оптимізації порома, створення універсального алгоритму оптимізації головних елементів прибережних пасажирських поромів.

Об'єктом дослідження є напрями оптимізації техніко-експлуатаційних| властивостей прибережних пасажирських поромів у процесі концептуального проектування на базі раціонального математичного моделювання.

Предмет дослідження - математичні моделі й алгоритми визначення характеристик прибережних пасажирських поромів, оптимальних у сенсі|змісті| економічної ефективності.

Методи дослідження:

1. Прогнозування елементів і властивостей швидкохідних поромів за допомогою розроблених математичних моделей.

2. Елементи теорії помилок для оцінки достовірності наближених багатовимірних залежностей.

3. Методи математичного програмування для пошуку оптимальних рішень.

Наукова новизна одержаних результатів

1. Уперше розроблений спосіб визначення водотоннажності й основних елементів порома версткою навантаження з обнуленням нев'язки рівнянь зв'язку при врахуванні ряду обмежень з використанням комп'ютерних інструментів "Підбір параметра" і "Пошук рішення".

2. Уперше на основі експериментальних даних проф. Я.І. Войткунського і М.Н. Рейнова й аналітичних матеріалів проф. Р. Латорре розроблена методика розрахунку буксирувальної потужності порома з особливо тонкими корпусами і розвантажувальними підводними крилами, що дозволяє тепер оптимізувати форму бічних корпусів катамарана по мінімуму потужності.

3. Упроваджена нова схема оцінки економічної ефективності порома з урахуванням району експлуатації (редукування швидкості ходу щодо забезпеченості граничної для порома висоти хвиль), платоспроможності пасажирського контингенту (гранично прийнятна вартість пасажиро-милі), мінімуму будівельної вартості поромів, розрахованої за їх функціональними модулями.

4. Виконаний аналіз економічного ризику експлуатації різних видів поромів у прибережних водах В'єтнаму при коливаннях платоспроможності, а також указані принципові типи прибережних поромів для СРВ.

5. Доведена збіжність результатів теоретичного розрахунку в концептуальній фазі проектування поромів з вітчизняними і зарубіжними натурними даними.

Практичне значення отриманих результатів дослідження полягає в його прикладній спрямованості та створенні програмних продуктів із чисельними прикладами, придатних для застосування в навчальному процесі й у роботі проектних організацій.

Розробки концептуального проектування впроваджені в проектних організаціях: Миколаївському дизайнерському інженерному центрі, Конструкторському центрі ЧСЗ, а також у навчальному процесі кафедр теорії і проектування суден НУК та проектування й конструкції суден В'єтнамського морського університету (Хайфон).

Особистий внесок здобувача в отримання наукових результатів дисертації полягає у наступному: 1) підготовці та математичній обробці статистичних даних поромів різних типів і створенні статистичної моделі; 2) розробці математичних моделей функціонування пасажирського порома; 3) формуванні алгоритмів визначення ефективності й вартості пасажирського порому за весь його життєвий цикл; 4) створенні математичної моделі пасажирського порома, що відображає його основні технічні й мореплавні якості; 5) формулюванні оптимізаційного завдання визначення головних елементів пасажирського порома; 6) дослідженні чутливості результатів оптимізації до варіацій основних характеристик високошвидкісних суден (ВШС); 7) розробці алгоритму і методики визначення головних елементів пасажирського порома.

Апробація результатів дисертації

Результати дисертації доповідалися:

? на Міжнародній науково-технічній конференції (НТК) "Безпека плавання і її забезпечення при проектуванні і побудові суден", БМС?2007, Миколаїв;

? на НТК професорсько-викладацького складу НУК "Сучасні напрями проектування і конструкції морських суден", 2008 р.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 7 наукових статей у міжнародному журналі "Судноплавство" і збірниках наукових праць НУК (з них 3 без співавторів).

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, семи розділів, висновку, списку використаної літератури і восьми додатків. Робота містить 177 сторінок основного матеріалу, 51 рисунок, 17 таблиць, 97 найменувань літературних джерел. Обсяг додатків - 92 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи. Вона диктується потребою вирішення питань оновлення пасажирського прибережного поромного флоту В'єтнаму. Необхідно створити математичні моделі типових поромів прибережного плавання, які б дозволяли методами математичного програмування оптимізувати сітку суден. Для таких типів поромів, як «гібриди» та «особливо тонкі корпуси», потрібно розробити методики. Напрям роботи визначений як створення адекватних математичних моделей, що дозволяють найкращим чином досліджувати концепцію проектованих поромів для конкретних районів експлуатації. Це обумовлено тим, що технічні рівні проектування суден у даний час забезпечуються розвиненими системами проектування (такими, як Трайбон, Форан, Максерф, тощо), тоді як початкова стадія проектування, пов'язана з перевіркою коректності завдання, вибором і обґрунтуванням системи обмежень завдання проектування, щоразу вимагає індивідуального підходу, і тому слабо автоматизована.

Зважаючи на випадковий характер пасажиропотоку, врахована необхідність стохастичної оцінки вхідних даних у завданнях на проектування та інтервальної інтерпретації результатів у створюваних моделях функціонування.

Обґрунтована доцільність створення статистичної моделі початкового проектування, обумовлена нестачею матеріалів збалансованих технічних проектів.

У першому розділі дисертації розглянуті потреби В'єтнаму в прибережних пасажирських перевезеннях, еволюція основних характеристик поромів, положення світових досліджень з питань проектування даного типу суден. Характерне зростання швидкостей поромів (рис. 1) свідчить про бажання проектантів якнайдалі відійти від абсолютного максимуму на кривій хвильового опору швидкісних суден при . Область використання малих мореплавних пасажирських поромів визначається інтервалами м, вуз (на рис. 1 виділене пунктиром).

