авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Математическое моделирование и программный комплекс исследования динамики судна в режиме брочинг

На правах рукописи

Анищенко Ольга Петровна

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И

ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ИССЛЕДОВАНИЯ

ДИНАМИКИ СУДНА В РЕЖИМЕ БРОЧИНГ

Специальность: 05.13.18 – Математическое моделирование,

численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург – 2006

Работа выполнена на кафедре вычислительной техники и информационных техноло гий Санкт-Петербургского Государственного Морского Технического Университета

Научный руководитель: д.т.н., профессор Нечаев Юрий Иванович

Официальные оппоненты: д.т.н., профессор, засл. деятель науки РФ, И.К.Бородай к.ф.-м.н., профессор Б.А.Смольников

Ведущая организация: кафедра компьютерного моделирования и многопроцессорных систем факультета прикладной математики и процессов управления Санкт-Петербургского Государственного Уни верситета

Защита состоится « » _ 2007 г. в часов на заседании диссерта ционного совета Д212.229.13 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, Санкт-Петербург, ул.Политехническая, д.29.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан « » _ 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета А.В.Зинковский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сложность процесса взаимодействия судна с волнением и ветром, разнообразие физических картин опрокидывания и отсутствие надежных ма тематических описаний динамики судна на волнении подчеркивают актуальность по становки задачи моделирования динамики судна в бортовых интеллектуальных сис темах поддержки принятия решений по обеспечению безопасности мореплавания и в исследовательском проектировании.

Математические модели динамики судна на волнении основаны на описании про цесса взаимодействия судна с внешней средой (волнение, ветер) в различных услови ях эксплуатации, в том числе и в экстремальных ситуациях. Анализ результатов мо делирования позволяет выяснить физические картины крена и опрокидывания судов на волнении и реализовать процедуры анализа возникающих экстремальных ситуа ций. В настоящем исследовании основное внимание уделяется анализу динамики взаимодействия судна с внешней средой при интерпретации одной из наиболее слож ных экстремальных ситуаций, связанных с возникновением неуправляемого разворо та в режиме «брочинг».

Несмотря на большое количество публикаций, посвященных исследованию этого явления, разработанные теоретические модели «брочинга» описываются c использо ванием достаточно простой нелинейной функции восстанавливающего момента и не учитывают реальную структуру морского волнения при возникновении этой экстре мальной ситуации. В настоящем исследовании динамика «брочинга» рассмотрена на основе анализа результатов математического моделирования и физических картин крена и опрокидывания с учетом сложной пространственной функции, определяющей восстанавливающую компоненту. Анализ проведен на основе данных математическо го моделирования поведения судна в условиях нерегулярного волнения для различ ных сценариев развития шторма и уровней внешних возмущений. Результаты моде лирования, полученные на основе рассмотрения нерегулярного волнения в виде по следовательности пакетов волн различной формы и интенсивности, позволили выяс нить существенные факторы, определяющие условия опрокидывания, и сформулиро вать требования к безопасности судна в этой экстремальной ситуации. Оценка адек ватности математической модели осуществлена с использованием данных испытаний самоходных радиоуправляемых моделей судов на естественном трехмерном морском волнении.

Таким образом, актуальность исследования обусловлена необходимостью разви тия методов математического моделирования при анализе и прогнозе экстремальных ситуаций в бортовых ИС поддержки принятия решений по обеспечению безопасности мореплавания и исследовательском проектировании.

Цель и задачи работы. Целью данной работы является разработка и исследова ние математической модели движения судна в условиях захвата и неуправляемого разворота на попутном волнении, а также разработка критериальных соотношений для обеспечения безопасности судна в этой экстремальной ситуации.

Для достижения этих целей в диссертации решались следующие основные зада чи:

разработка и обоснование структуры математической модели в виде системы дифференциальных уравнений, описывающих динамику судна в экстремальной си туации «брочинг»;

разработка алгоритмов и программного обеспечения моделирования поведения судна в условиях брочинга.

моделирование динамики крена и опрокидывания судна в условиях «брочинга»

для различных сценариев развития шторма и уровне внешних возмущений;

статистический анализ результатов эксперимента, выделение существенных факторов, построение регрессионных моделей и критериальных соотношений, опре деляющих безопасность судна в режиме «брочинг»;

оценка адекватности математической модели и сравнительный анализ эффек тивности системы нормирования «брочинга»;

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе были исполь зованы методы математического моделирования динамики судна на волнении, мето ды вычислительной математики, теории вероятностей и математической статистики, а также методы прикладного программирования.



