Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ КОРАБЛЕБУДУВАННЯ

імені адмірала Макарова

УДК 629.5.01: 629.5.022.25

РОЗРОБКА МЕТОДИКИ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТУВАННЯ СУДЕН З МАЛОЮ ПЛОЩЕЮ ВАТЕРЛІНІЇ

Спеціальність 05.08.03 - Конструювання та будування суден

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Бойко Анжела Петрівна

Миколаїв - 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національному університеті кораблебудування (НУК) імені адмірала Макарова Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Бондаренко Олександр Валентинович, Національний університет кораблебуду-вання імені адмірала Макарова, доцент кафедри теорії та проектування суден

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Коробанов Юрій Миколайович, Національний університет кораблебуду-вання імені адмірала Макарова, завідувач кафедри конструкції корпусу корабля

кандидат технічних наук, доцент Давидов Ігор Пилипович, проектно-конструкторська та інженерна фірма "Морське інженерне бюро", провідний науковий співробітник, м. Одеса

Захист відбудеться 19 квітня 2010 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 38.060.02 Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова за адресою: 54025, м. Миколаїв, проспект Героїв Сталінграда, 9, ауд. 360.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова за адресою: м. Миколаїв, проспект Героїв Сталінграда, 9.

Автореферат розісланий 11 березня 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор В.В. Зайцев



АНОТАЦІЯ

Бойко А.П. Розробка методики оптимального проектування суден з малою площею ватерлінії. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.08.03. - "Конструювання та будування суден". Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, Миколаїв, 2010 р. гідрометеорологічний судно ватерлінія

Дисертацію присвячено теоретичному обґрунтуванню та практичній розробці методів оптимального проектування суден з малою площею ватерлінії (СМПВ). Створено базу даних по СМПВ 1968-2009 років побудови, за результатами аналізу якої отримано статистичні залежності для головних розмірів та їх співвідношень. Розроблено модель функціонування пасажирського судна, яка дає можливість адекватно моделювати різні схеми регулярних перевезень та враховує гідрометеорологічні умови експлуатації. Удосконалено та набули подальшого розвитку алгоритми визначення головних розмірів, ходовості, остійності та морехідності СМПВ. Отримано формули для розрахунку складових навантаження мас судна. Економічну ефективність суден різних типів при порівняльному аналізі запропоновано оцінювати за допомогою комплексного показника, який крім прибутковості, враховує такі чинники як комфортність, безпеку, зручність та тривалість рейсу. Розроблено нову модель інженерних якостей судна, алгоритм і програму розв'язання задачі оптимізації основних характеристик СМПВ. При вирішенні оптимізаційної задачі використано генетичний алгоритм.

Ключові слова: СМПВ, генетичний алгоритм, модель функціонування, регулярні пасажирські перевезення, математична модель, ефективність, комфортність.



АННОТАЦИЯ

Бойко А.П. Разработка методики оптимального проектирования судов с малой площадью ватерлинии. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.08.03. - "Конструирование и постройка судов". Национальный университет кораблестроения имени адмирала Макарова, Николаев, 2010 г.

Целью исследований является создание методов оптимального проектирования судов с малой площадью ватерлинии (СМПВ).

В диссертации выполнена классификация и проанализированы особенности архитектурно-конструктивных типов судов с малой площадью ватерлинии, отмечены их преимущества и недостатки. Создана база данных по СМПВ 1968-2009 годов постройки, по результатам статистической обработки которой получены регрессионные зависимости для определения главных размерений судов. Рассмотрены особенности проектирования пассажирских судов с малой площадью ватерлинии и сформулирована оптимизационная задача. Указано, что общая постановка задачи характеризуется многоразмерностью вектора независимых переменных, наличием системы ограничений, случайным и неопределенным воздействием внешней среды. Проведен обзор возможных методов решения, обоснована целесообразность и эффективность использования метода Монте-Карло в сочетании с генетическим алгоритмом. Рассмотрены теоретические основы генетического алгоритма и его особенности применения в проектировании судов.

Усовершенствованы и получили дальнейшее развитие алгоритмы расчета главных размерений, ходкости, остойчивости и мореходности СМПВ. Получены зависимости для расчета составляющих нагрузки масс судов, корпуса и надстройки которых изготовлены из стали, алюминия и стеклопластика. Экономическую эффективность судна предложено определять с учетом вероятности выполнения задачи за весь жизненный цикл.

Адекватность математической модели и точность вычислений подтверждена совпадением расчетных данных с характеристиками построенных судов. В частности погрешность расчетов сопротивления и мощности энергетической установки определена путем сравнения результатов теоретического расчета с результатами испытаний моделей СМПВ в опытовом бассейне Национального университета кораблестроения.

Разработана модель функционирования пассажирского СМПВ с различными схемами движения, учитывающая гидрометеорологические особенности предполагаемого района эксплуатации и риски, возникающие в процессе эксплуатации.

Предложена методика сопоставительного анализа пассажирских судов различных типов с учетом показателей удобства, безопасности, обитаемости, укачивания и усталости. Проведена оптимизация проектных характеристик и показана целесообразность использования пассажирских СМПВ в Черноморском регионе.

Создан комплекс прикладных программ, реализующий разработанные методы оптимального проектирования СМПВ.

Ключевые слова: СМПВ, генетический алгоритм, модель функционирования, регулярные пассажирские перевозки, математическая модель, эффективность, комфортность.



THE SUMMARY

Boyko A.P. The Development of Method of Optimal Design of Small Waterplаne Area Twin Hull Ships. Manuscript.

The Dissertation for the scientific degree of the Candidate of Technical Sciences on specialty 05.08.03. - "Design and building of ships". - National University of Shipbuilding named after admiral Makarov, Nikolaev, 2010.