Статистичний аналіз головних елементів оснований на вибірці 150 поромів різних типів. У всіх наближених формулах згідно з теорією випадкових помилок визначені довірчі інтервали (при рівні надійності 95 %).

Рис. 1. Співвідношення швидкості ходу і довжини пасажирських поромів прибережного плавання:

1 - останнє покоління традиційного сталевого монопорома на 500 пасажирів ("Зірка", 1988 р. і катамаран «Мадрас», 2005 р.); 2 - одноярусний швидкісний катамаран (1998 р.); - сучасні прибережні пороми

У статистичній моделі перевага віддана нелінійним багатовимірним залежностям, які дозволяють екстраполяцію в достатньо широких межах аргументів. Наприклад, (рис. 2) , де D - водотоннажність, т; qвмс - питома квадратура салону, м2/місце; Fd - псевдочисло Фруда за масою порома (0,164vsD-1/6). В алгоритмах

D = DW/Kdw (D, Fd, qвмс).

У розділі подано огляд літератури за темою дослідження. Праці Я.І. Войткунського, А.Г. Ляховіцького, Р.Е. Алексєєва, В.О. Некрасова, А.Н. Косорукова, Б.З. Леві, Б.А. Царева, Г.Ф. Демешко, А.М. Вашедченко, В.А. Ніколаєва, А.О. Каніфольського, Е.Б. Сахновського, Е.А. Афрамєєва, А.В. Аносова, а також Р. Латорре, П. Xеркуса, К. Хоппе, М. Інселя, А. Моланда, Х. Міяти, Н. Ішиї, К. Янга, М. Сеїфа тощо дозволили застосувати системний підхід до проблеми.

Аналіз літературних джерел показав, що питання обґрунтування елементів високошвидкісних катамаранів гібридного типу і з особливо вузькими корпусами висвітлені недостатньо. У дисертації отримані загальні закономірності зміни основних характеристик цих поромів.

Другий розділ присвячений вибору та обґрунтуванню критерію ефективності проектованих поромів. Основний інтерес представляє порівняльна ефективність. Згідно з фундаментальним положенням економічної науки "рентабельність виробництва безпосередньо вимірює його ефективність». Тому визначення оптимального терміну служби засобів праці «за принципом максимуму середньої рентабельності й повинно бути покладено в основу практичних розрахунків" (проф. Л.Б. Бреслав). Отже, основним критерієм оптимізації обраний критерій подвійної середньої рентабельності, адаптований (до врахування фізичного і морального зносу) період окупності капітальних вкладень порома:

, (1)

де и - коефіцієнт реновації інвестицій; Ф - нормативна ціна порома; Q1 - сумарна продукція (пасажиро-милі) першого року експлуатації порома; Цпм1 - середня ціна пасажиро-милі в першому році експлуатації; - середньорічний коефіцієнт морального зносу судна.

У третьому розділі виконаний аналіз імовірнісних моделей функціонування порома. Як основні вибрані дві моделі:

а) оптимізується кількість і швидкість поромів при обмеженні - синхронізація інтенсивності заявок на судно із частотою його підходу до причалу;

б) швидкість оптимізується спільно з пасажиромісткістю і кількістю поромів на лінії при чітко заданій тривалості рейсу.

У четвертому розділі розглянуті доцільні для умов В'єтнаму архітектурні типи поромів. Раціональні схеми планування пасажирських салонів запозичуються з перевірених успішною експлуатацією планувань СПК і СПП. Недоцільно використовувати багатоярусні пороми. Рекомендується одноярусний високошвидкісний пором-катамаран подовженням у плані не менше чотирьох, із системою стабілізуючих кільову хитавицю стаціонарних крил (як мінімум активні транцеві плити). При місткості салону більше 100 пасажирів слід розділяти його на дві частини поперечною вогнестримувальною перебіркою. При віддаленні від берега більше двох годин ходу рекомендується влаштування посадочного майданчика для прийому рятувального вертольота.

П'ятий розділ дисертації присвячений створенню математичної моделі порома і розробці алгоритму оптимізаційного проектування в концептуальній фазі проекту. Відсутність достатнього масиву збалансованої технічної інформації щодо проектів високошвидкісних поромів подолана ретельним аналізом і статистичною обробкою нечисельних публікацій у періодичних виданнях і в інтернеті. Одержані залежності, оброблені як наближені виміри, дозволяють з достатнім ступенем точності визначати елементи адекватних поромів, відповідні широкому діапазону стандартних завдань на проектування. Установлена залежність (рис. 3) питомих енергетичних витрат , кВт*год / тонно-миля, від індексу відносної швидкості (псевдочисла Фруда) для різних видів транспорту, що переміщуються в рідині, де N - потужність головних двигунів, кВт; vs - відповідна цій потужності швидкість, вуз; D - повна маса судна, т. Показник nе.в ідентичний зворотній пропульсивній якості порома.

Рис. 3. Залежність питомих енергетичних витрат різних видів транспорту від індексу відносної швидкості ходу Fd

Розгортаючи формулу через опір руху і переходячи до одиниць CI, після введення g у чисельник і знаменник формули отримуємо

 , (2)

де - зворотна пропульсивна якість порома. Показник nе.в дозволяє коректно порівнювати транспортну ефективність різних засобів (наприклад, катамаран , дирижабль , вертоліт (Fd = 18), літак (Fd = 53) тощо) при виконанні ними однакового завдання. У дисертації отримані також багатовимірні залежності і , де Lвідн1 - відносна довжина бокового корпусу.