Объект исследования. Объектом исследования являются суда небольшого водо измещения, особенно малые промысловые суда, в наибольшей степени подверженные опасности опрокидывания в режиме «брочинг».

Научную новизну работы составляет:

Более строгая математическая модель динамики «брочинга», содержащая про странственную существенно-нелинейную функцию восстанавливающего момента.

Алгоритм анализа поведения судна в режиме «брочинг» для различных сцена риев развития шторма, основанный на представлении нерегулярного волнения в виде последовательности пакетов волн различной формы и интенсивности. Осуществлена визуализация динамики «брочинга» и предложена новая форма диаграммы, обеспе чивающая удобство практической интерпретации этого явления.

Система критериальных соотношений, обеспечивающих безопасность судна в условиях неуправляемого разворота на попутном волнении. Реализация этих критери ев осуществлена при формировании алгоритма принятия решений по управлению судном на попутном волнении.

Основные научные результаты.

Откорректирована математическая модель поведения судна в режиме «бро чинг» за счет включения существенно нелинейной пространственной функции вос станавливающего момента.

Исследованы особенности динамики взаимодействия судна с внешней средой в режиме брочинг для различных сценариев развития шторма и нерегулярного волне ния, представленного в виде пакетов волн.

Откорректирована диаграмма брочинга за счет включения относительного ра диуса циркуляции как основной характеристики эволюции судна в рассматриваемой экстремальной ситуации и использования шкалы безразмерного времени.

Критерии безопасности судна в режиме брочинг.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

• Разработаны конкретные модели и алгоритмы анализа динамики взаимодейст вия судна с внешней средой в условиях брочинга на нерегулярном волнении;

• Разработан программный комплекс, обеспечивающий решение задач анализа и интерпретации физических картин крена и опрокидывания судна в условиях брочин га;

Практическая значимость диссертационного исследования обеспечена при кладной направленностью и созданием конкретных программных средств, приспо собленных к применению в системах поддержки принятия решений по обеспечению безопасности мореплавания, а также в задачах оценки динамики «брочинга» в иссле довательском проектировании.

Внедрение результатов работы:

Работа выполнялась в рамках НИР «Разработка моделей представления и обра ботки знаний в интеллектуальных системах анализа и прогноза поведения сложных динамических систем в экстремальных ситуациях» (номер государственной регистра ции 01200.204458), НИР «Разработка математических моделей взаимодействия чело век-компьютер в интеллектуальных тренажерах и управляющих системах», а также при создании интеллектуальной системы «Мореходность» для судов Арктического шельфа, разрабатываемой в НПО «Полярная Звезда» по заказу ФГУП «Адмиралтей ские верфи».

Разработанные программные средства и методические материалы использовались в учебном процессе СПбГМТУ при проведении лабораторных и курсовых работ по курсу «Системы искусственного интеллекта» для студентов специальности «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем»

(направление подготовки дипломированных специалистов 654600 «Информатика и вычислительная техника»).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на национальных и международных научно-технических конференци ях «МОРИНТЕХ-ЮНИОР’2000», «МОРИНТЕХ’2001», «Искусственный интел лект’2001», «Крыловские чтения’2001», «MARIND’2001», «HYDRONAV’2001», «МОРИНТЕХ-ЮНИОР’2002», «Искусственный интеллект’2002», «ISC’2002», «MARIND’2002», «Крыловские чтения’2003», «МОРИНТЕХ’2003», «HYDRONAV’2003», «STAB’2003», «МОРИНТЕХ-ЮНИОР’2004», «МОРИНТЕХ’2005», «HYDMAN’2005», International Ship Stability Work shop (Istanbul, Turkey, 2005).

Основные положения, выносимые на защиту:

Математическая модель поведения судна в режиме «брочинг», включающая существенно нелинейную пространственную функцию восстанавливающего момента.





Результаты исследования динамики взаимодействия судна с внешней средой в режиме «брочинг».

Диаграмма «брочинга», определяющая изменение основных характеристик эволюции судна в рассматриваемой экстремальной ситуации.

– Критерии безопасности судна в режиме «брочинг».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, из них 1 – в россий ском рецензируемом журнале «Морской Вестник» (Санкт-Петербург, 2004, №1(9)), 12 – в тезисах и материалах конференций.