The Dissertation is devoted to the theoretical ground and practical development of the method of optimal design of Small Waterplаne Area Twin Hull Ships (SWATH). A database of the SWATH ships constructed in 1968-2009 has been created. As a result of analysis of the database the statistical dependences for the main dimensions and their correlations have been obtained. The operation model of passenger ship, which enables to simulation the potential shape of a service deploying of scheduled transportations adequately and also takes into account weather conditions of exploitation was developed. The algorithms of determination of the main dimensions, propulsion, stability and seaworthiness of SWATH ships have been enhanced. The weight groups estimation formulas have been obtained. The cost-effectiveness of SWATH ships has been suggested to be estimated by the complex index which includes comfort, safety, convenience and voyage duration. A new model of engineering qualities of ship, algorithm and task solving program of the main characteristics of SWATH ships have been developed. A genetic algorithm for the optimization task the solving has been used.

Key words: SWATH ship, simulation model, genetic algorithm, operation model, scheduled passenger transportations, mathematical model, effectiveness, comfort.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Майбутнє морського пасажирського флоту України пов'язане з процесами безпечного та ефективного задоволення зростаючого попиту на швидкісні пасажирські перевезення. Враховуючи позитивний досвід експлуатації суден з малою площею ватерлінії (СМПВ) у складних гідрометеорологічних умовах, доцільним є застосування даної концепції для пасажирських перевезень у Чорноморському регіоні, особливо для лінійних, де необхідна стабільність розкладу руху, висока морехідність та комфортність.

Аналіз досліджень з проектування швидкісних суден показав, що найбільш розробленими є методи проектування однокорпусних суден, катамаранів, а найменш розробленими - СМПВ. Незважаючи на велику кількість публікацій з проектування СМПВ, на даний час практично відсутні науково обґрунтовані методи вибору оптимальних головних елементів пасажирських суден з малою площею ватерлінії, які враховують випадковість умов експлуатації та оперативну здатність виконання своїх функціональних задач.

З іншої сторони, слід зазначити, що на сьогоднішній день проектуванням та побудовою СМПВ займаються у 12 країнах. Це такі відомі закордонні суднобудівні фірми, як Abeking & Rasmussen (Німеччина), Mitsui Engineering and Shipbuilding Co. (Японія), Swath Ocean System Inc. (США), FBM Marine Ltd. (Великобританія) тощо. На жаль, в Україні немає практичного досвіду не тільки побудови, але й проектування суден даного типу.

У зв'язку з цим актуальність теми дисертації визначається:

- необхідністю створення для Чорноморського регіону швидкісних суден, здатних зберігати експлуатаційні та морехідні якості у складних вітро-хвильових умовах;

- потребою в узагальненні та удосконаленні методів проектного обґрунтування суден з малою площею ватерлінії. Складність вирішення цього питання обумовлена різноманіттям співвідношень головних розмірів, форм обводів підводних корпусів і стійок, а також різними експлуатаційними обмеженнями, що впливають на характеристики СМПВ;

- незначною кількістю систематичних досліджень, присвячених постановці та вирішенню задач оптимізації головних елементів СМПВ на початкових стадіях проектування, що пояснюється порівняно невеликим світовим досвідом проектування і експлуатації суден даного типу;

- необхідністю об'єктивної оцінки ефективності судна шляхом урахування ризикових ситуацій та ймовірності виконання судном поставлених завдань у ході експлуатації;

- відсутністю програмних комплексів, які на початкових етапах проектування за обмеженої кількості даних, давали б можливість визначати оптимальні основні характеристики СМПВ.

Таким чином, підвищення ефективності швидкісних пасажирських суден шляхом розробки методів вибору основних характеристик СМПВ є важливою науковою задачею, що має велике практичне значення для суднобудування.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана згідно з "Концепцією розвитку транспортно-дорожнього комплексу України на середньостроковий період і до 2020 року" та "Стратегією розвитку суднобудування на період до 2020 року", затвердженою постановою Кабінету міністрів України від 6 травня 2009 року № 581-р. Дисертація включає результати досліджень, отриманих при виконанні науково-дослідної роботи "Розробка методики проектування суден для умов ринкової експлуатації" № ДР 0107U000718. У вказаній роботі здобувач приймав участь як виконавець.

Мета і задачі дослідження.

Метою досліджень є створення методів оптимального проектування суден з малою площею ватерлінії.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- Зібрати та систематизувати наявну інформацію по СМПВ, провести аналіз архітектурно-конструктивних особливостей і технічних характеристик сучасних СМПВ та встановити діапазон зміни їх основних проектних параметрів.

- Сформулювати та розв'язати найбільш ефективним способом задачу вибору оптимальних характеристик СМПВ.

- Розробити математичну модель визначення головних елементів швидкісних пасажирських СМПВ, що здійснюють рейси тривалістю до 24 годин, та модель функціонування СМПВ, яка б враховувала гідрометеорологічні умови та адекватно описувала б процес експлуатації.

- Удосконалити концепцію порівняльного аналізу конкурентоспроможності швидкісних пасажирських суден різних типів, яка враховує такі фактори як вартість та тривалість поїздки, комфортність умов для пасажирів.

- Розробити пакет прикладних програм визначення оптимальних характеристик СМПВ, виконати тестові розрахунки, перевірити працездатність та достовірність розроблених алгоритмів і методів.

- Реалізувати можливість використання методів та пакету прикладних програм в інтересах конструкторського бюро та організації-судновласника для перспективної оцінки ефективності використання суден з малою площею ватерлінії та інших типів у вказаних районах експлуатації.

Об'єкт дослідження: процес проектування пасажирських суден з малою площею ватерлінії.

Предметом дисертаційного дослідження є методи вибору оптимальних характеристик судна з малою площею ватерлінії.

Методи досліджень. Поставлені у дисертації задачі та проведені дослідження вирішено із застосуванням основних методів теорії корабля та проектування суден. Для формулювання та розв'язання задачі визначення основних характеристик СМПВ застосовано апарат теорії оптимізації та генетичний алгоритм. Значення експлуатаційно-економічних показників обчислювалися за допомогою імітаційного моделювання та теорії ймовірностей. Аналіз статистичного матеріалу виконано із застосуванням методів регресійного аналізу та математичної статистики. Порівняльний аналіз пасажирських суден різних типів проведено за допомогою методу експертних оцінок. Для оцінки достовірності результатів використано теорію похибок.