Залежність (2) i формули, отримані в розд. 1, дозволяють розробити статистичну модель визначення узагальнених змінних і головних елементів порома при заданих дальності плавання Z, пасажиромісткості рах, швидкості ходу vs. Функціональні обмеження, такі, як питомі витрати палива у функції від потужності агрегату , нижнє обмеження ширини MO на рівні головної ватерлінії (ГВЛ) та інші, одержані на підставі статистичної обробки каталогів двигунів і схем загального розташування поромів.

Далі вони використовуються для розрахунку водотоннажності методом верстки. Наприклад, застосовується така послідовність розрахунку:

,

де - очікувана водотоннажність; N = nе.вDvs - потужність головних двигунів (ГД) порома, кВт; qпал = 0,0005N-0,116 - питома витрата ГД; - запас палива; Pекп = 0,083 (округляти вгору (D/50 + N/2000 + 0,5)) - маса екіпажу; - поточне значення дедвейту порома; Kdw - поточний коефіцієнт дедвейту; Dфакт - дійсне значення водотоннажності, що одержується розв'язанням рівняння. При установці на катамаран крил з коефіцієнтом розвантаження Kргз у вказану послідовність після Dоч вводять вставку Д = (1-Kргз)Dоч. За знайденим значенням Д розраховують Fд(Д), nе.в = f(Fд) і частину потрібної потужності Nд. Повна потужність N = Nд + 0,364KргзDочvs, де чисельний коефіцієнт враховує якість крила (ланцюг 22) і пропульсивний коефіцієнт катамарана (біля 0,63). Коли замість Kргз задаються параметри підводного крила, то його підйомна сила визначається відомою формулою гідродинаміки Ry = 0,5Cyсv2Sкр, де коефіцієнт підйомної сили для крила катамарана в першому наближенні на основі даних К.К. Федяєвського і М.Б. Масєєва визначається нашою апроксимацією

,

де Су залежить від відносного розмаху лкр , відносної (% від хорди tкp) товщини профілю Свід,, відносного заглиблення крила, кута при виготовленні порома буст.

Апроксимацією визначаються наступні елементи корпусу: довжина верхньої палуби, мінімальна мореплавна довжина ВВЛ , мінімальна допустима ширина ВВЛ бічного корпусу на транці, натуральний блок-коефіцієнт бічного корпусу , повна водотоннажність катамарана , умовний блок-коефіцієнт і повна водотоннажність катамарана: та . Контроль одержаних значень повної водотоннажності здійснюється через оцінку водотоннажності порожнем. Питома маса алюмінієвого катамарана порожнем з амплітудою довірчого інтервалу близько 10 % і надійністю 0,95 визначається такою формулою:

. (3)

Сталеві монокорпуси типу "Зірка" за рахунок малопотужних MO і щільного розташування пасажирів (близько 0,85 м2/чол.) мають середні значення mпит на 0,01...0,1 менші, ніж алюмінієві катамарани із системою контролю ходового диференту RCS. Питома маса катамаранів з розвантажувальними ПК на 0,025 т/місце вища від одержаної за формулою (3). Повна водотоннажність . Повна водотоннажність катамарана з розвантажувальними ПК у функції коефіцієнта розвантаження Kргз і габаритів верхньої палуби L0,B0 визначається за формулою із середньоквадратичним відхиленням 0,002 т/м2. Мала відмінність (не більше 5 %) одержаних значень Dповн i Dфакт свідчитиме про коректний вибір параметрів корпусу, інакше необхідно змінювати значення В1 і Cb. Потім можливий розрахунок економічних показників. Аналіз ряду контрактів, а також робіт А.В. Абрамовського, В.А. Ніколаєва, Б.М. і Є.Б. Сахновських дозволив одержати адитивні залежності вартості порома від пасажиромісткості й потужності або швидкості ходу (рис. 4), придатні для субоптимізації:.

В алгоритмі повної оптимізації, де Sв.п - площа верхньої палуби; NМО -- потужність ГД і pax - пасажиромісткість.

Розроблений алгоритм математичної моделі оптимізації порома включає у себе необхідні обмеження на такі властивості порома, як місткість, баланс мас, непотоплюваність і остійність, ходовість, екологічність, мореплавність. Їх виконання дозволяє в подальшому опрацьовуванні проекту забезпечити вимоги класифікаційних товариств до основних якостей порома. Алгоритм розрахунку (рис. 5) поєднує три блоки математичної моделі в єдиний ланцюг залежностей, що приводить до значення основного критеріюЗабезпечення місткості в технічному блоці пов'язане з вибором площі верхньої палуби порома, яка визначає всі інші його розміри і масу. Потрібна площа палуби через норматив квадратури qвмс, кількість палубних пасажирів paxв.п і коефіцієнт використання палуби під пасажирський салон Kип визначається як . Норматив квадратури є функцією тривалості поїздки пасажира зростає з його збільшенням і рамен qвмс= 0,77tx0,23. У зв'язку із цим габарити порома дальнього слідування (2 < txод < 6 год) при однаковій пасажиромісткості більші, ніж прибережного човникового порома. Баланс мас порома забезпечується розв'язанням рівняння мас у формі поточного коефіцієнта утилізації водотоннажності. Первинне значення водотоннажності, обчислене через площу палуби, є початковою точкою верстки алгоритму рівняння мас:

Рис. 5. Блок-схема математичної моделі оптимізації порома

. (4)

Остійність і непотоплюваність не створюють проблем в експлуатації катамаранів. Тому при концептуальному проектуванні обмежуємося забезпеченням поперечної початкової метацентричної висоти, що утримує крен судна в межах 10о при скупченні пасажирів на одному борті:

.

Непотоплюваність гарантується поділом бічних корпусів на відсіки приблизно рівної довжини, числом не більше ніж

mmах = округлити вгору (0,97Lw0,505).