Объем и структура работы.

Работа состоит из введения, 4 глав, заключения и 3-х приложений. Объем - страницы, в том числе 12 таблиц, 45 рисунков, графиков и блок-схем. В списке лите ратуры 216 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, приведены основные положения работы, выносимые на защи ту.

В первой главе описаны экстремальные ситуации при движении судна на попут ном волнении: полная потеря остойчивости, низкочастотный резонанс и зарыскива ние («брочинг»). Приведена аварийная статистика. Изучение аварий судов на попут ном волнении показывает, что возникновение опасных ситуаций в этих условиях объ ясняется влиянием ряда специфических факторов и в первую очередь – резким ухуд шением динамической остойчивости. В результате возникает неблагоприятное соче тание кренящих и восстанавливающих сил и моментов, приводящее к появлению зна чительных углов крена. Иными словами, попутное волнение часто является перво причиной опрокидывания, а дальнейшее развитие аварии и гибель судна вызываются смещением грузов, интенсивным заливанием палубы, внутренних помещений и дру гими причинами.

Далее в главе 1 дана общая характеристика физических особенностей явления «брочинг». В режиме «брочинг» попутная волна длиной =(12)L (L – длина судна) может захватить судно и заставить его двигаться из положения на переднем склоне волны. В этом положении давление в кормовой оконечности больше, чем в носовой, из-за чего к судну прилагается дополнительная продольная сила. Складываясь с си лой тяги винта, эта сила может уравновесить сопротивление судна, вследствие чего судно может двигаться с увеличенной скоростью. Это условие обеспечивается в слу чае, когда положение судна относительно волны не изменяется. Находясь на перед нем склоне волны в условиях «захвата», судно теряет устойчивость на курсе, вследст вие чего под действием волны начинает быстро разворачиваться, стремясь стать ла гом к ней. В начале разворота судно остается на переднем склоне волны, затем, при достижении определенного угла крена, волна не может удержать судно на своем пе реднем склоне и обгоняет его. Это может произойти настолько быстро, что переклад кой руля трудно исправить положение. Поэтому приходится говорить не только об отсутствии устойчивости на курсе, но и о потере управляемости вообще. Во время разворота на переднем склоне волны происходит сильное динамическое накренение судна. Первой причиной его является разворот судна с малым радиусом циркуляции на большой скорости хода (равной скорости волн или близкой к ней). Кренящий мо мент, вызванный разворотом, наклоняет судно наружу циркуляции, т.е. на борт, об ращенный в сторону бега волны. Второй причиной наклонения судна является кре нящий момент, создаваемый непосредственно волной. Когда судно расположено на переднем склоне волны под углом к ней, уровень на обращенном в сторону бега волн борту ниже, чем на противоположном борту. Это приводит к появлению кренящего момента, который складывается с моментом от циркуляции. Наклонению судна спо собствует ветер, обычно дующий в одном направлении с волной. Тогда складываются кренящие моменты от циркуляции, волнения и ветра. Особенно большой крен полу чается, если при следовании на попутной волне, увлекающей за собой судно, пере кладывается руль. В этом случае поворот судна происходит более резко, чем при не произвольном зарыскивании, и это приводит к большим наклонениям.

Отрицательное воздействие попутного волнения на остойчивость проявляется преимущественно на волнах, длина которых составляет 1-2 длины судна. Поэтому попутная волна опасна в первую очередь для малых судов, скорость которых близка к скорости волн таких размеров.

Исследованию динамики судна в режиме «брочинг» посвящены работы Д.М.Ананьева, А.Ш.Афремова, А.Д.Гофмана, Г.И.Зильмана, Ю.Л.Макова, Ю.И.Нечаева, В.А.Мореншильдт, зарубежных исследователей K.Davidson, Du Cane, G.Goodrich, O.Grim, S.Kastner, J.Paulling, M.Renilson, K.Spyrou, N.Umeda и других ав торов. Наиболее полный теоретический анализ ситуации выполнен в работах Д.М.Ананьева, а экспериментальных исследований – в работах S.Kastner, J.Paulling и Ю.Нечаева, посвященных изучению физических картин опрокидывания на основе самоходных радиоуправляемых моделей на естественном волнении.

При исследовании математической модели брочинга большое внимание специа листов уделялось изучению продольно-горизонтальных колебаний и условий «захва та» судна попутной волной (работы Д.М.Ананьева, Ю.Л.Макова, В.А.Моренщильдт).