Теоретичне підґрунтя дисертаційної роботи становлять праці вітчизняних та закордонних вчених в області проектування та оптимізації суден, ходовості, морехідності багатокорпусних суден та СМПВ. Із загальної теорії проектування та оптимізації систем велике наукове і практичне значення мають роботи В.В. Ашика, А.В. Броннікова, В.О. Некрасова, В.М. Пашина, О.І. Гайковича. Проблемам проектування багатокорпусних суден присвяченні праці В.А. Дубровського, О.І. Соломенцева, А.Г. Ляховіцького, О.І. Картави, О.І. Кротова, А.М. Вашедченка, А.Я. Короля, В.Т. Шепеля, V. Bertram, A. Papanikolaou, W.C. Nethercote, J. Michalski, E. Tuck та ін.

Наукова новизна отриманих результатів:

Вперше створено і обґрунтовано модель інженерних властивостей пасажирського судна з малою площею ватерлінії пасажиромісткістю до 500 осіб, швидкістю руху 20-40 вуз., довжиною найбільшою до 50 м, дальністю плавання до 500 миль та тривалістю рейсу до 24 годин. Дана модель містить оригінальні методи розрахунку головних розмірів, навантаження мас, параметричну модель корпусу та, на відміну від існуючих математичних моделей суден, враховує вимоги до закачування пасажирів.

Вперше розроблено модель функціонування пасажирського судна з малою площею ватерлінії, яка відображає процес експлуатації СМПВ на регулярній лінії згідно з заданим розкладом щоденно або у певні дні. Реалізована можливість моделювання роботи одного, двох і трьох суден на лінії за різними схемами експлуатації.

Вперше для розв'язання багатовимірної задачі оптимального проектування СМПВ застосовано генетичний алгоритм, для якого, на відміну від класичних методів оптимізації, не потрібна декомпозиція задачі з метою зменшення кількості незалежних змінних, та який використовує одночасно декілька точок пошуку і працює з кодами, а не з самими числами.

Запропоновано концепцію оцінки конкурентоспроможності швидкісних пасажирських суден різних типів, яка враховує показники якості перевезень та оперативну спроможність суден.

Практичне значення отриманих результатів. Отримані автором результати мають як теоретичне, так і прикладне значення. Теоретичне значення полягає в тому, що вперше задача проектування пасажирських суден з малою площею ватерлінії вирішена із застосуванням генетичного алгоритму.

Прикладне значення отриманих результатів полягає в тому, що розроблена та реалізована у вигляді пакету прикладних програм методика визначення основних характеристик СМПВ дозволяє підвищити ефективність проектних робіт шляхом скорочення термінів та покращання якості розробки проекту СМПВ на етапі концептуального проектування.

Результати дисертаційної роботи впроваджені: у ФСК "Море" у вигляді програмного комплексу "SWATHShip"; у ДП КТБ "Суднокомпозит" у вигляді методики оптимального проектування та пакету прикладних програм "SWATHShip"; у навчальному процесі кораблебудівного інституту НУК при читанні курсу лекцій з дисципліни "Проектування спеціалізованих суден та морських плавучих споруд" та виконанні курсових і дипломних проектів (статистичні дані та наближені залежності, методика оптимального проектування, пакет прикладних програм "SWATHShip").

Особистий внесок здобувача. Дисертаційна робота є закінченим комплексним дослідженням. Усі теоретичні та практичні результати дисертації були отримані здобувачем особисто.

У працях, написаних у співавторстві, здобувачеві належить: [1] - створення бази даних по СМПВ 1968-2009 років побудови та отримання статистичних залежностей; [2] - розробка схеми функціонування лоцманських СМПВ; [3] - створення моделі функціонування пасажирських СМПВ; [4, 8] - розрахунок маси корпусу ряду проектів СМПВ за Правилами класифікаційних товариств та отримання коефіцієнтів, що враховують масу набору; [7] - обробка результатів модельного експерименту, перерахунок на натурне судно та побудова графіків залежності опору від числа Фруда; [9, 14] - класифікація та аналіз особливостей архітектурно-конструктивного типу СМПВ; [10] - частина, пов'язана з аналізом та систематизацією публікацій по суднах нетрадиційних типів; [11] - розробка основних блоків математичної моделі; [12] - розробка рівнянь, що описують форму суднової поверхні дво- та чотиристійкового СМПВ; [13] - вибір параметрів генетичного алгоритму та отримання результатів оптимізації основних характеристик СМПВ.

Апробація результатів дисертації. Основні теоретичні положення, результати дисертаційної роботи доповідалися та отримали позитивну оцінку на науково-технічній раді "Кораблебудування" (22 грудня 2009 р.), на міжнародній науково-технічній конференції "Безпека мореплавання та її забезпечення при проектуванні та будуванні суден" (БМС-2007) (Україна, м. Миколаїв, НУК, 25-26 жовтня 2007 р.), міжнародній науково-практичній інтернет-конференції "Современные направления теоретических и прикладных исследований `2008" (Україна, м. Одеса, 15-25 березня 2008 р.), міжнародній науково-практичній конференції "Сучасні інформаційні та інноваційні технології на транспорті" (Україна, м. Херсон, 25-27 травня 2009 р.), міжнародній науково-практичній конференції "Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте `2009" (Україна, м. Одеса, 15-30 червня 2009 р.), науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу НУК (Україна, м. Миколаїв, 23-25 квітня 2008 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 14 робіт, а саме: 7 у збірниках наукових праць, що входять до переліку фахових видань, рекомендованих ВАК України (з них 2 статті без співавторів), 3 статті у міжнародних журналах "Journal of Ship Technology" та "Судоходство", 4 доповіді та тези доповідей міжнародних конференцій.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, основних висновків та рекомендацій, 7 додатків на 60 сторінках і списку використаних джерел із 158 найменувань. Основний текст роботи, який викладено на 163 сторінках, містить 20 таблиць та 45 рисунків. Повний обсяг роботи становить 239 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність теми, теоретичне та практичне значення дисертації, формулюються мета і основні задачі даного дослідження, показана наукова новизна роботи.

