Вплив конструктивних параметрів одноланкової підводної буксируваної системи з підйомним апаратом на її експлуатаційні характеристики

Размещено на http://allbest.ru

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ КОРАБЛЕБУДУВАННЯ ІМЕНІ АДМІРАЛА МАКАРОВА

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.08.03 - механіка та конструювання суден

ВПЛИВ КОНСТРУКТИВНИХ ПАРАМЕТРІВ ОДНОЛАНКОВОЇ ПІДВОДНОЇ БУКСИРУВАНОЇ СИСТЕМИ З ПІДЙОМНИМ АПАРАТОМ НА ЇЇ ЕКСПЛУАТАЦІЙНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ВИКОНАЛА БУРУНІНА ЖАННА ЮРІЇВНА

Миколаїв 2005



АНОТАЦІЯ

Буруніна Ж.Ю. Вплив конструктивних параметрів одноланкової підводної буксируваної системи з підйомним апаратом на її експлуатаційні характеристики. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.08.03 - механіка та конструювання суден. - Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, Миколаїв, 2005.

У дисертації розв'язана актуальна наукова задача удосконалення проектування одноланкової підводної буксируваної системи з підйомним апаратом шляхом встановлення взаємозв'язку між її конструктивними параметрами та експлуатаційними характеристиками.

Досліджено вплив діаметра, плавучості і коефіцієнтів гідродинамічного опору кабель-буксира та кута атаки, відносного подовження і гідродинамічних коефіцієнтів несучих поверхонь підйомного апарата на довжину, сили натягу і кути нахилу на корінному і ходовому кінцях кабель-буксира, просторові характеристики системи при квазістаціонарному буксируванні. Отримані залежності склали основу узагальненого алгоритму проектних розрахунків досліджуваних систем. Методи дослідження - аналітичні, чисельні, басейнові та морські випробування.

підводний буксируваний підйомний судно



1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Дисертація присвячена розв'язанню актуальної наукової задачі морської техніки - удосконаленню проектування одноланкової підводної буксируваної системи (ОПБС) з підйомним буксируваним апаратом (ПБА) шляхом встановлення взаємозв'язку між її конструктивними параметрами та експлуатаційними характеристиками. Такі системи застосовуються для дослідження та освоєння Світового океану і призначені для доставки корисного вантажу (за звичай, систем морської навігації і радіозв'язку) у приповерхневий шар моря або на його поверхню без спливання судна-буксирувальника. До складу ОПБС входять судно-буксирувальник (СБ) з постом керування та кабельною лебідкою, кабель-буксир (КБ) та підйомний буксируваний апарат - носій корисного вантажу.

Загальна теорія буксируваних систем та методи розрахунку їх елементів достатньо повно розроблені і висвітлені у вітчизняній та зарубіжній науково-технічній літературі. Фундаментальні наукові результати отримані у роботах Єгорова В.І., Іконнікова І.Б., Шамаріна Ю.Є., Гайського В.А., Габрюка В.І., Кувшинова Г.Е., Бугаєнка Б.А., Сліжевського М.Б., Магули В.Е., Блінцова В.С., Bourget P.L., Hale H.E., Jurca J.A. та ін. Роботи вказаних та інших авторів містять теоретичні дослідження гідромеханіки гнучких елементів (кабель-буксирів) та твердих тіл (буксируваних апаратів) у потоках води, що обумовило створення і широке застосування достовірних методів проектних розрахунків морської буксируваної техніки. Проте, теоретичні дослідження ОПБС з ПБА на сьогодні виконані не повністю, оскільки поза увагою дослідників залишились питання підйому ПБА на задану висоту ходу відносно судна-буксирувальника, особливості його приповерхневого руху та роботи корисного вантажу. Крім того, у науково-технічній літературі відсутні дослідження системного проектування ОПБС з ПБА як єдиного об'єкту морської техніки з урахуванням взаємних залежностей між конструктивними параметрами та експлуатаційними характеристиками її елементів. Існуючі на сьогодні методи проектування базуються на розрахунках окремих елементів буксируваної системи і являють собою ітераційні трудомісткі процеси.

Застосування ОПБС з ПБА у морській практиці значно підвищує продуктивність пошукових та дослідницьких робіт на шельфі, оскільки забезпечує двохсторонній зв'язок судна-буксирувальника з базою та вирішення задач його високоточної навігації у відкритому морі без витрат операційного часу на спливання судна-буксирувальника на поверхню. Роботи по створенню таких систем сьогодні ведуть провідні морські держави - Росія, США, Японія, КНР, КНДР та ін. Підприємства України також мають зарубіжні контракти на створення ОПБС з ПБА. Тому подальший розвиток теорії та методів проектування таких систем є актуальною прикладною науковою задачею, у тому числі і з метою отримання державою валютних коштів. Умови міжнародних тендерів на створення ОПБС з ПБА ґрунтуються на вимогах зменшення часу та вартості проектних робіт, їх високій достовірності. Успішна участь українських організацій у таких роботах можлива на основі використання високоефективних проектних методів, що ґрунтуються на теоретичних дослідженнях взаємного зв'язку між конструктивними параметрами ОПБС з ПБА та їх експлуатаційними характеристиками.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась як складова частина досліджень, що проводилися в Українському державному морському технічному університеті (з 2004 р. Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова) за держбюджетною науково-дослідною темою №1476 Ф «Розробка теоретичних основ створення технічних засобів освоєння природних ресурсів Чорного і Азовського морів», № державної реєстрації 0102U005199, в рамках якої дисертантом було виконано окремий розділ «Розробка програмних та апаратних засобів для дослідження одноланкових підводних буксируваних систем з підйомними буксируваними апаратами».

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є удосконалення проектування одноланкової підводної буксируваної системи з підйомним буксируваним апаратом шляхом встановлення взаємозв'язку між її конструктивними параметрами та експлуатаційними характеристиками при квазістаціонарному буксируванні.