Авторами этих работ определены области «захвата», а Д.М.Ананьев дополнительно рассмотрел статическую и динамическую границы этих областей. Анализ показал, что результаты работы Д.М.Ананьева в области разработки критериев «захвата» наи более полно отражают физические особенности явления и их целесообразно исполь зовать в качестве исходной модели, определяющей начальные условия интегрирова ния системы дифференциальных уравнений. Поэтому в настоящем исследовании на основе результатов Д.М.Ананьева откорректирована математическая модель и диа грамма брочинга, разработана программная реализация оценки явления «захвата», причем основное внимание уделено математическому моделированию динамики бро чинга при движении судна из состояния «захвата». В главе 1 также приведен анали тический обзор состояния вопроса, поставлена задача исследования и дана общая ха рактеристика диссертационной работы.

Вторая глава посвящена теоретическим основам динамики судна в режиме «бро чинг». Поведение судна в условиях «захвата» попутной волной и разворота лагом к набегающему волнению характеризуется чрезвычайно сложной картиной изменения кинематических и гидродинамических параметров. Для описания движения судна из состояния «захвата» Д.М.Ананьев рекомендует использовать систему четырех диф ференциальных уравнений, три из которых являются известными уравнениями тео рии управляемости и описывают траекторию движения судна, т.е. продольно горизонтальные, поперечно-горизонтальные колебания и рыскание, а четвертое – вращение судна относительно продольной центральной оси.

D D + µ ( cos sin ) + + µ sin = X (t ) + X P R & & g g D D + µ ( sin cos ) + + µ cos = Y (t ) + R yB + R yp & & g g (J + µ ) = M (t ) + M + M && z z zB zp () ( J x + µ ) & + M R + M (,, t ) = M G + M А & & где D – водоизмещение судна;

g – ускорение свободного падения;

µ и J – присоеди ненные массы и моменты инерции;

– угол дрейфа;

– угол крена;

– угол рыска ния;

X(t), Y(t), MZ(t) – возмущающие силы и моменты;

MG и MA – гидродинамический и ветровой кренящие моменты;

Xp – сила тяги движителей;

R – сопротивление воды движению судна;

Ryp и Mzp – поперечная сила и момент, вызванные дрейфом;

M(,, t) и MR – восстанавливающий и демпфирующий моменты;

Ryв и Mzв – поперечная сила и момент, вызванные действием руля.

Далее рассматривается общая характеристика компонент математической модели.

В разделе, посвященном математической модели, описывающей продольно горизонтальные колебания и условия «захвата», разработан алгоритм и программная реализация модели «захвата» на основе критериев Д.М.Ананьева и выполнены расче ты статической и динамической границ захвата. Алгоритм учитывает физические особенности динамики взаимодействия судна с набегающим волнением в условиях захвата. На судне, захваченном попутной волной, можно снизить тягу гребного винта до предела, который определяется этой границей. Причем оно продолжает удержи ваться волной в режиме «захвата», если не выйдет из него из-за неустойчивости на курсе. То же произойдет, если постепенно будет уменьшаться крутизна волны. По этому статическая граница рассматривается как граница выхода из режима «захвата».

Динамическую область можно трактовать как совокупность условий (элементы вол нения, скорость и курс судна), при которых теряется устойчивость режима продоль но-горизонтальных колебаний. В конце раздела приведен практический метод расчета границ захвата.

Под действием случайного возмущения судно, двигающееся на попутном волне нии в «захваченном» состоянии, приобретает начальную угловую скорость и угол дрейфа, вследствие чего появляется поперечная сила и момент рыскания, обуслов ленные дрейфом, угловой скоростью и влиянием набегающего волнения. Под дейст вием возмущающих сил и моментов судно начинает поворачиваться и угол курса от носительно волн меняется. Кренящий момент от дрейфа совместно с возмущающим моментом от волнения приводят к наклонению судна. Неуправляемый разворот, ко торый происходит после захвата судна волной, носит резкий динамический характер.

Математическая модель, описывающая движение судна в горизонтальной плоско сти и неуправляемый разворот описана в следующем разделе второй главы на основе данных работ по теории управляемости судов на волнении. Для вычисления компо нентов математической модели разработаны алгоритмы и программы, обеспечиваю щие вычисление гидроаэродинамических характеристик неуправляемого разворота при интегрировании исходной системы дифференциальных уравнений.