У першому розділі розглядаються стан, основні тенденції, перспективи розвитку сучасних суден з малою площею ватерлінії, наводяться результати аналізу особливостей архітектурно-конструктивних типів, їх переваг і недоліків.

Наголошується, що останніми роками спостерігається зростання інтересу до побудови та експлуатації СМПВ. Вказуються основні недоліки та переваги даної концепції.

На підставі створеної здобувачем бази даних по СМПВ 1968 - 2009 років побудови було проведено аналіз архітектурно-конструктивних особливостей суден.

Наголошується, що більшість побудованих суден з малою площею ватерлінії - катамаранного типу з однією стійкою на кожному корпусі (79 %) і лише 21 % - з двома стійками. Вказується на велику різноманітність форм поперечного перерізу підводного корпусу (ПК), носового і кормового загострень.

Наводяться результати аналізу суден за призначенням, типом енергетичної установки, типом рушія, матеріалом корпусу, надбудови, особливостями суднових пристроїв.

Відзначається, що основними матеріалами корпусу є сталь та алюміній, менше застосовується склопластик. Як рушії використовуються гвинти регульованого або фіксованого кроку. Переважна більшість СМПВ мають дизельну енергетичну установку.

У результаті статистичної обробки даних було отримано формули для визначення основних характеристик СМПВ, які можуть бути рекомендовані для використання у практиці дослідницького проектування, а також при розробці математичної моделі СМПВ:

; ; ; ; ; ; ,

де - об'ємна водотоннажність, м³; L_В - довжина надводної платформи, м; d - осадка судна, м; D - висота борту судна, м; B_В - ширина надводної платформи, м; - питома потужність, кВт/т; - водотоннажність, т; L_H - довжина підводного корпусу, м; D_H - діаметр підводного корпусу, м; L_S - довжина стійки, м; t_S - ширина стійки, м.

Проведений огляд публікацій з проектування СМПВ показав, що, не дивлячись на значну кількість досліджень, задача вибору оптимальних характеристик є актуальною і вимагає уточнення та доопрацювання в питаннях розрахунку навантаження мас, потужності головних двигунів, вартості побудови та оцінки економічної ефективності. При орієнтації на існуючі методики проектування непасажирських СМПВ та пасажирських катамаранів, для швидкісних пасажирських суден з малою площею ватерлінії, що розглядаються у дисертації, виділено найбільш ефективні методи, які можна використати у математичній моделі, визначено обсяг корегування та встановлено межі їх використання.

Наголошується, що для сучасних пасажирських СМПВ необхідно враховувати рівень їх комфортності, безпеки та надійності. Також вказується на необхідність розробки методики порівняльного аналізу СМПВ з іншими типами суден.

За результатами узагальнення досвіду проектування та експлуатації СМПВ, виконаного огляду наукової літератури, сформульовано питання, що вимагають подальшого дослідження, і поставлено основні задачі дисертаційної роботи.

Другий розділ присвячено загальній постановці задачі, аналізу та вибору методу її розв'язання.

У дисертаційному дослідженні розглядається така задача оптимального проектування

, X D Rⁿ;

,

де F(X, C) - цільова функція; С (С₁,…, С_m) - вектор параметрів завдання на проектування (наприклад, дальність плавання, морехідність тощо); m - кількість параметрів; Х (х₁,..., х_n) - вектор незалежних змінних; n - кількість незалежних змінних; k - загальна кількість обмежень задачі; р - кількість обмежень задачі у вигляді нерівностей; Rⁿ - п-мірний Евклідовий простір.

Допустимий простір пошуку D сформовано на основі системи прямих і функціональних обмежень у вигляді нерівностей g(Х, С). Прямі обмеження накладаються безпосередньо на компоненти вектора незалежних змінних і компоненти вхідних параметрів:

, i =1,…, n.

Функціональні обмеження містять вимоги до характеристик якостей СМПВ

A_j(X) a_j,

де A_j (X) та a_j - розрахункові та нормативні значення якостей судна відповідно.

У результаті проведеного ретельного аналізу впливу основних характеристик на якості судна сформовано наступний вектор незалежних змінних: х₁ - відносне подовження підводного корпусу; х₂ - відношення довжини стійки до її товщини; х₃ - коефіцієнт повноти площі ватерлінії стійки; х₄ - відносна площа ватерлінії; х₅ - відношення горизонтального кліренсу до довжини судна; х₆ - відношення осадки судна до діаметра підводного корпусу; х₇ - відношення ширини підводного корпусу до його висоти; х₈ - коефіцієнт поздовжньої повноти підводного корпусу; х₉ - параметр форми носового загострення підводного корпусу; х₁₀ - параметр форми кормового загострення підводного корпусу; х₁₁ - параметр форми поперечного перерізу підводного корпусу; х₁₂ - параметр форми загострень стійки; х₁₃ - відносна відстань міделя стійки від міделя підводного корпусу.

Оскільки в дисертації враховується стохастичний характер впливу зовнішнього середовища на судно, то за цільову функцію оптимізаційної задачі вибору основних характеристик пасажирського СМПВ прийнято критерій у вигляді:



; ,

де - операція математичного сподівання показника економічної ефективності; Р - ймовірність виконання завдання - доставки пасажирів у встановлені терміни.

Для пасажирських суден, які здійснюють регулярні перевезення, ймовірність виконання завдання пов'язана із значенням ймовірності виконання рейсу згідно заданого розкладу руху. На початкових етапах проектування вона може бути визначена таким чином:

Р = Р₁Р₂Р₃Р₄,

де Р₁ - ймовірність виконання рейсу; Р₂ - ймовірність підтримки заданої середньої швидкості під час переходу; Р₃ - економічні ризики (ймовірність отримання прибутку); Р₄ - надійність, тобто ймовірність безаварійної роботи суднових конструкцій та обладнання.

Значення ймовірності виконання завдання, а також параметрів закону розподілу критерію оптимізації запропоновано визначати за допомогою імітаційного моделювання з використанням моделі функціонування пасажирського СМПВ.