Для досягнення поставленої мети у дисертації розв'язані наступні наукові задачі:

- визначено основні експлуатаційні режими ОПБС з ПБА та сформульовано проектні задачі механіки для них, що враховують вплив конструктивних параметрів на експлуатаційні характеристики системи;

- розроблено математичну модель квазістаціонарного руху ОПБС з ПБА та алгоритм її застосування для проведення масових комп'ютерних розрахунків та пошуку взаємозв'язку між конструктивними параметрами та експлуатаційними характеристиками буксируваних систем такого типу;

- виконано перевірку ефективності створеної математичної моделі ОПБС з ПБА та достовірності отриманих у дисертації теоретичних результатів шляхом випробувань повномасштабного макета ПБА у дослідовому басейні та проведенням морських дослідницьких випробувань ОПБС з повномасштабним макетом ПБА;

- методом математичного моделювання виконано дослідження взаємозв'язку між конструктивними параметрами кабель-буксира та елементів ПБА і експлуатаційними характеристиками буксируваної системи у квазістаціонарних режимах її роботи, отримано залежності між ними як теоретичне підґрунтя проектних розрахунків, що враховують умови використання ОПБС з ПБА та дають змогу автоматизувати процес проектування.

Об'єктом дослідження є процес силової взаємодії в потоці води елементів ОПБС з ПБА у режимі квазістаціонарного буксирування.

Предметом дослідження є вплив конструктивних параметрів елементів ОПБС з ПБА (коефіцієнтів гідродинамічного опору, діаметра і плавучості кабель-буксира та гідродинамічних коефіцієнтів, кута атаки і відносного подовження несучих поверхонь апарата) на її експлуатаційні характеристики (сили натягу і кути нахилу на корінному і ходовому кінцях кабель-буксира, довжину його попущеної частини, просторові координати) у квазістаціонарних режимах роботи.

Методи дослідження: математичне моделювання квазістаціонарного режиму буксирування із використанням нелінійних диференціальних рівнянь, чисельних методів розв'язання систем диференціальних рівнянь на ЕОМ, випробування у дослідовому басейні макета ПБА та натурні дослідження у морських умовах ОПБС з повномасштабним макетом ПБА.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у поширенні існуючих методів проектування буксируваних систем на ОПБС з ПБА і удосконаленні цих методів шляхом урахування характерних особливостей експлуатації ОПБС з ПБА та взаємозв'язку між її конструктивними параметрами та експлуатаційними характеристиками при квазістаціонарному буксируванні. При цьому вперше отримано аналітичні та графічні залежності експлуатаційних характеристик ОПБС з конкретним зразком ПБА:

- довжини попущеної частини кабель-буксира, швидкості буксирування, сили натягу і кута нахилу на корінному кінці кабель-буксира та зміщення ПБА відносно судна-буксирувальника як функцій конструктивних параметрів кабель-буксира - діаметра, плавучості, коефіцієнтів його гідродинамічного опору, як теоретичну основу для проектних розрахунків ОПБС з ПБА;

- довжини попущеної частини кабель-буксира, сили натягу та кута нахилу на корінному кінці кабель-буксира як функцій відносного подовження та кута атаки несучих поверхонь ПБА, які складають теоретичну основу для розрахунку несучих поверхонь на попередніх етапах проектування;

- довжини попущеної частини кабель-буксира, швидкості буксирування, сил натягу і кутів нахилу на корінному і ходовому кінцях кабель-буксира від гідродинамічних коефіцієнтів лобового опору та підйомної сили несучих поверхонь ПБА для всього діапазону їх гідродинамічної якості, що дає змогу виконувати багатоваріантні розрахунки проектних характеристик ОПБС з ПБА на початкових стадіях проектування, а також створювати системи автоматизованого проектування буксируваних систем такого типу.

Достовірність результатів дисертаційної роботи забезпечена коректним використанням математичних моделей гнучких і твердих елементів буксируваної системи у потоці води, застосуванням для розв'язання системи нелінійних диференціальних рівнянь програмного пакету MathCad 2000 Professional, дослідженням повномасштабного макета ПБА у дослідовому басейні, натурними випробуваннями ОПБС з таким макетом ПБА у морських умовах та задовільним збігом результатів математичного моделювання і експериментальних досліджень.

Наукове значення роботи. В результаті проведених наукових досліджень у дисертації встановлено та науково обґрунтовано взаємозв'язок між конструктивними параметрами елементів ОПБС з ПБА - діаметром і плавучістю кабель-буксира, його безрозмірними гідродинамічними коефіцієнтами; кутом атаки, відносним подовженням та безрозмірними гідродинамічними коефіцієнтами несучих поверхонь ПБА та експлуатаційними характеристиками системи - швидкістю буксирування, зміщенням ПБА відносно судна-буксирувальника, довжиною попущеної частини кабель-буксира, силами натягу та кутами нахилу на його корінному і ходовому кінцях при квазістаціонарному буксируванні. У сукупності отримані результати доповнюють наукові знання про методи проектування підводних буксируваних систем і утворюють наукове підґрунтя для удосконалення процесу проектування морських систем такого типу.

Практичне значення одержаних результатів. Теоретичні результати дисертаційних досліджень впроваджені при проектуванні ОПБС з ПБА «Арго-Буй» у ДП «ЦНДІ навігації і управління» Мінпромполітики України, а також при організації і проведенні морських натурних випробувань ОПБС з ПБА у НДЦ Збройних сил України «Державний океанаріум».

Отримані наукові результати використовуються в НУК імені адмірала Макарова МОН України при підготовці фахівців за спеціалізацією 8.092201.03 «Електрообладнання і автоматика підводно-технічних систем і комплексів».