Для расчета динамических наклонений судна в условиях брочинга в диссертаци онной работе используется следующая математическая модель:

(J x + µ )& + M R (&) + MW = M G + M А, & где Jx – момент инерции судна относительно продольной центральной оси;

µ - присоеди & & & ненный момент инерции при бортовой качке;

M R ( ) = W 2 sign - момент демпфирующих сил;

MW – функция восстанавливающего момента на попутном волнении;

MG – гидродина мический кренящий момент;

MA – ветровой кренящий момент.

В отличие от ранее выполненных исследований, в обсуждаемой работе использо вана более строгая математическая модель наклонения судна в условиях «брочинга», учитывающая реальную картину изменения восстанавливающего момента.

Нелинейная пространственная функция восстанавливающего момента на волне нии представляется формулой [Нечаев Ю.И.,1989]:

M W = M (,, t ) = D [l (, ) + l (, ) cos( k t )];

l(, ) = 0,5 [ l(, ) max + l(, ) min ], l(, ) = 0,5 [l(, ) max + l(, ) min ];

MW = Ф(,k,t)=D l(,, t), где l(,)max и l(,)min – экстремальные значения приращений плеч остойчивости, соответствующие положению судна на подошве и вершине волны при различных курсовых углах ;

l(,,t) – плечо восстанавливающего момента, определяемого в процессе интерполяции по и для различных моментов времени, - фаза судна от носительно профиля волны.

Геометрическая интерпретация функции M(,,t) дана на рис.1:

M(,,t)/D M(,,t)/D 0,3 0. = 1 2 0. 0, 0, 0. -0, -0. /2 80 0 60 30 3/2 k o o o 2 M(,,t)/D M(,,t)/D 3 1 0. 1 = 0, 0. 0. -0,2 -0. 0 80 3/ 60 60 k /2 o o o Рис.1. Нелинейная функция, описывающая восстанавливающую компоненту: 1 – исходная функция;

2 – трансформированная функция;

3 – профиль волны Кроме восстанавливающей компоненты во второй главе разработаны алгоритмы и программное обеспечение расчета инерционно-демпфирующих компонент, а также кренящих сил и моментов на основе математических моделей, предложенных в рабо тах по теории остойчивости судов на волнении.

В последнем разделе второй главы проводится оценка адекватности математиче ской модели. Полученные в диссертационной работе данные позволяют считать, что используемые математические модели и критериальные оценки опасности «брочин га» достаточно хорошо описывают особенности рассматриваемой экстремальной си туации. Корректность используемых статистических процедур на этапе валидации модели подтверждается результатами физического моделирования.

Третья глава посвящена математическому моделированию динамики брочинга.

Для общей характеристики динамики судна в режиме «брочинг» рассмотрены зако номерности этого быстро протекающего процесса совместно с данными физического моделирования в условиях нерегулярного волнения, полученными Ю.И.Нечаевым, S.Kastner, J.Paulling, S.Schaffran и др. Выделяют три периода движения судна в режи ме «брочинг». Первый период – эволюционный, в котором судно движется в условиях захвата при незначительном изменении фазы. Второй период – установившийся, в ко тором судно постепенно разворачивается и выходит из состояния захвата. Экспери менты показывают, что начальные условия по углу дрейфа и угловой скорости дейст вительно не оказывают сильного влияния на движение судна в этом периоде. Однако, в зависимости от курсового угла волны, ситуация резко меняется. С ростом курсового угла сокращается время движения судна в «захваченном» состоянии и значительно интенсивнее развивается неуправляемый разворот. Эти закономерности можно объ яснить увеличением гидродинамического сопротивления «захваченного» судна, дви жущегося в направлении бега волн. В результате сокращается время эволюционной и установившейся стадий. Заключительная стадия «брочинга» - динамическая. Ско рость судна здесь заметно отличается от скорости бега волн, угловая скорость и угол дрейфа испытывают колебания. Резкий разворот приводит к возникновению сильной бортовой качки, а в отдельных случаях – к опрокидыванию судна при положении ла гом к набегающему волнению.

Используемые при построении траектории судна (рис.2) данные эксперименталь ных исследований свидетельствуют о резком характере возникающих неуправляемых эволюций судна на попутном волнении. Эти эволюции определяются многими факто рами, в том числе и ориентацией судна относительно направления движения волно вых систем.