За показник економічної ефективності П_Е може бути прийнято дохід від експлуатації, чистий прибуток, період окупності судна, індекс доходності, чистий дисконтований дохід, необхідну фрахтову ставку за вказаний період експлуатації або за весь життєвий цикл.

Для порівняльного аналізу суден різних типів запропоновано показник, що враховує не тільки економічний ефект, але й фактори оцінки якості перевезень:



, (1)

де F_k - вартість проїзду, у.о./пас.; R - вартість часу, у.о./год; T_k - тривалість поїздки, год; W₁, W₂, W₃ - фактори значущості вартості проїзду, тривалості поїздки та комфортності відповідно; w_i - рівень значущості кожного елементу в комфортності.

Значення комфортності судна оцінюється за допомогою факторів зручності, безпеки, життєпридатності, закачування та втоми. Рівень важливості кожного фактору визначається з використанням експертних оцінок залежно від категорії пасажира: VIP, бізнесмен, турист, неорганізований.

При постановці задачі враховуються наступні особливості проектування СМПВ:

- різноманіття вживаних технічних рішень у частині принципових проектних і конструктивних компоновок та їх поєднань. Можливі варіанти співвідношення розмірів корпусів, стійок та параметрів їх форми настільки різноманітні, що для їх обґрунтування потрібні значні обсяги дослідницьких робіт;

- необхідність врахування геометричних характеристик та параметрів форми не тільки кожного окремого корпусу, але й стійок, а також гідродинамічної взаємодії підводних корпусів і стійок;

- відсутність достатнього досвіду проектування та побудови, а також незначна кількість побудованих СМПВ, які можна використовувати як прототипи;

- розширення рамок так званої зовнішньої задачі теорії проектування суден: вибір конструктивно-компонувального типу (мономаран, катамаран, тримаран, кількість стійок); вибір конструкційних матеріалів з можливістю композитних варіантів, різних для корпусу та надбудови; обґрунтування спектру рівнів комфортності з розподілом пасажирських приміщень за класами: VIP, бізнес та економ.

Вказано, що оскільки загальна постановка задачі оптимального проектування СМПВ характеризується багатовимірністю простору незалежних змінних, наявністю системи обмежень, необхідністю врахування випадкового впливу зовнішнього середовища, то застосування традиційних алгоритмів пошуку екстремуму є недоцільним. За результатами аналізу можливих підходів до вирішення багатовимірних задач, для розв'язання оптимізаційної задачі, яка розглядається у дисертації, запропоновано використовувати генетичний алгоритм. Генетичний алгоритм (ГА) - це проста модель еволюції в природі, реалізована у вигляді комп'ютерної програми. У генетичному алгоритмі використовуються аналоги механізму генетичної спадковості та природного відбору.

Також у дисертації розглянуто теоретичні основи генетичного алгоритму та особливості застосування його при проектуванні суден. Відзначено, що у загальному випадку методологія пошуку генетичного алгоритму описується таким циклом. На першій ітерації формується початкова "популяція" (сукупність варіантів проектних рішень). Далі для кожної "особини" (розв'язку задачі) обчислюються значення функції пристосованості (критерій оптимізації), за значенням якої визначається найкраща "особина". Потім ГА генерує нову "популяцію" з використанням генетичних операторів відбору, схрещування, мутації та стратегії елітизму (за необхідності). Для нової "популяції" проводиться оцінювання значення функції пристосованості і т.д. Процес повторюється доти, поки не буде виконана одна із умов завершення пошуку.

Для розв'язання задачі оптимізації проектних характеристик СМПВ, здобувачем було допрацьовано генетичний алгоритм у плані врахування обмежень та пристосування до розв'язання задач проектування суден.

Третій розділ містить опис розроблених методів вибору оптимальних характеристик пасажирських СМПВ, що входять до імітаційної моделі. Імітаційна модель включає математичну модель та модель функціонування судна на лінії.

У математичній моделі судна, відповідно до початкових даних на проектування і значень незалежних змінних, отриманих на кожному кроці роботи генетичного алгоритму, визначаються основні характеристики та розраховуються морехідні якості судна з малою площею ватерлінії.

Для визначення головних розмірів, параметрів форми підводних корпусів та стійок використано традиційні рівняння проектування, а також математичні залежності, які були розроблені здобувачем. Геометричні характеристики СМПВ, які розраховуються в моделі, представлені на рис. 3.

Основними особливостями розробленої математичної моделі є: оригінальна схема розрахунку головних розмірів, застосування параметричної моделі корпусу, алгоритм розрахунку буксирувального опору та ходовості, розрахунок навантаження мас та урахування комфортності.

На підставі аналізу побудованих суден була розроблена типова параметрична модель корпусу, у якій за допомогою математичних залежностей визначаються ординати теоретичного креслення. Також була створена модель корпусу СМПВ у вигляді поверхонь геометричних тіл, яка може бути використана при розрахунках початкової остійності та остійності на великих кутах крену, ходовості судна із застосуванням CFD програм, міцності - при аналізі методом скінчених елементів.

Наступною особливістю математичної моделі є метод розрахунку повного опору судна, який визначається як сума опорів тертя R_F, струменевого R_SP, хвилевого R_W, виступаючих частин R_АР та повітря R_АА:

, кН.

Розрахунок опору тертя, виступаючих частин та повітря виконується за допомогою відомих залежностей теорії корабля з урахуванням особливостей конструкції СМПВ. Повний хвилевий опір судна з малою площею ватерлінії визначається за формулою, кН:

,

де R_Wi - власний хвилевий опір кожного з тіл, що входить до складу корпусу СМПВ, при ізольованому русі у рідині, кН; - додатковий хвилевий опір унаслідок інтерференції хвилевих систем, викликаних кожним тілом, кН. Хвилевий опір визначається для таких тіл як підводний корпус, носова і кормова стійка. Також передбачена можливість розрахунку опору для суден типу Slice та однокорпусних СМПВ.