Екологічна безпека при експлуатації поромів розглядається тільки з погляду дії корабельних хвиль на берегову смугу. Їхня енергія еквівалентна енергії деформації водної поверхні в межах площі LwB1 за час просування корпусу на одну свою довжину . В океанології щільність енергії хвилі статистично пов'язують з її висотою як , кВт*год/м2, тому / 3600 = , де Rw - хвильовий опір судна; - маневрений час корпусу.

При фіксованих розмірах для зниження висоти еквівалентної хвилі необхідно зменшувати хвильовий опір.

Таблиця 1

Зведена таблиця результатів буксирувань

Найменування	Відносний горизонтальний кліренс
	0,17	0,26	0,35
Швидкість, м/с	2,5	3	4	2,5	3	4	2,5	3	4
Висота хвиль на борту, мм	Вершина	7,8	14,6	34,3	14,1	11,7	12,1	16,5	11,7	7,4
	Підошва	23,7	11,2	14,9	9,2	6,4	12	6,1	8,2	4,3

Експеримент проведено автором у дослідному басейні кафедри теорії і проектування суден НУК з метою перевірки наближених оцінок висоти і характеру корабельної хвилі далеко за кормою судна. Випробувана модель SH катамарана водотоннажністю 147 т (Lw = 37,29 м, Lw / B1 = 16, Cb = 0,625,) у масштабі 1:33. Спостерігається істотний вплив горизонтального кліренсу на висоту хвилі ? вона зменшується з його зростанням (табл. 1). Кліренс 0,25 нейтральний до швидкості ходу ? висота на траверсі 3,5Lw близько 20 мм, тобто в натурі складе 0,66 м. Hа траверсі 40Lw висота суттєво зменшується до 0,1 м.

Інерційні перевантаження порома в технічному блоці утримуються в необхідних межах за рахунок обмеження відносної висоти хвилі 3%-й забезпеченості при заданій відносній швидкості ходу порома. Одержана формула відносної висоти хвилі, при якій ще не потрібно навмисно знижувати швидкість ходу, для поромів з вузькими корпусами і системою ходового контролю (RCS):

Одержані в технічному блоці елементи допустимого варіанта порома надходять в економічний блок і блок оптимізації. Враховується моральний і фізичний знос при однаковій тривалості життєвого циклу всіх варіантів, після чого визначається адаптований до зносу період окупності капітальних вкладень Таок. Критерієм оптимального варіанта є мінімум цього періоду. Зручно застосовувати частково дискретно-безперервний спосіб оптимізації. Створений повний ряд поєднань дискретних незалежних змінних (56 варіантів на рис. 5), і всередині кожного варіанта комбінованим методом конфігурацій та градієнтів по мінімуму потужності головних двигунів проведена оптимізація безперервних незалежних змінних. Потім програмно вибраний варіант з мінімальним значенням Таок. Пором, з одержаними таким чином головними елементами й основними характеристиками, є глобальним оптимумом завдання та основою розробок на нижніх рівнях проектування.

У дослідженні розглянуто додаткове важливе обмеження - платоспроможність основного пасажирського контингенту. Узята прийнятна для пасажира ціна пасажиро-милі на дистанції Z (тут ж - середньогодинний заробіток пасажира). Невідповідність порома такій вимозі вважається економічним старінням.

Рис. 6. Співвідношення розрахункової (для пароплавства) і прийнятної (для пасажира) ціни квитка при дальності поїздки 10 миль і швидкості порома 37 вуз	Рис. 7. Межа економічної швидкості на дистанції 20 миль при ціні палива 800дол./т і пасажиромісткості 180 чол.

Техніко-економічний аналіз, проведений за допомогою розробленого універсального алгоритму оптимізації поромів UAPPP показує, що при годинних заробітках середньостатистичного пасажира 2...5 дол./год для кожної лінії експлуатації існують групи економічно застарілих поромів. Наведені на рис. 6 результати розрахунку це показують. При Z = const період окупності порома помітно зменшується зі зростанням проектної швидкості ходу. Проте це зменшення відбувається за рахунок дорожчання квитків через зростання ціни порома, збільшення питомих енергетичних витрат і відповідно собівартості перевезень. Тому з погляду економічного старіння для кожного поєднання Z, pax і ціни пального існує межа економічної швидкості ходу (рис. 7). Істотна ще одна особливість економічної поведінки поромів: із зростанням ціни палива автоматично (без удосконалення обслуговування) збільшуються прибутки від експлуатації. На рис. 8 видно, що на дистанції 270 миль при швидкості 45 вуз період окупності зменшується на 55% із збільшенням ціни палива з 240 до 800 дол./т. Соціально справедливо було б обчислювати прибуток при однаковому для всіх поромів нормативному періоді окупності, забезпечуючи зростання прибутків тільки за рахунок зниження собівартості перевезень. Тоді дорожчання палива розкладається і на пасажира, і на перевіз ника - і зростання ціни квитка сповільнюється.

Рис. 8. Зниження періодів окупності Таок зі зростанням ціни палива

відносно періоду Таок mах при Цпал = 250 дол./т

Рис. 9. Залежність періоду окупності від формули ціни проїзду

Розроблений оптимізаційний алгоритм має унiверсальний характер. Окрім оптимізації він дозволяє проводити паралельний техніко-економічний аналіз різних груп поромів для оцінки їх придатності до певної лінії експлуатації.

Виконаний економічний аналіз 14 діючих суден. Наведені на рис. 9 результати показують значний вплив прийнятої методики оцінки на пріоритет результату. Початкові умови розрахунку для всіх поромів однакові: дистанція Z = 30 миль, потік пасажирів Q1 = 10000 чол./діб, кількість заходів у проміжних портопунктах m = 4, кількість суден в обслуговуючій групі n = var залежно від цілочисельності рейсів у світлий час доби, вартість палива Спал = 200 дол./т.