Особистий внесок здобувача. Всі наукові результати отримані особисто автором. Особистий внесок підтверджують 5 самостійних наукових публікацій, у яких сформульовані проектні задачі механіки підводних буксируваних систем з підйомними апаратами, наведено аналітичні та графічні залежності експлуатаційних характеристик ОПБС з ПБА від конструктивних параметрів її елементів. У роботі [6] автором виконано теоретичний розрахунок коефіцієнта підйомної сили несучих поверхонь ПБА і порівняння його з експериментальними даними. У роботі [7] автором розроблено структуру програмно-технічного комплексу для морських дослідницьких випробувань ОПБС з ПБА та виконано порівняння експериментальних та теоретично розрахованих значень зусиль у ходовому кінці кабель-буксира. У [10] автором розроблено структуру моделюючого комплексу для дослідження автоматичної буксируваної системи та математичні моделі його елементів. У роботі [11] автором розроблено математичну модель для дослідження просторового положення підводної буксируваної системи з підйомним апаратом. У [12] автором сформульовано експлуатаційні характеристики буксируваної підводної системи з ПБА та розроблено схему її натурних випробувань.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі проведено огляд існуючих підводних буксируваних систем, галузей їх використання та методів проектування. Розглянуто режими роботи та особливості побудови ОПБС з ПБА. Показано, що особливістю застосування систем такого типу є багатоступеневість робочого циклу з головним технологічним ступенем - приповерхневим буксируванням ПБА у режимі стабілізації глибини занурення корисного вантажу.

До конструктивних параметрів ОПБС з ПБА віднесено:

- для КБ: діаметр d, лінійна вага у воді р_КБ, гідродинамічні коефіцієнти нормальної С_n, дотичної С_t та бокової сил С_b;

- для ПБА: масо-габаритні характеристики - вага P_ПБА, габаритні розміри l_ПБА b_ПБА h_ПБА, характеристики його несучих поверхонь (НП) - площа S_НП, розмах l_HП, кількість НП n, профіль і форма у плані, кут атаки _НП та відносне подовження ; гідродинамічні коефіцієнти лобового С_x, та бокового опору С_y і підйомної сили С_z ПБА, параметри зовнішнього корисного вантажу (ЗКВ).

До експлуатаційних характеристик ОПБС належать: довжина попущеної частини КБ L_КБ, швидкість буксирування v, глибина руху СБ H, глибина буксирування ПБА h, характеристики зовнішніх збурень; силові характеристики ОПБС - модуль вектору натягу Q та кути ₀, ₀, ₀ на корінному кінці КБ, модуль вектору натягу T та кути _A, _A, _A на ходовому кінці КБ; просторові характеристики: координати ПБА x, y, z відносно СБ та кути крену и, диференту ш, рискання ПБА ч.

Показано, що на сьогодні методи розрахунку конструктивних параметрів ОПБС з ПБА для забезпечення її заданих експлуатаційних характеристик у сучасній науково-технічній літературі розроблені неповно. Традиційним є підхід, коли основні елементи буксируваної системи розраховуються окремо, при цьому параметри одного з елементів є граничними умовами при розрахунках параметрів іншого елемента. Режими приповерхневого руху ПБА та режими роботи ОПБС з ПБА з встановленим ЗКВ не досліджуються.

Сформульовано основні проектні задачі механіки ОПБС з ПБА при квазістаціонарному буксируванні, що враховують вплив конструктивних параметрів на експлуатаційні характеристики системи.

У другому розділі розроблено програмні та апаратні засоби для дослідження ОПБС з ПБА, які включають математичну модель системи у квазістаціонарних режимах її роботи, басейнові дослідження повномасштабного макета ПБА у квазістаціонарних режимах роботи та при буксируванні під схвильованою водною поверхнею, натурні випробування реальної ОПБС з повномасштабним макетом ПБА.

Математична модель (ММ) ОПБС з ПБА містить моделі її елементів - твердих і гнучких тіл, що взаємодіють між собою у потоці води. При квазістаціонарному буксируванні СБ представляється матеріальною точкою, що рухається з незмінною швидкістю v на глибині H і є джерелом енергії (сили буксирування), тому у ММ системи СБ входить як вектор сили буксирування Q з кутами нахилу КБ на корінному кінці ₀, ₀, ₀.

Математична модель ПБА складається з ММ основних його елементів: голого корпуса (К), несучих поверхонь (НП), хвостового оперення (ХО) та ЗКВ. На ПБА діє сила ваги Р_ПБА, гідростатична сила підтримання W та сила натягу T ходового кінця КБ. До головних сил та моментів при усталеному русі ПБА належать лобовий опір R_x, боковий опір R_y, підйомна сила R_z та повна гідродинамічна сила R, а також момент крену M_x, тангажу (поздовжній момент) M_y, момент рискання M_z та повний гідродинамічний момент М:

R_х = R_хК + R_хНП + R_хЗКВ,

R_y = R_yК + R_yНП + R_yЗКВ,

R_z = R_zК + R_zНП + R_zХО,

M_x = M_xК + M_xХО + M_xЗКВ,

M_y = M_уК +М_G +М_W +M_уНП +M_yХО +M_yЗКВ,

M_z = M_zК + M_zНП + M_zХО + M_zЗКВ,



де М_G, М_W - моменти, які створюють сила ваги і гідростатична сила підтримання ПБА.

Моделювання КБ як абсолютно гнучкого елемента системи, що має масу, вагу у воді та гідродинамічний опір, виконувалось за рівняннями:

; ; q_b = 0, (1)

де s - довжина дуги КБ як гнучкої нитки; q_n, q_t, q_b - нормальна, дотична та бінормальна складові сили гідродинамічного опору одиничної довжини КБ; R = ds/dб - радіус кривини КБ.