Для обчислення складових хвилевого опору СМПВ у дисертації використано інтеграл Мічелла у формі:

,

; ;

змінна інтегрування;

;

- хвилеве число, 1/м; 2b - відстань між ДП корпусів, м; - густина води, т/м³; U - швидкість судна, м/с; Y(x, z) - ординати підводного корпусу або стійок СМПВ, м. При розрахунках хвилевого інтегралу здобувачем застосовано оригінальний метод інтегрування - метод Філона.

На основі оцінки буксирувального опору визначається необхідна потужність головних двигунів. Потім, використовуючи каталог, проводиться вибір характеристик двигуна. Отримані характеристики використовуються при розрахунках площ службових приміщень та навантаження мас.

Рівняння мас пасажирського СМПВ розглядалося у вигляді

,

де - повна водотоннажність, т; LS - водотоннажність судна порожнем, т; DW - дедвейт, т.

На ранній стадії проектування визначення водотоннажності порожнем СМПВ доцільно проводити за наступними укрупненими розділами:

,

де W_Hull - маса корпусу, т; W_Sup - маса надбудови, т; W_M - маса енергетичної установки, т; W_Out - маса обладнання, т; W_SM - запас водотоннажності, т.

Найбільшу складність для розрахунку становить маса корпусу через відсутність інформації та надійних формул.

У дисертації для розрахунку маси корпусу за основу прийнято підхід, відповідно до якого маса корпусу СМПВ визначається через товщину конструктивних елементів з урахуванням тиску, що діє, і вимог Класифікаційного товариства:

,



де С₀ = 0,085 - коефіцієнт надбавки на масу фарбування та зварювання; С_i - коефіцієнт, який враховує масу елементів підкріплюючого набору; - маса конструктивних елементів корпусу, т.

Маса конструктивних елементів корпусу СМПВ визначається за наступною залежністю

, т,

де S_i, t_i, q_i - площа (м²), товщина (м) та питома маса матеріалу (кг/м³) i-го елементу корпусу відповідно.

За результатами аналізу конструкції побудованих СМПВ було розроблено ряд моделей конструктивних міделів корпусів суден із сталі, алюмінію та склопластику. Розрахунок даних моделей дозволив здобувачеві отримати наступні значення коефіцієнтів маси підкріплюючого набору С_i: для сталі - 0,36…0,38; алюмінієвих сплавів - 0,36…0,39.

Для суден, корпуси яких виготовлені із склопластику, аналогічні коефіцієнти отримати важко. Тому за результатами розрахунків здобувачем була отримана регресійна залежність між масою корпусу та водотоннажністю судна .

Маса надбудови у першому наближенні розраховується залежно від типу матеріалу за формулою

, т,

де - об'єм надбудови з урахуванням рульової рубки, м³; - вимірник маси надбудови, т/м³.

Інші розділи водотоннажності порожнем, з деякими змінами та доповненнями, визначаються за залежностями, які використовуються при проектуванні швидкісних пасажирських катамаранів.

Таким чином, метод розрахунку навантаження мас судна було відкориговано у частині значень коефіцієнтів, що враховують масу підкріплюючого набору для суден із сталі та алюмінію, розрахунку маси обладнання і допрацьовано у частині значень вимірників мас для корпусів із склопластику.

Розроблену конструкцію типового конструктивного міделя СМПВ було перевірено на виконання критеріїв загальної поздовжньої та поперечної міцності відповідно до вимог Правил Регістру.

Однією з особливостей запропонованої математичної моделі СМПВ є розрахунок показника комфортності - схильності до "морської хвороби" (Motion Sickness Incidence - MSI) у відповідності з методом O'Hanlon та McCauley:

, %,

де - інтегральна функція стандартизованого нормального розподілу;

;

;

; t

час дії вертикальних переміщень, хв.; f - частота вертикальних переміщень, Гц; - вертикальні прискорення, у долях від прискорення вільного падіння.

Отримане значення показника MSI використовувалося для порівняльної оцінки комфортності пасажирських суден різних типів, визначення швидкості ходу на хвилюванні, а також враховувалося при виборі основних характеристик СМПВ у процесі оптимізації у вигляді обмеження.

Перевірка остійності на малих та великих кутах крену виконувалася за стандартними методами теорії корабля для високошвидкісних багатокорпусних пасажирських суден із застосуванням параметричної моделі корпусу.

Забезпечення місткості пасажирського СМПВ проводилося шляхом вирішення рівняння місткості у формі необхідних площ:

, м²,

де - необхідна площа приміщення, м²; n - кількість розташованих приміщень на судні.

Площа пасажирських, суспільних, службових та санітарних приміщень визначалася відповідно до норм питомих площ, що використовуються при проектуванні швидкісних СПК і катамаранів з салонами.

Для розрахунку вартості побудови судна у дисертації використовувався наступний вираз:

,

де k₁ - коефіцієнт комерційних витрат та планових відрахувань, включає: податок на додаткову вартість та прибуток суднобудівного заводу; С_М - вартість матеріалів, у.о.; С_O - вартість обладнання, у.о.; С_W - вартість робіт суднобудівного заводу, у.о.

Дана формула допрацьована здобувачем у частині розрахунку трудомісткості робіт.

Експлуатаційні витрати та показники ефективності визначаються шляхом моделювання типових операцій пасажирського судна за допомогою моделі функціонування.

Модель функціонування пасажирських СМПВ складається з трьох блоків: "Meteo", "Voyage", "Statistic". У блоці "Meteo" проводиться моделювання гідрометеорологічних умов у передбачуваному районі експлуатації судна.

У блоці "Voyage" безпосередньо проводиться моделювання елементів рейсу пасажирського судна. Введено припущення, що пасажири прибувають на пасажирський вокзал через деякі інтервали часу, у відповідності до заданого законом розподілу. Передбачається, що пасажирське СМПВ здійснює регулярні рейси між двома портами за встановленим розкладом. В моделі є можливість моделювання роботи одного, двох та трьох суден на лінії за наступними схемами: одне судно з поверненням та без повернення у пункт відправлення у той же день; одне судно, що здійснює декілька рейсів за день; два або три судна - послідовними рейсами; два або три судна - зустрічними рейсами. Рейси можуть виконуватися щоденно або по певних днях.