При оцінці по мінімуму собівартості пасажиро-милі ряд переваг істотно змінюється залежно від формули| ціни| квитка.

Таким чином, найменший натуральний період окупності

Період окупності порома в залежності від|от| довжини дистанції при натуральній ціні квитка	Період окупності порома залежно від довжини дистанції при усередненій ціні квитка

Рис. 10. Вплив дальності плавання поромів на період окупності

має швидкісний пором гібридного типу «SF-40» (№ 10), проте при усередненій по всіх поромах ціні квитка він займає вже 3-тє місце (див. рис. 9), а при демпінговій ціні проїзду стає збитковим. Найбільш стійким до змін умов порівняння є середньошвидкісний монопором великої місткості «Зірка» (№ 2). Це доводить, що оптимальним завжди буде пором з максимально можливою в заданих обмеженнях місткістю.

На рис. 10 можна побачити, як змінюється період окупності у трьох найбільш економічних поромів при зміні дистанції від 10 до 150 миль.

Наведені розрахунки свідчать про істотну багатофакторну залежність економічної ефективності порома як від особливостей його власних характеристик, так і зовнішніх умов експлуатації. Звідси витікаєвисновок, що рентабельність прибережного пасажирського флоту може бути забезпечена лише за наявності в його складі поромів декількох типів і розмірів.

У шостому розділі розглянута достовірність отриманих результатів: виконана перевірка їх точності й адекватності. Використання в концептуальному проекті багатомірних багатовимірних статистичних залежностей переважно розрахунків за штучно конструйованими алгоритмами (у концепті виявлення і кількісна оцінка емерджентних властивостей системи експлуатованого судна) є основним завданням. Нами обумовлені зазначені в дисертації особливі правила оцінки достовірності багатофакторних статистичних залежностей. Зокрема із усереднюваних в МНК параметрів апроксимації виключені показники ступеня, оскільки вони утримуються нами незмінними при поповненні вибірки.

Перевірка адекватності запропонованих у роботі алгоритмів виконується комплексним тестуванням тренду узагальнених змінних при перерахунках елементів натурних суден, а також реконструкцією ряду їх головних елементів за допомогою способів розрахунку, що «ліцензовані» в спеціальних суднобудівних дисциплінах.

Нашим алгоритмом ARBS перевірено розрахунок ефективної потужності середньошвидкісного катамарана, випробуваного індійцями в дослідному басейні Мадраського технологічного інституту в 2005 році. Отриманий|одержувати| повний|цілковитий| збіг потужності (dN/N = 0,005). Розрахунки, виконані для лави швидкісних суден, показують гарну|добру|добру збіжність . Проведена перевірка підтвердила достовірність здобутих у дисертації результатів. Інше важливе завдання при обстеженні прототипу й оцінці елементів концептуального проекту - визначення водотоннажності та осадки порома.

На рис. 11 наведена схема експертної оцінки водотоннажності існуючого катамарана, щодо якого немає повних технічних даних. До стовпців М і N внесені достовірні дані прототипу. У стовпці O - значення водотоннажності D, отримані 14 різними наближеними формулами на основі чисельних даних стовпця N. Статистична обробка вибірки стовпця O дає середнє 164,2 т, амплітуду довірчого інтервалу 95%-ї надійності 11,1 т і стандартну помилку 2,98т.

Одержане значення водотоннажності перевіряється версткою (рис. 12) при питомій витраті палива пального г/кВт*год, масі одного пасажира з ручною поклажею 83 кг і дальності плавання 450 миль. У стовпці B видно поточні значення членів рівняння мас (4) після підстановки в нього очікуваного значення 137 т . У стовпці C також члени після розв'язання рівняння шляхом зведення незв'язки до нуля (рядок 8, див. рис. 12). У рядку 7 водотоннажність D2 визначено за формулою (замість Kdw) при поточному значенні дедвейту в рядку 6. Одержане значення D2 = 162,1 т достовірніше, оскільки в розрахунку дедвейту враховується повна витрата палива в залежності від потужності проектованого порома, його швидкості й дальності плавання. Рішення, наведене на рис. 12, доводить коректність отриманого на рис. 11 значення Dсер.

L	M	N	O	Формули стовпчика О
1	-	-	164,2	= 14,4+3,03*N9+0,733*N13
2	-	-	168,9	= 6,91*(N130,25*N9/ln(N9)-1)0,98
3	Lw, м	42,2	165,4	= (0,49*N12+6)/1,750,2+N9
4	B0, м	10,6	155,4	= 3,55*N9+13,4
5	T, м	2	161,9	= 9,25*N90,776
6	(LB)0, м	447	171,8	= 2,74*N12-0,69+N9
7	Ярусів	1,75	157,3	= (0,18*N12+1,34*N9+14,4)+N9
8	-	-	116,7	= (2/N120,5+0,4/N90,25)*N12+N9
9	Dw, т	40	195,2	= 1,09*N60,85
10	NГД, кВт	5520	160,7	= 8,4*N90,8
11	-	-	160,7	= 12,6+3,28*N9+0,433*N13
12	рах	274	152,1	= 0,34*N6
13	vs, вуз	39	166,2	= (0,47+0,00362*N13-0,00055*N12)*N12+N9
14	Z, миль	450	194,0	= 1,278*N120,803+0,146*N131,725-43+N9
15	Dсер, т	164,2 ± 11,1

Рис. 11. Статистична модель водотоннажності катамарана



Номер з/п	A	B	C
1	Dоч, т	137	162,0961
2	Fd	2,817	2,739
3	N, кВт	4851,8	5580,5
4	Qпал, т/кВтгод	0,000216	0,000216
5	Pпал, т	13,31	15,31
6	Dw, т	38,05	40,05
7	D2, т	155,782	162,0963
8	neviazka, t	18,78202	0,000155
9	Dроз, т	*	162,0961

Рис. 12. Верстка водотоннажності за даними прототипу з рис. 11

Для первинної оцінки елементів порома при заданих параметрах зовнішніх умов можна використовувати і такий алгоритм початкового проектування суто пасажирського порома з високооборотними двигунами внутрішнього згоряння на дальність плавання по запасах палива до 1000 миль:

де Бм.х - бал морського хвилювання в експлуатаційних умовах.