Зовнішні навантаження q_n, q_t, q_b змінюють свої положення у просторі і значення вздовж КБ, тому при розв'язанні рівнянь (1) використані геометричні співвідношення:

dx/ds = cosб, dy/ds = cosв, dz/ds = cosг, cos²б + cos²в + cos²г = 1 (2)

При визначенні сил гідродинамічного опору КБ виходили з припущення, що його нормальна складова q_n залежить тільки від квадрата нормальної складової швидкості набігаючого потоку v_n, дотична сила q_t - тільки від квадрата дотичної складової швидкості v_t, бокова сила q_b - від добутку v_nv_t. Для КБ з діаметром d складові сил визначались з виразів:

q_n = 0,5C_nсv²dsin²б, q_t = 0,5C_tсv²dcos²б, q_b = 0,5C_bсv²dsinбcosб (3)

Якщо лінія КБ лежить в одній площині, тобто розглядається плоска задача, рівняння (1) з урахуванням (2) і (3) представляються у вигляді системи диференційних рівнянь:



(4)

Розроблено узагальнений алгоритм досліджень ОПБС з ПБА у квазістаціонарних режимах буксирування, на основі якого створено спеціалізований моделюючий комплекс (СМК) для багатоваріантних комп'ютерних розрахунків. З застосуванням комплексу виконано серію розрахунків стаціонарних режимів буксирування раніше дослідженої ОПБС з портативним гідролокатором бокового огляду «C-Max» (Англія), встановлено, що відносна похибка складає 1,4-13,6 %, чим доведено можливість застосування СМК для дисертаційних досліджень.

Для визначення гідродинамічних характеристик ПБА виконано басейнові випробування його повномасштабного макета. Визначено підйомну силу та силу опору, які утворюються на макеті ПБА при різних швидкостях буксирування і кутах атаки НП, оцінено вплив поверхневих хвиль. Виконано порівняння значень коефіцієнту підйомної сили С_z, отриманих за даними басейнових випробувань з розрахованими теоретично. Встановлено, що при швидкостях буксирування v = 0,41-2,21 м/с і кутах атаки НП _НП = 7-17є відносна похибка складає 0,2-17,6 %, що є задовільним. За даними басейнових випробувань визначено коефіцієнт лобового опору голого корпуса ПБА С_хК = 0,79…0,43 при v = 0,23-2,30 м/с, що пов'язано зі зміною характеру обтікання макета ПБА при Re = 3,91•10⁵…3,91•10⁶. Встановлено, що величина підйомної сили, яку створюють елементи корпуса макета ПБА (R_zК ? 10 Н) незначна у порівнянні з підйомною силою, яку створюють його НП (R_zНП = 500-900 Н).

Для кількісної перевірки достовірності результатів комп'ютерного моделювання розроблено методику проведення і виконано морські дослідницькі випробування ОПБС з повномасштабним макетом ПБА з залученням плавзасобів НДЦ ЗС України «Державний океанаріум» - населеного підводного апарата «РИФ» та судна забезпечення (СЗ) «Почаїв».

Визначено гідродинамічні коефіцієнти КБ у квазістаціонарному режимі буксирування. Порівняння експериментальних значень зусиль у ходовому кінці КБ з розрахованими за допомогою СМК при v = 0,65-2,0 м/с показує, що розбіжність не перевищує 14,6 %, що підтвердило доцільність використання СМК для досліджень ОПБС з ПБА.

Порівняння теоретичних розрахунків ОПБС з використанням СМК з результатами морських дослідницьких випробувань реальної ОПБС у складі: СБ, КБ, повномасштабний макет ПБА показало, що розбіжність складає 7,3-26,5 %, що є задовільним для експерименту такої складності.

У третьому розділі методом математичного моделювання досліджено вплив конструктивних параметрів КБ на експлуатаційні характеристики ОПБС з ПБА при квазістаціонарному буксируванні. Використано ММ усталеного руху КБ у воді, основу якої складають рівняння (1)-(3). При вивченні впливу плавучості КБ на експлуатаційні характеристики ОПБС ураховувалась сила ваги КБ. При дослідженні впливу діаметра та гідродинамічних коефіцієнтів КБ моделювався гнучкою ниткою, яка має нульову плавучість і гідродинамічний опір. Коефіцієнти С_n і С_t вважались сталими по довжині КБ. У перерізі КБ має форму круга. Обчислювальний експеримент проводився з використанням пакета прикладних програм «MathCad 2000 Professional», система диференційних рівнянь (4) розв'язувалась чисельним методом Рунге-Кутта з адаптивним кроком. Задані: висота ПБА над СБ і швидкості буксирування v = 0,5; 1,0; 1,5 і 2,0 м/c, типові для такого виду ОПБС. Гідродинамічні характеристики ПБА прийняті сталими. Повна гідродинамічна сила R, яка виникає на ПБА, визначила модуль сили натягу T і кут нахилу _A ходового кінця КБ.

Досліджено вплив на експлуатаційні характеристики ОПБС діаметра КБ в типовому діапазоні d = 4…16 мм та вплив коефіцієнта нормального опору КБ в діапазоні С_n = 0,2…2,0.

Показано, що при v = const зміна діаметра КБ або коефіцієнта С_n практично не впливає на модуль сили натягу Q на корінному кінці КБ (в обох випадках зростає на 0,9-1,0 %). Встановлено, що величина діаметра d і коефіцієнт С_n суттєво впливають на висоту ходу z ПБА над СБ. Для забезпечення умови z = const необхідно збільшувати довжину L_КБ попущеної частини КБ, що, в свою чергу, викликає збільшення зміщення x ПБА відносно СБ та зменшення кута ₀ на корінному кінці КБ.

Отримано аналітичні залежності довжини L_КБ і кута нахилу ₀ від діаметра d і коефіцієнта С_n, похибка для яких не перевищує 3,8 %:

L_КБ = 5,97210⁵d² - 1361d + 111, м; ₀ = 79,72exp(-127,29d), град;

L_КБ = 90,7C_n² - 35,1C_n + 112,4; м; ₀ = 77,67exp(-1,405С_n), град.

Вивчено вплив на експлуатаційні характеристики ОПБС з ПБА гідродинамічного коефіцієнта дотичного опору КБ у діапазоні С_t = 0,001…0,100. Встановлено, що суттєве збільшення С_t приводить до незначного росту модуля сили натягу Q на корінному кінці КБ (19 %). При цьому задана висота z буксирування ПБА відносно СБ забезпечується завдяки зменшенню довжини L_КБ попущеної частини КБ (3,6 %), що викликає зменшення зміщення x ПБА відносно СБ (4,9 %) та збільшення кута ₀ нахилу КБ на корінному кінці (10,2 %).