Перед виходом судна у рейс проводиться перевірка на можливість виконання рейсу за гідрометеорологічними умовами. Основною умовою відміни рейсу є висота хвиль. Якщо змодельована висота хвиль більша за максимально допустиму, то судно очікує покращення погоди. Час очікування моделюється генератором випадкових чисел згідно до заданого закону розподілу тривалості шторму.

Якщо морехідність судна дозволяє виконувати рейс за даних умов, то моделюється перехід судна від порту відправлення до порту призначення. В процесі виконання переходу розраховується коефіцієнт завантаження судна, середньорейсова швидкість з урахуванням висоти хвиль та швидкості вітру, MSI та інші експлуатаційні показники. По приході у порт призначення моделюється висадка, посадка і так далі. Процес повторюється доки не закінчиться заданий час імітації. Потім керування передається блоку "Statistic", де виконується статистична обробка результатів моделювання та проводиться розрахунок одного з показників економічної ефективності.

Запропоновані методи оптимального проектування СМПВ було зведено в єдину методику та реалізовано у вигляді спеціалізованого пакету прикладних програм "SWATHShips" з яким проведено серію досліджень.

У четвертому розділі наведені результати перевірки адекватності та чутливості математичної моделі, достовірності результатів розрахунку, приклади розв'язання оптимізаційної задачі.

Спочатку досліджується чутливість моделі по відношенню до незалежних змінних та економічних даних. Результати дослідження чутливості критерію показали, що критерій оптимізації реагує на зміну незалежних змінних у заданому діапазоні змін при збереженні стійкості розв'язку. За підсумками досліджень чутливості критерію до впливу зовнішнього середовища побудовано графіки залежності цільової функції від ціни на пальне, вартості матеріалу корпусу, довжини лінії експлуатації та вартості трудових ресурсів.

Достовірність розроблених у дисертації алгоритмів розрахунку підтверджено великою кількістю практичних прикладів та близькістю обчислених значень характеристик суден з існуючими прототипами.

Оскільки представлений у методиці метод розрахунку опору СМПВ може застосовуватися не тільки у складі комплексу прикладних програм, але й як самостійна програма, то окремо було виконано тестування даного методу.

Для цього у дослідному басейні НУК була проведена серія випробувань моделі СМПВ. Буксирувальні випробування моделей проводилися у діапазоні швидкостей від 0,5 до 3,0 м/с. Результати модельних випробувань було перераховано на натурне судно довжиною 32 м. Для даного судна за допомогою розробленої здобувачем програми було отримано значення повного опору.

За результатами випробувань та даними теоретичного розрахунку побудовано графіки залежності буксирувального опору від числа Фруда для двостійкового та чотиристійкового СМПВ.

Порівняльний аналіз даних теоретичного розрахунку і результатів модельних випробувань підтвердив адекватність та достовірність розробленого алгоритму. Середня квадратична похибка не перевищує 7,0 % для двостійкового та 6,5 % для чотиристійкового СМПВ.

Далі було продемонстровано можливості запропонованої методики на прикладі розв'язання задачі визначення оптимальних характеристик швидкісного пасажирського судна з малою площею ватерлінії для Чорноморського регіону. Для тестових розрахунків розглядалися наступні лінії: "Одеса - Варна (Болгарія)" та "Ялта - Синоп (Туреччина)", як найбільш перспективні на сьогоднішній день. Результати були отримано для різних матеріалів корпусу та надбудови. Показано, що найбільш вигідним з точки зору найкращої ефективності є судно, корпус та надбудову якого виготовлено з алюмінієвого сплаву, оскільки воно приносить найбільший прибуток. Так, для лінії "Одеса - Варна" величина чистого дисконтованого доходу для судна з корпусом і надбудовою із алюмінієвого сплаву становить 4357 тис. у.о., для судна з корпусом і надбудовою зі сталі - 2390 тис. у.о. та для судна з корпусом зі сталі і надбудовою з алюмінієвого сплаву - 2427 тис. у.о.

З метою обґрунтування найбільш ефективного типу швидкісного судна для пасажирських перевезень у Чорноморському регіоні виконано порівняльний аналіз ефективності проектних варіантів однокорпусного судна, традиційного катамарана, СМПВ та судна на підводних крилах (СПК) з використанням комплексного показника ефективності (1). Результати розрахунків для реально діючого розкладу руху (початок червня - початок вересня) на лінії "Одеса - Варна".

Аналіз отриманих результатів дає можливість зробити висновок, що максимальну ефективність по комплексному показнику буде мати судно з малою площею ватерлінії. Крім того, СМПВ має перевагу за такими додатковими критеріями як тривалість поїздки, ймовірність виконання задачі, кількість запізнень та коефіцієнт втрати швидкості на хвилюванні. Застосування СМПВ для пасажирських перевезень дасть змогу забезпечити високу надійність та регулярність виконання рейсів за складних погодних умов, незначне зниження швидкості на інтенсивному хвилюванні, практично цілковиту відсутність симптомів "морської хвороби" у пасажирів навіть при висоті хвилі більше 2-х метрів. Близьким за ефективністю до СМПВ є судно на підводних крилах. Отримані результати підтверджуються реальними даними експлуатації катамарану "Кримська стріла" та суден на підводних крилах у Чорноморському регіоні.

Також у дисертації розглянуто питання впливу збільшення періоду експлуатації на ефективність суден різних типів та встановлено, що збільшення періоду експлуатації приводить до покращення ефективності СМПВ у порівнянні з однокорпусним судном, СПК та катамараном.

Таким чином, за допомогою запропонованих методів та розробленого програмного комплексу можна проводити різноманітні дослідження з впливу характеристик комфортності, розкладу руху, вартості проїзду і т.д. на оптимальні характеристики СМПВ.

У додатках наведено: особливості архітектурно-конструктивного типу СМПВ, метод розрахунку загальної міцності СМПВ, програмний код математичної моделі СМПВ, алгоритм перерахунку буксирувального опору СМПВ з моделі на натурне судно, результати статистичної обробки характеристик вітро-хвильового режиму на Чорному морі та акти про впровадження результатів роботи.