Для катамарана, розглянутого вище, при пасажиромісткості 274 чол., швидкості 39 вуз на хвилюванні Бм.х = 3 бали отримано такі елементи:

, , ; В1 = 3,25 м; Fr = 1,03; Cb =0,447; T =1,44 м.

Систематичні перевірки вказаними способами свідчать про те, що елементи порома, одержані на основі середніх статистичних значень водотоннажності, дуже близькі до натурних: стандартна помилка (відхилення середнього від математичного очікування не перевищує 1,3 %).

Подані результати доводять адекватність запропонованої методики визначення елементів поромів. При множинному розрахунку залишки з надійністю 95 % не перевищують 0,06...0,12 середніх значень. На початкових стадіях проектування така похибка є нормальною.

У сьомому розділі наведені приклади використання статистичних залежностей та алгоритмів оптимізації для уточнення попередніх результатів початкового проектування.

1. Розглянутий приклад еквідистантного зрушення тренду питомих енерговитрат у вигляді з точки прототипу на точку проектованого порома для визначення потужності головних двигунів останнього. Прототип водотоннажністю 180 т при потужності ГД 4080 кВт розвиває швидкість 32 вуз. Для подібного проектованого порома водотоннажністю 230 т і швидкістю ходу 47 вуз еквідистантне зрушення показує потужність 8867 кВт.

2. Пояснена процедура оптимізації головних розмірів порома (боковийкорпус) за допомогою програми ARBS при накладенні ряду обмежень. Як зазначено вище, ми ввели три особливості в стандартну формулу гідромеханіки:

,

а саме апроксимовані коефіцієнти: урахування опору форми , форм-фактора катамарана , частки хвильового опору в повному - . За експериментальними даними =, за допомогою яких здійснений перехід від опору тертя до в'язкісного. Форм-фактор обтікання корпусів після апроксимації даних Латорре та Інселя визначається для катамаранів залежністю , для моно - . Хвильовий опір корпусу у функції відносної швидкості ходу визначений часткою Kw від повного шляхом апроксимації відповідних графіків швидкісних суден з проф. Павленко, Войткунським, Латорре, Хоппе: при і при .

Таблиця 2

Варіанти системи обмежень
Варіант 1	Варіант 2	Варіант 3	Тип обмеження
29,1	36	Не більше 36	Довжина ГВЛ Lw, м
36,1	45,1
2,85	2,47	2,27	Ширина бокового корпусу В1, м
3,00	3,00	3,27
0,40	0,35	0,40	Коефіцієнт повноти Cb
0,55	0,45	0,65
Не обмежена	Така, що дорівнює 1,67 м	Така, що дорівнює 1,67 м	Осадка Т, м
Результати оптимізації
36,1	45,1	35,0	Lw
2,85	2,47	2,27	B1
1,70	1,67	1,67	Т
0,410	0390	0,544	Cb
721	680	695	NГД катамарана, kw
133,2	150,5	132,1	Змочена поверхня бокового корпусу, м2
Оптимальні безрозмірні параметри корпусу
12,65	18,23	15,42	Подовження в плані
8,67	10,82	8,40	Відносна довжина, Lвідн 1
0,341	0,310	0,346	Відносний горизонтальний кліренс (стег)

Потрібно для катамарана водотоннажністю 148 т при швидкості ходу 17 вуз вибрати оптимальні головні розміри, що мінімізують потужність ГД. Три схеми тривіальних обмежень (від….до) і результати оптимізації програмою Solver наведено в табл. 2.

Видно значну роль відносної довжини корпусів у мінімізації буксирувальної потужності.

Таблиця 3

Назва	Рах чол	vs, вуз	L0	Lw,	B0,	Bi,	T,	Hмид	вКлир	гКлир,	д	D, т	Nгд кВт
			м
KTM	214	33	41	38,2	11,4	2,90	1,75	4,1	1,9	8,02	0,42	168	4470
AU41	214	33	41	36,3	11,6	3,13	1,54	4,3	1,8	8,27	0,47	169	4640

Програма ARBS є фрагментом універсальної програми UAPPP оптимізації прибережних пасажирських поромів. Підсумкові дані роботи UAPPP окремо щодо катамаранів, який перевозить 214 пасажирів і 5 тонн багажу в пакетах (палетах), наведені порівняно з|порівняно із| прототипом (табл. 3).

У додатках подано декілька прикладів оптимізації поромів різних типів за допомогою програми UAPPP, фотографії випробувань моделі катамарана типу SH водотоннажністю 147 т у дослідному басейні НУК, акти впровадження результатів роботи.