При незмінних гідродинамічних характеристиках ПБА у процесі буксирування зміна швидкості v не впливає на значення довжини попущеної частини КБ нульової плавучості L_КБ та кута нахилу його корінного кінця ₀, тобто просторова форма ОПБС зберігається, а сила натягу у КБ зростає пропорційно квадрату швидкості набігаючого потоку.

Досліджено вплив плавучості КБ W_КБ = -60…60 % на довжину його попущеної частини L_КБ, зміщення x ПБА відносно СБ, модуль сили натягу Q та кут нахилу ₀ на корінному кінці КБ. Встановлено, що при зміні величини плавучості КБ швидкість буксирування значно впливає на характеристики системи.

При v = 0,5 м/с і W_КБ = -60...-10 % та при v = 1,0 м/с і W_КБ = -60…-40 % неможливо забезпечити задану висоту буксирування ПБА над СБ (z = 100 м). При зростанні v довжина L_КБ зростає при додатній плавучості і зменшується при від'ємній плавучості КБ. Збільшення плавучості КБ W_КБ обумовлює зменшення довжини його попущеної частини L_КБ. При W_КБ = 0 довжина L_КБ і кут ₀ майже не змінюються при різних швидкостях.

У четвертому розділі досліджено вплив параметрів елементів ПБА на характеристики ОПБС при квазістаціонарному буксируванні. Встановлено суттєвий вплив кута атаки _НП та відносного подовження НП ПБА на характеристики системи. Так, при зростанні кута атаки _НП від 12° до 22° значення сили Q збільшуються на 56 %, 59 % і 57 %; кута ₀ - на 479 %, 256 % і 210 %, а величина L_КБ зменшується на 72 %, 56 % і 50 %, відповідно при = 2, 4 і 6. Модуль сили натягу Q і кут нахилу ₀ на корінному кінці КБ при відносному подовженні НП = 6 перевищують їх значення при = 4 відповідно на 7,8-6,4 % і 27,3-16,6 %, а при = 2 - відповідно на 23,8-24,4 % і 75,0-53,3 %, при кутах атаки _НП = 12-22є. Довжина попущеної частини КБ значно збільшується при зменшенні .

Отримано аналітичні залежності довжини L_КБ, кута нахилу ₀ і сили натягу Q на корінному кінці КБ від кута атаки НП _НП у вигляді:

L_КБ = А₁•_НП^-2 + В₁•_НП^-1 + С₁, м; похибка складає 4,1-8,7 %; (5)

₀ = А₂•_НП² + В₂•_НП¹ + С₁, град; похибка складає 9,0-16,5 %; (6)

Q = k•_НП + b, кН; похибка складає 2,3-2,6 %. (7)

Коефіцієнти А₁, В₁, С₁, А₂, В₂, С₂, k і b у виразах (5)-(7) залежать від відносного подовження , їх значення приведено у табл.1.



Таблиця 1. Значення коефіцієнтів у залежностях (5)-(7) при різних подовженнях

	А1	В1	С1	А2	В2	С2	k	b
2	3,17•105	-1,87•104	500	0,011	0,127	-1,852	0,046	0,253
4	1,47•105	-1,07•104	392	0,002	0,679	-4,783	0,055	0,328
6	9,63•104	-7,46•104	335	-0,017	1,320	-8,170	0,063	0,314

Залежності (5)-(7) дають змогу, не виконуючи складних обчислень, розрахувати ряд варіантів, необхідних для правильного вибору робочого кута атаки НП ПБА на початкових стадіях проектування ОПБС.

Досліджено вплив на експлуатаційні характеристики ОПБС з ПБА гідродинамічних коефіцієнтів підйомної сили і лобового опору НП ПБА для всього діапазону їх припустимих значень: С_z = 0,2…2,0 і C_x = 0,01…0,40. Для цього побудовано умовну сітку, вузлам якої відповідають визначені С_x і С_z. Відповідно до сітки гідродинамічних коефіцієнтів отримано залежності величини

T/(0,5сЩ) =

де Щ - площа змоченої поверхні ПБА і кута нахилу ходового кінця КБ

_А = arctg(С_z/C_x)

Для кожної вузлової точки сітки розраховано значення величини Q/(0,5сЩ), кута нахилу корінного кінця КБ ₀ та довжини його попущеної частини L_КБ, результати представлено у графічному, табличному та аналітичному вигляді. Розглядалась плоска задача за таких умов: квазістаціонарний режим буксирування ОПБС зі швидкостями v = 1,0; 1,5; 2,0 та 2,5 м/с і висотою буксирування ПБА над СБ z = 100 м. В результаті чисельного інтегрування методом Рунге-Кутта системи диференційних рівнянь (4) визначені силові і просторові характеристики системи. Проведено додаткові дослідження найбільш характерних режимів, що дало змогу визначити експлуатаційні характеристики ОПБС для будь-якої можливої комбінації гідродинамічних коефіцієнтів НП ПБА та її поляри (або поляри самого ПБА) з тих, які застосовують на буксируваних апаратах.

Встановлено, що при зростанні гідродинамічних коефіцієнтів С_z і C_x для забезпечення заданої висоти ходу ПБА над СБ величина Q/(0,5сЩ) теж повинна зростати. При С_z = 0,2 і 0,4 зростання C_x у 40 раз обумовлює зростання величини Q/(0,5сЩ) у 2,14 та 1,42 раз, при С_z = 0,6 величина Q/(0,5сЩ) зростає у 1,2 раз, а при С_z = 2,0 - тільки у 1,02 раз. Загальні результати вивчення впливу коефіцієнтів С_x, С_z на кут ₀. Залежність має складний характер, при збільшенні С_z кут ₀ значно зростає. При С_z = 1,0...2,0 залежність ₀ = f(С_x) лінійна.