ВИСНОВКИ

1. У дисертаційній роботі виконано теоретичне узагальнення і нове розв'язання важливої наукової задачі - підвищення ефективності пасажирських суден, яке виражається у створенні методів оптимального проектування швидкісного судна з малою площею ватерлінії для ранніх стадій проектування з урахуванням умов експлуатації. Усі використані та розроблені здобувачем особисто методи зведено в єдину методику і реалізовано у вигляді програмного комплексу, що дозволяє визначати оптимальні проектні характеристики пасажирського СМПВ.

2. Основні наукові та практичні результати роботи:

- Розроблено математичну модель визначення головних елементів швидкісних пасажирських СМПВ пасажиромісткістю до 500 осіб, швидкістю руху 20-40 вуз., довжиною найбільшою до 50 м, дальністю плавання до 500 миль та тривалістю рейсу до 24 годин. У даній моделі:

а) удосконалено метод розрахунку навантаження мас стосовно швидкісних суден з малою площею ватерлінії. Вперше отримано коефіцієнти, що враховують масу підкріплюючого набору для СМПВ, корпуси яких виготовлені із сталі, алюмінію та склопластику;

б) адаптовано для швидкісних СМПВ метод розрахунку вартості побудови з урахуванням вартості матеріалів, трудомісткості робіт, невиробничих витрат суднобудівного заводу, а також економічних умов у регіоні;

в) розроблено та чисельно реалізовано у вигляді комп'ютерної програми метод розрахунку повного опору судна з малою площею ватерлінії. За основу розрахунку хвилевого опору прийнято теорію Мічелла. Дана програма дозволяє розраховувати повний опір дво- та чотиристійкових СМПВ катамаранного типу, однокорпусних СМПВ та суден типу Slice;

г) введено розрахунок показника комфортності пасажирів MSI.

- Вперше розроблено модель функціонування пасажирського судна з малою площею ватерлінії, яка відображає процес експлуатації СМПВ на регулярній лінії згідно з заданим розкладом щоденно або у певні дні. Реалізована можливість моделювання роботи одного, двох і трьох суден на лінії за наступними схемами: одне судно з поверненням або без повернення у пункт відправлення у той же день; одне судно, що здійснює декілька рейсів за день; два судна послідовними рейсами; два судна зустрічними рейсами; три судна послідовними рейсами; три судна зустрічними рейсами.

- Сформульовано задачу оптимального проектування СМПВ як екстремальну нелінійну стохастичну задачу з обмеженнями. Вперше для розв'язання багатовимірної задачі оптимізації основних характеристик СМПВ застосовано генетичний алгоритм, для якого, на відміну від класичних методів оптимізації, не потрібна декомпозиція з метою зменшення кількості незалежних змінних, та який використовує одночасно декілька точок пошуку і працює з кодами, а не з самими числами.

- Удосконалено концепцію оцінки конкурентоспроможності швидкісних пасажирських суден шляхом врахування факторів, які використовуються пасажиром при виборі того або іншого виду транспорту (вартість проїзду, тривалість поїздки, комфортність) та оперативної здатності. Значення комфортності судна оцінюється за допомогою факторів зручності, безпеки, життєпридатності, закачування та втоми. Отримано результати порівняння СМПВ, традиційних катамаранів, СПК та однокорпусних суден. Показано, що для швидкісних пасажирських перевезень у Чорноморському регіоні перспективними, з точки зору ефективності, є судна з малою площею ватерлінії.

- Створено базу даних по СМПВ 1968-2009 років побудови, за даними якої виконано класифікацію СМПВ, проведено аналіз особливостей та характеристик архітектурно-конструктивного типу, виконано статистичну обробку і отримано залежності для наближеного визначення основних характеристик, а також визначено діапазон їх зміни. Показано, що при проектуванні СМПВ необхідно враховувати геометричні характеристики і параметри форми не тільки кожного окремого корпусу, але й стійок, а також гідродинамічну взаємодію підводних корпусів і стійок. Відзначено, що відсутність в Україні досвіду проектування СМПВ та незначна кількість побудованих за рубежем суден, які можна використовувати як прототипи, ускладнюють процес проектування.

- Розроблено спеціалізований пакет прикладних програм розрахунку геометричних, морехідних, експлуатаційних та економічних характеристик СМПВ, який пристосовано до застосування у конструкторських бюро та судноплавних компаніях. Для реалізації пакету прикладних програм використано мову програмування Pascal та інтегроване середовище розробки Delphi 7. Пакет прикладних програм має сучасний зручний для користування інтерфейс. Виконані тестові розрахунки підтвердили працездатність програм та достовірність результатів.

3. Достовірність теоретичних та прикладних результатів і висновків дисертаційної роботи забезпечується коректною постановкою задачі, використанням сучасних методів оптимізації та апробованих чисельних методів, виконаними розрахунками тестових завдань, результатами випробувань моделей СМПВ у дослідовому басейні НУК та близькістю обчислених значень характеристик СМПВ з характеристиками побудованих суден. Розрахункові методи та пакет прикладних програм тестувалися з використанням даних побудованих суден з малою площею ватерлінії та результатів досліджень інших авторів.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Основні наукові фахові видання:

1. Бойко А.П. Систематизация и статистический анализ данных по судам с малой площадью ватерлинии / А.В. Бондаренко, А.П. Бойко // Зб. наук. праць НУК. - Миколаїв: НУК, 2007. - № 6 (417). - С. 3-9.

2. Бойко А.П. Имитационная модель функционирования лоцманских судов с малой площадью ватерлинии / А.П. Бойко, А.В. Бондаренко, Я.А. Клева // Зб. наук. праць НУК. - Миколаїв: НУК, 2008. - № 1 (418). - С. 24-30.

3. Бойко А.П. Исследование процесса функционирования пассажирских судов с малой площадью ватерлинии / А.П. Бойко, А.В. Бондаренко // Вестник СевГТУ. Вып. 88: Механика, энергетика, экология: Сб. науч. трудов. Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2008. - С. 58-62.

...