Підсумки проведеного дослідження такі: в ході роботи над дисертацією розроблена і реалізована методика передпроектного аналізу й концептуального проектування прибережних пасажирських поромів різних типів. Створене математичне і програмне забезпечення концептуального проектування нових типів катамаранів з розвантажувальними крилами та особливо тонкими корпусами. Як глобальний критерій оптимізації використано адаптивний період окупності порома або показник його транспортної ефективності. Це дозволяє оцінити економічну ефективність порома в цілому. Окремими критеріями для відбору претендентів є мінімуми повної водотоннажності, потужності гребної установки, будівельної вартості поромів. Одержано висновок про доцільність використання для масових прибережних перевезень у В'єтнамі проектів середньошвидкісних сталевих монопоромів типу «Зірка» і катамаранів типу «Мадрас» № 13. Високошвидкісні гібридні пороми типу «SF-40» № 10 можуть принести прибуток тільки в особливих умовах (відсутність конкуруючих транспортних засобів) (див. рис. 9) при сполученнях з дальніми островами або на довгих дистанціях без проміжних зупинок. У даний час має сенс будівництво високошвидкісних катамаранів в одиничних екземплярах як екзотичних суден для морських прогулянок і розважальних атракціонів.

У забезпеченні високої економічної ефективності прибережних поромів вирішальне значення має сприятливе поєднання протяжності лінії і швидкості ходу, інтенсивності денного пасажиропотоку і пасажиромісткості. У зв'язку із цим перед проектуванням сітки прибережних поромів необхідний ретельний статистичний аналіз характеру пасажиропотоків у регіонах, після якого можливий вибір регіональних оптимальних типів поромів для масових перевезень. Рентабельність прибережного пасажирського флоту може бути забезпечена тільки|лише| за наявності в його складі поромів декількох типів і розмірів.

ВИСНОВКИ

1. Актуальність роботи зі створення математичної моделі й алгоритму оптимізації пасажирського прибережного порома визначена на основі вивчення вітчизняних і зарубіжних публікацій, документів державної програми «Розвиток океанської економіки і суднобудування В'єтнаму», потреби оновлення поромного флоту СРВ.

2. Розроблена оригінальна база необхідних даних статистичного проектування прибережних пасажирських поромів. Уперше|уперше| опублікований великий ряд|лава| залежностей, які дозволяють адекватно визначати основні елементи і характеристики поромів (габаритні розміри, головні елементи теоретичного креслення, повну масу, потрібну потужність енергетичної установки, будівельну вартість). Ці дані потім можуть уточнюватися в процесі оптимізації порома.

3. Уперше розроблена методика оптимального проектування пасажирських катамаранів з|із| розвантажувальними крилами і з особливо тонкими корпусами. Методика заснована на інтерактивному автоматизованому проектуванні судна в трирівневій математичній моделі. Вона орієнтована на розширення баз даних, тому придатна для концептуального проектування будь-якого типу|типа| прибережного порома.

4. Уперше створено алгоритм і комп'ютерна програма UAPPP| для інтерактивного вирішення оптимізаційного завдання|задачі| визначення головних елементів декількох гідродинамічних типів прибережних поромів на базі розробленої автором математичної моделі.

5. Запропоновано новий спосіб визначення водотоннажності та основних елементів порома версткою навантаження з подальшим обнулінням нев'язки рівнянь зв'язку при обліку ряду потрібних обмежень з використанням комп'ютерного інструменту «Підбір параметра».

6. Уперше на базі експериментальних даних Я.І. Войткунського, М.Н. Рейнова й аналітичних матеріалів проф|. Р. Латорре розроблена методика розрахунку буксирувальної потужності порому з особливо тонкими корпусами і з розвантажувальними крилами для початкової стадії проектування, що реалізовує оптимізацію форми бічних|бокових| корпусів катамарана по мінімуму | потужності.

7. Уперше в алгоритмі розрахунку економічної ефективності порома спільно враховані район експлуатації (редукуванням швидкості ходу щодо забезпеченості граничної висоти хвиль), платоспроможность пасажирського контингенту (гранично прийнятна вартість пасажиро-милі) і будівельна вартість, розрахована за функціональними модулями.

8. Проведено аналіз економічного ризику експлуатації різних видів поромів у прибережних водах СРВ з урахуванням|з врахуванням| платоспроможності пасажирів, а також указані переважні типи поромів для узбережжя СРВ.

9. Достовірність результатів дисертаційної роботи підтверджена задовільною збіжністю підсумків теоретичного розрахунку поромів з|із| вітчизняними і зарубіжними практичними даними.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Чан Ван Минь. Критерий транспортной эффективности пассажирских судов прибрежного плавания / Чан Ван Минь // Зб. наук. праць НУК. - Миколаїв: НУК, 2007. - № 1 (412). - С. 12-19.

2. Вашедченко A.H. Летящие над волнами / Вашедченко A.H., Бондаренко A.B., Чан Ван Минь // Судоходство. - 2006. - № 12 (126). - С. 34-35.

3. Вашедченко A.H. О точности оценки водоизмещения судна в начале проектирования / Вашедченко А.Н., Чан Ван Минь // Зб. наук. праць НУК. - Миколаїв: НУК, 2007. - № 4 (415). - С. 3-7.

4. Вашедченко A.H. Обеспечение минимального уровня инерционных перегрузок в проекте высокоскоростного пассажирского парома / Вашедченко A.H., Чан Ван Минь // Зб. наук. праць НУК. - Миколаїв: НУК, 2008. - № 2 (419). - С. 11-21.

5. Чан Ван Минь. Пути увеличения проектной скорости судов прибрежного плавания /Чань Ван Минь // Зб. наук. праць НУК. - Миколаїв: НУК, 2006. - № 6 (411). - С. 41-50.

6. Чан Ван Минь. Роль высокой скорости хода в обеспечении безопасного плавания пассажирских паромов дальнего следования / Чан Ван Минь // Зб. наук. праць НУК. - Миколаїв: НУК, 2008. - № 1 (418). - С. 30-38.

7. Вашедченко A.H. Скоростной катамаран для линии Ялта - Синоп / Вашедченко A.H., Бондаренко A.B., Чан Ван Минь // Судоходство. - 2007. - № 1-2 (127). - С. 50-52.