При зменшенні С_z залежність стає нелінійною, але опис її лінійним законом дає незначну похибку. При С_z = 0,8 опис залежністю ₀ = -20,36С_x + 27,33 град дає похибку до 2,3 %, а при С_z = 0,6 опис залежністю ₀ = -28,028С_x + 38,88 град - до 4,8 %. Взагалі, при С_z = 0,6...2,0 кут ₀ при зростанні С_x зменшується. Але при зменшенні С_z до 0,4 і далі, характер залежності ₀ = f(С_x) змінюється, виявлено її суттєву нелінійність: при зростанні С_x кут ₀ спочатку зменшується, потім зростає.

Дослідження впливу гідродинамічних коефіцієнтів НП на кут нахилу ₀ і довжину L_КБ підтвердило встановлену у третьому розділі особливість - властивість КБ нульової плавучості зберігати свою просторову форму, тобто довжину попущеної частини та кути нахилу, при зміні швидкості буксирування, якщо інші характеристики системи не змінюються.

Вивчено вплив гідродинамічних коефіцієнтів НП ПБА С_x, С_z на довжину L_КБ попущеної частини КБ. Встановлено, що при зростанні С_z довжина L_КБ зменшується за законом:



L_КБ = 27,16+ 105,14 м,

відносна похибка не перевищує 8,8 % щодо максимальних значень L_КБ при різних С_x у сторону завищення довжини КБ, тобто для гіршого випадку.

Вплив коефіцієнта лобового опору НП ПБА С_x на довжину L_КБ має складний характер. При С_z = 0,8...2,0 залежність L_КБ = f(С_x) лінійна, при С_z = 0,4...0,6 довжина L_КБ зростає і залежність втрачає лінійний характер, але при С_z = 0,4 опис лінійним законом дає похибку до 3 %, а при С_z = 0,3 опис залежністю - до 6 %. При С_z = 0,2 залежність L_КБ = f(С_x) набуває складного нелінійного характеру і, щоб детальніше її дослідити, у інтервалі С_z = 0,2...0,4 проведено додаткові дослідження при С_z = 0,21; 0,225; 0,25 i 0,30. Встановлено, що при С_z = 0,20…0,25 довжина попущеної частини КБ значно зростає, а залежність L_КБ = f(С_x) при цьому має особливість - вона суттєво нелінійна і при зростанні С_x довжина КБ спочатку зростає, а потім зменшується.

Отримано спрощений опис залежності довжини L_КБ попущеної частини КБ від гідродинамічних коефіцієнтів С_x і С_z лінійними функціями виду

L_КБ = aС_x + b,

з похибкою не більше 23 % у сторону завищення довжини КБ (тобто для гіршого випадку), де вирази для коефіцієнтів a і b такі:

a = 9276 С_z - 2432; 0,2 ? С_z ? 0,3; похибка не перевищує 18,9 %;

a = 102,3/С_z - 38,5; 0,3 ? С_z ? 2,0; похибка не перевищує 11,7 %;

b = 5,8/С_z³+ 96,7; похибка не перевищує 7,8 %.

Наведені залежності дають змогу визначати довжину попущеної частини КБ та вплив, який мають на неї гідродинамічні коефіцієнти НП (або самого ПБА) на попередніх етапах проектування ОПБС з ПБА.

Оцінка гідродинамічних сил, що виникають на корпусі ПБА показала, що квазістаціонарний рух ПБА з ненульовим кутом диференту породжує появу додаткових гідродинамічних сил на голому корпусі ПБА, які впливають на загальну систему сил і, як наслідок, на експлуатаційні характеристики ОПБС. При диференті ПБА на корму ц = 10 і швидкості v = 2,0 м/с сила лобового опору корпусу ПБА R_хК збільшується на 8,6 %, а підйомна сила корпуса R_zК дає приріст до підйомної сили НП R_zНП до 18 %. Диферент корпуса ПБА на корму = 5 і 10° викликає збільшення модуля сили Q на 2,2 і 4,3 %, кута ₀ на 4,8 і 8,2 % та зменшення зміщення x на 4,0 і 6,2 %, довжини L_КБ на 3,0 і 4,5 %, відповідно. Встановлено, що при диференті ПБА на корму до 5°, зміна експлуатаційних характеристик системи не перевищує 5 %, тобто такі диференти можна вважати малими, а додатковими гідродинамічними силами, що виникають при цьому на корпусі ПБА, можна нехтувати.

У п'ятому розділі виконано дослідження, які враховують особливості проектних розрахунків ОПБС з ПБА - багатоступеневість робочого циклу ОПБС, який виконується неодноразово за один рейс СБ, наявність зовнішнього корисного вантажу ПБА, який змінює свою просторову форму у процесі застосування, необхідність стабілізації глибини занурення ПБА у режимі приповерхневого буксирування.

Досліджено експлуатаційні характеристики ОПБС в режимах підйому-спуску ПБА. Встановлено, що зростання висоти буксирування ПБА над СБ z від 1 до 100 м практично не впливає на модуль сили натягу Q на корінному кінці КБ, який зростає на 0,7 %.

При цьому зміщення x ПБА відносно СБ збільшується у 582 рази, а кут ₀ нахилу корінного кінця зменшується у 5 раз. Довжина L_КБ попущеної частини КБ зростає тим більше, чим більше значення z: при z = 50 м маємо L_КБ = 66 м, а при z = 100 м - L_КБ = 201 м.

Отримано аналітичні залежності, які дозволяють не виконуючи складних розрахунків з'ясувати вплив висоти z буксирування ПБА над СБ на експлуатаційні характеристики ОПБС в режимах підйому-спуску ПБА:

₀ = 75,267exp(-0,016z), град;

Q = 1,637•10^-6z² - 4,561•10^-5z + 1,834, кН;

х = 0,013z² + 0,224z + 0,082, м;

L_КБ = 0,011z² + 0,835z + 0,201, м;

похибка не перевищує 8,1 %;

Отримано залежності додаткового лобового опору R_xЗКВ, диферентуючого моменту M_ЗКВ і кута диференту ПБА ц від заглиблення h встановленого у вертикальний стан ЗКВ:

,

,

,

де С_xЗКВ - коефіцієнт лобового опору ЗКВ; d_ЗКВ - діаметр ЗКВ; D - водотоннажність ПБА; h_m - метацентрична висота ПБА.