Особистий внесок претендента в наукових працях, які опубліковані в співавторстві: [2] - формулювання і розробка оптимізаційного завдання визначення головних елементів пасажирського порома; [3] - частина, яка пов'язана з оцінкою чутливості результатів концептуального проектування пасажирського порома; [4] - оцінка мореплавства пасажирських поромів і формулювання обмежень оптимізаційного завдання з мореплавства; [7] - вирішення питань, пов'язаних з роботою оптимізаційного алгоритму стосовно конкретних ліній експлуатації.

АНОТАЦІЯ

Чан Ван Мінь. Математична модель і алгоритм оптимізації головних елементів пасажирського порома. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.08.03 - Конструювання та будування суден. - Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, Миколаїв, 2009.

Мета дисертаційної роботи - вдосконалення методів вибору та обґрунтування типів і характеристик поромів на початковій стадії проектування для сітки перспективних суден пасажирського прибережного флоту на основі оптимізаційної моделі.

Для досягнення поставленої мети на додаток до наявних математичних моделей поромів створені відсутні моделі двох нових типів - з|із| дуже|дуже| тонкими корпусами і з розвантажувальними підводними крилами, сформульовані й реалізовані відповідні схеми їх функціонування і розроблені алгоритми визначення головних елементів.

В основу концептуального проектування покладено універсальний алгоритм пошуку оптимального сполучення основних елементів поромів, що забезпечує мінімум адаптивного періоду окупності з урахуванням факторів морального, фізичного та економічного старіння.

Розроблено математичну модель і комп'ютерну програму UAPPP інтерактивного рішення оптимізаційної задачі визначення головних елементів для декількох гідродинамічних типів поромів на початкових стадіях проектування.

Дані рекомендації до сітки перспективних поромів для В'єтнаму.

Ключові слова: пасажирський пором, високошвидкісне судно, питомі енергетичні витрати, статистична модель, оптимізаційний алгоритм, ефективність, інтенсивність пасажиропотоку, концептуальне проектування, оптимізаційна модель.

АННОТАЦИЯ

Чан Ван Минь. Математическая модель и алгоритм оптимизации главных элементов пассажирского парома. - Рукопись.

Диссертация на получение ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.08.03 - Конструирование и постройка судов. - Национальной университет кораблестроения имени адмирала Макарова, Николаев, 2009.

Актуальность темы обусловлена предстоящим обновлением устаревающего прибрежного пассажирского флота и необходимостью научного обоснования сетки перспективных типов судов. При громадной протяженности побережья в СРВ (3200 км) потребность в паромном пассажирском флоте составляет не менее 60 единиц. Подобные задачи стоят перед рядом морских держав, в частности, перед Украиной.

Цель диссертационной работы - совершенствование методов выбора и обоснования типов и характеристик паромов в начальной стадии проектирования для сетки перспективных судов пассажирского прибрежного флота на основе оптимизационной модели.

Для достижения поставленной цели в дополнение к имеемым математическим моделям паромов созданы отсутствующие модели двух новых типов - с очень тонкими корпусами и с разгружающими подводными крыльями, сформулированы и реализованы соответствующие схемы их функционирования и разработаны алгоритмы определения главных элементов.

В основу концептуального проектирования положен универсальный алгоритм поиска оптимального сочетания основных элементов паромов, обеспечивающий минимум адаптивного периода окупаемости с учетом факторов морального, физического и экономического старения. Алгоритм имеет трехуровневую структуру. На первом уровне на основе статистической модели парома определяются главные элементы допустимого (приемлемого) варианта проекта. На втором - оптимизация главных размерений по минимуму энергозатрат. Для этого используется видоизмененный и дополненный автором способ Войткунского-Рейнова для оценки сопротивления воды обтеканию удлиненных надводных тел. На третьем - оптимизация водоизмещения и размерений по экономическому критерию. Оптимизация выполнена частичным дискретно-непрерывным методом.

Разработана математическая модель и компьютерная программа UAPPP интерактивного решения оптимизационной задачи определения главных элементов для нескольких гидродинамических типов паромов на начальных стадиях проектирования.

Даны рекомендации к сетке перспективных паромов для Вьетнама.

Ключевые слова: пассажирский паром, высокоскоростное судно, удельные энергетические затраты, статистическая модель, оптимизационный алгоритм, эффективность, интенсивность пассажиропотока, концептуальное проектирование, оптимизационная модель.

SUMMARY

Tran Van Minh. Mathematical model and algorithm of optimization of basic elements of passenger ferry. - Manuscript.

Dissertation on the competition of scientic degree of the candidate of technical sciences on speciality 05.08.03 - Design and building of ship.- National University of Shipbuilding named after admiral Makarov, Nikolaev, 2009.

A purpose of dissertation work is perfection of choice methods and reasons of types choice and descriptions of ferries for the new net of fleet of the passenger off-shore ferries an optimization model in the initial stage of designing.

For achievement of the put purpose in addition present mathematical models of ferries the two new models are created- slender hulls and hybrid hulls, formulated and realized the proper charts of their functioning and the algorithms of of principal elements are developed.

The universal algorithm of search of optimum combination of principal ferries's elements, providing a minimum of adaptive period of taking into account the obsolescence, physical and economic depreciation factors are lied into basis of our conceptual design.

A mathematical model and computer program UAPPP is developed interactive decision of optimization task of of principal elements for a few hydrodynamic types of ferries on the initial stages of designing made.

Recommendations are done for a new net of a perspective ferries for Vietnam.

Keywords: passenger ferry, high-rate ship, energy's specific expenses, statistical ship's model, optimization algorithm, efficiency, intensity of passenger stream, conceptual design, model of optimization.

Размещено на Allbest.ru

...