Розроблено методику розрахунку зміни довжини попущеної частини КБ і методику розрахунку компенсуючого моменту ХО для стабілізації приповерхневого руху ПБА, що дає змогу проектувати системи стабілізації руху ПБА по глибині занурення та проводити у подальшому конструкторські розрахунки параметрів ХО. Розглянуто критерії оцінки стійкості квазістаціонарного руху ОПБС з ПБА, яка забезпечується стабілізаторами ХО, симетрією обводів корпусу ПБА, його переднім центруванням.

Як узагальнений результат дисертаційних досліджень удосконалено метод проектування ОПБС з ПБА, реалізований у вигляді узагальненого алгоритму проектних розрахунків таких систем, в якому використано усі отримані у дисертації залежності між конструктивними параметрами і експлуатаційними характеристиками ОПБС з ПБА.

Теоретичні результати дисертаційних досліджень впроваджені при проектуванні ОПБС з ПБА «Арго-Буй» у ДП «ЦНДІ навігації і управління» Мінпромполітики України, а також при організації і проведенні морських натурних випробувань ОПБС з ПБА у НДЦ Збройних сил України «Державний океанаріум».



ВИСНОВКИ

1. У дисертаційній роботі розв'язана актуальна наукова задача удосконалення проектування одноланкової підводної буксируваної системи з підйомним апаратом шляхом встановлення впливу конструктивних параметрів системи на її експлуатаційні характеристики при квазістаціонарному буксируванні. Актуальність поставленої наукової задачі визначається відсутністю досліджень системного проектування ОПБС з ПБА як єдиного об'єкту морської техніки з урахуванням взаємних залежностей між конструктивними параметрами та експлуатаційними характеристиками її елементів, питань підйому ПБА на задану висоту ходу відносно судна-буксирувальника та роботи зовнішнього корисного вантажу.

2. Сформульовано основні проектні задачі механіки ОПБС з ПБА при квазістаціонарному буксируванні, до яких віднесено: визначення параметрів ОПБС, які забезпечують вихід ПБА у приповерхневий квазістаціонарний режим буксирування; визначення характеристик стаціонарного стану системи (положення у просторі, зусиль у кабель-буксирі) при буксируванні у заданому діапазоні швидкостей; дослідження впливу зовнішнього корисного вантажу на просторову орієнтацію ПБА та розробка методики його компенсації.

3. На основі створеної математичної моделі ОПБС з ПБА розроблено спеціалізований моделюючий комплекс для комп'ютерного дослідження системи у квазістаціонарних режимах буксирування. Проведено басейнові дослідження повномасштабного макета ПБА та морські дослідницькі випробування ОПБС з повномасштабним макетом ПБА, які підтвердили адекватність створеної математичної моделі і відповідність спеціалізованого моделюючого комплексу поставленим задачам дослідження. Відносна похибка порівнянь результатів теоретичних розрахунків і басейнових випробувань складає 0,2-17,6 %. Порівняння результатів морських дослідницьких випробувань з результатами розрахунків за допомогою спеціалізованого моделюючого комплексу показало, що розбіжність складає 7,3-26,5 %.

4. В результаті виконаних досліджень поширено існуючі методи проектування буксируваних систем, що базуються на розрахунках їх окремих елементів, на ОПБС з ПБА й удосконалено ці методи шляхом встановлення взаємозв'язку між конструктивними параметрами та експлуатаційними характеристиками ОПБС при квазістаціонарному буксируванні, а саме:

- вперше отримано графічні та аналітичні залежності експлуатаційних характеристик ОПБС з ПБА - довжини попущеної частини кабель-буксира, швидкості буксирування, сили натягу і кута нахилу на корінному кінці кабель-буксира та зміщення ПБА відносно судна-буксирувальника від конструктивних параметрів кабель-буксира - діаметра, плавучості і гідродинамічних коефіцієнтів при квазістаціонарному буксируванні. Відносна похибка для цих залежностей не перевищує 3,8 %. Одержані залежності утворюють теоретичну основу для проектних розрахунків ОПБС з ПБА та дають змогу автоматизувати процес проектування і являють собою новий науковий результат;

- вперше отримано аналітичні і графічні залежності експлуатаційних характеристик ОПБС з ПБА - довжини попущеної частини кабель-буксира, сили натягу і кута нахилу на корінному кінці кабель-буксира від відносного подовження і кута атаки несучої поверхні ПБА при квазістаціонарному буксируванні. Відносна похибка для одержаних аналітичних залежностей складає 2,3-16,5 %. Отримані залежності складають теоретичну основу для розрахунку несучої поверхні на попередніх етапах проектування ОПБС і представляють собою новий науковий результат;

- вперше отримано аналітичні і графічні залежності експлуатаційних характеристик ОПБС - довжини попущеної частини кабель-буксира, швидкості буксирування, сил натягу і кутів нахилу на корінному і ходовому кінцях кабель-буксира від гідродинамічних коефіцієнтів лобового опору та підйомної сили несучих поверхонь для всього діапазону їх гідродинамічної якості. Для одержаних залежностей відносна похибка лежить у діапазоні 2,3-23,0 %. Отримані залежності дають змогу виконувати багатоваріантні розрахунки проектних характеристик ОПБС з ПБА на початкових стадіях проектування та створювати системи автоматизованого проектування систем такого типу і представляють собою новий науковий результат.

5. Встановлено, що при квазістаціонарному русі ПБА з диферентом на корму до 5° зміна експлуатаційних характеристик ОПБС з ПБА не перевищує 5 %, тобто додатковими гідродинамічними силами, що виникають при цьому на корпусі ПБА, можна нехтувати.

6. Для режимів підйому і спуску ПБА отримано графічні та аналітичні залежності експлуатаційних характеристик ОПБС - довжини попущеної частини кабель-буксира, сили натягу і кута нахилу на корінному кінці кабель-буксира та зміщення ПБА відносно судна-буксирувальника від висоти буксирування ПБА над судном-буксирувальником, що дає змогу науково обґрунтовано визначати сили та просторові характеристики системи при підйомі ПБА у положення приповерхневого буксирування та його спуску до судна-буксирувальника.

7. Отримано аналітичні залежності впливу заглиблення зовнішнього корисного вантажу на кут диференту ПБА при квазістаціонарному буксируванні. Встановлено, що сучасні типи зовнішнього корисного вантажу (вертикальні щогли або антени) суттєво впливають на гідродинамічні характеристики ПБА. Отримані результати можуть бути основою для вдосконалення гідродинамічних характеристик зовнішнього корисного вантажу, що планується до установки на конкретному ПБА.

8. Розроблено методику зміни довжини попущеної частини кабель-буксира для стабілізації глибини руху ПБА, що дає змогу проектувати системи стабілізації глибини приповерхневого руху ПБА, та методику розрахунку компенсуючого моменту хвостового оперення для стабілізації приповерхневого руху ПБА, що дає змогу проводити конструкторські розрахунки параметрів хвостового оперення.

9. Розроблено узагальнений алгоритм проектних розрахунків ОПБС з ПБА, який використовує отримані у дисертації залежності між конструктивними параметрами та експлуатаційними характеристиками системи при квазістаціонарному буксируванні і рекомендується до застосування при проектуванні буксируваних систем такого типу.

10. Отримано наукові та практичні результати, які доповнюють наукові знання про методи проектування підводних буксируваних систем, удосконалюють процес проектування морських систем такого типу і сприяють підвищенню їх конкурентоспроможності. Теоретичні результати дисертаційних досліджень впроваджені при проектуванні ОПБС з ПБА «Арго-Буй» у ДП «ЦНДІ навігації і управління» Мінпромполітики України, а також при організації і проведенні морських натурних випробувань ОПБС з ПБА у НДЦ Збройних сил України «Державний океанаріум». Отримані наукові результати використовуються в НУК імені адмірала Макарова МОН України при підготовці студентів.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Буруніна Ж.Ю. Проектні задачі механіки підводних буксируваних систем з підйомними апаратами // Зб. наук. праць УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ. - 2003. - № 2 (388). - С.10-19.

2. Буруніна Ж.Ю. Вплив параметрів кабель-буксира на характеристики буксируваної системи з підйомним підводним апаратом // Зб. наук. праць УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ. - 2003. - № 4 (390). - C.16-24.

3. Буруніна Ж.Ю. Вплив кута атаки несучої поверхні підйомного підводного апарата на характеристики буксируваної системи// Вісник Одеського національного морського університету. - Одеса: ОНМУ. - 2003. - №12. - С. 46-51.

4. Буруніна Ж.Ю. Вплив параметрів несучої поверхні підйомного підводного апарата на характеристики одноланкової підводної буксируваної системи // Зб. наук. праць НУК. - Миколаїв: НУК. - 2004. - № 5 (398). - C.42-50.

5. Буруніна Ж.Ю. Вплив плавучості кабель-буксира на характеристики одноланкової підводної буксируваної системи з підйомним підводним апаратом // Зб. наук. праць НУК. - Миколаїв: НУК. - 2005. - № 1(400). - C.14-18.

6. Авраменко П.Г., Буруніна Ж.Ю., Соколовський Г.П. Дослідження характеристик підйомного підводного апарата у дослідовому басейні // Зб. наук. праць НУК. - Миколаїв: НУК. - 2005. - № 2. - C. 32-39.

7. Блінцов В.С, Буруніна Ж.Ю., Нгуен Тьєн Лонг. Програмно-технічний комплекс для морських дослідницьких випробувань одноланкових підводних буксируваних систем // Зб. наук. праць НУК. - Миколаїв: НУК. - 2005. - № 3. - C. 30-38.

8. Буруніна Ж.Ю. Особливості проектування автономного самохідного підводного апарата для моніторингу водного середовища // Матеріали 3-ї міжнар. науково-техн. конф. «Проблеми енергозбереження і екології в суднобудуванні». Миколаїв: УДМТУ. - 2002. - С. 204.

9. Буруніна Ж.Ю. Гідродинаміка приповерхневого буксирування твердого тіла // Матеріали міжнар. конф. «КОРАБЛЕБУДУВАННЯ: освіта, наука, виробництво». - Том 1. - Миколаїв: УДМТУ. - 2002. - С. 213-215.

10. Буруніна Ж.Ю., Нгуен Тьєн Лонг. Моделюючий комплекс для дослідження автоматичної буксируваної системи // Матеріали 1-ї міжнар. науково-техн. конф. студентів, аспірантів і молодих наукових робітників «Інформаційно-керуючі системи і комплекси» (ІКСК-2004). - Миколаїв: НУК. - 2004. - C. 219-224.

11. Бурунина Ж.Ю., Нгуен Тьєн Лонг. Математическая модель для исследования пространственного положения подводной буксируемой системы с подъемным аппаратом // Матеріали міжнар. науково-техн. конф. студентів, аспірантів і молодих наукових робітників «Електротехніка і електромеханіка» (ЕТЕМ-2004). - Миколаїв: НУК. - 2004. - С. 30-32.

12. Блінцов О.В., Буруніна Ж.Ю., Кузьменко О.В., Нгуен Тьєн Лонг. Інформаційно-вимірювальний комплекс для морських випробувань підводних апаратів // Матеріали міжнар. науково-техн. конф. студентів, аспірантів і молодих наукових робітників «Електротехніка і електромеханіка» (ЕТЕМ-2004). - Миколаїв: НУК. - 2004. - С. 120-121.

13. Блінцов В.С., Буруніна Ж.Ю., Нгуен Тьєн Лонг. Особливості проектних розрахунків одноланкової підводної буксируваної системи з підйомним буксируваним апаратом // Матеріали Всеукраїнської науково-техн. конф. з міжнар. участю «Проблеми автоматики та електрообладнання транспортних засобів». - Миколаїв: НУК. - 2005. - С. 23-31.

Размещено на Allbest.ru

...