Рис.2. Неуправляемый разворот судна в режиме «брочинг» для различных значений курсового угла волны: 1) 0= 0;

2) 0 = 15о В следующем разделе третьей главы рассмотрены особенности крена и опроки дывания судна в режиме «брочинг» на нерегулярном двумерном волнении. Для моде лирования волнения используется традиционная спектральная модель, рассматри вающая пространственно–волновое поле в виде ортогонального разложения по гар моническому базису [Лонге–Хиггинс М.С., 1962] W ( x, t ) = a k cos ( k t + k k x ) + bk sin ( k t + k k x ).

k k Здесь {ak,bk} – независимые случайные величины, волновое число k=2/g. Использо вание аналитического пространственно–временного базиса позволяет существенно упростить процедуру вычисления возмущающих сил и моментов путем численного интегрирования.

Исследование поведения судна в условиях нерегулярного волнения проведено для различных значений интенсивности волнения. В качестве объекта исследования ис пользовано малое промысловое судно – сейнер РС–708 (L=25м, L/B=4,03, B/T=2,95, H/T=1,43, =0,54), опрокинувшийся в условиях попутного волнения [Нечаев Ю.И., 1989]. Математическая модель, описывающая динамику судна в рассматриваемой экстремальной ситуации, принята в виде системы дифференциальных уравнений. Не линейная функция в уравнении бортовой качки учитывает реальное изменение вос станавливающего момента, вызванное влиянием волнения.

Результаты моделирования представлены на рис.3. Также на рис.3 показаны фрагменты опасных пакетов волн, при воздействии которых возникал режим «захва та» и последующего динамического наклонения в процессе неуправляемого разворо та.

С А В Рис.3. Результаты расчетов угла бортовой качки для разных типов волнения:

А - пакет из нерегулярных волн;

В - пакет из регулярных волн;

С - пакет волн, ограниченных синусоидой Статистическая обработка результатов математического моделирования позволи ла установить вероятности возникновения режима «захвата» судна попутной волной и вероятность опрокидывания судна в процессе неуправляемого разворота (рис.4).

А B 100 опрокидывания, % Вероятность «захвата», % 80 Вероятность 60 40 20 0 1 2 3 1 2 Параметры волнения Параметры волнения Рис.4. Экспериментальные данные по оценке вероятностных характеристик: матема тического ожидания – светлые столбики и коэффициента вариации – темные столби ки для условий «захвата» (А) и опрокидывания (В) при различных значениях пара метров набегающего волнения (высоты волны 3%-ой обеспеченности h3% и среднего периода *):

1) h3%=1.5, *=5.7;

2) h3%=2.5, *=7.6;

3) h3%=3.5, *=8.8.

Далее в главе 3 рассматриваются особенности представления эволюции судна в исследуемой экстремальной ситуации в виде универсальной диаграммы «брочинга».

В отличие от диаграммы «брочинга», рассмотренной в работах [Ананьев Д.М., Гор бачева Л.М., 1993], [Ананьев Д.М., 1979], [Нечаев Ю.И., 1978, 1989] на основе анали за результатов физического и математического моделирования, в диссертационной работе предлагается новая интерпретация диаграммы (рис.5).

В качестве основной характеристики диаграммы в работах Д.М.Ананьева исполь зуется безразмерный путь, элемент которого ds вычисляется по формуле ds = v dt/L.

Применение такой характеристики затрудняет практическое использование диаграм мы при анализе картины поведения судна в рассматриваемой экстремальной ситуа ции. Гораздо удобнее представлять картину «брочинга» в зависимости от безразмер ного времени t/ (где - период бортовых колебаний), которое отсутствует на диа грамме в работах Д.М.Ананьева, и для его установления требуются дополнительные вычисления. Кроме того, диаграмма «брочинга», предлагаемая в диссертационной ра боте, дополнена таким важным показателем, как изменение относительного радиуса кривизны траектории цента тяжести судна в процессе неуправляемого разворота.

V/c, k, * R/L S/L / град град R/L 0,9 3 S/L v/c 0,8 2 * 0,7 30 k 0,6 0 1 2 3 t/ Рис.5. Универсальная диаграмма «брочинга» для случая 0=0.

В четвертой главе описан разработанный в диссертации критериальный базис безопасности судна в режиме брочинг. Результаты исследований Д.М.Ананьева на шли отражение в действующих нормативах остойчивости в виде ограничения скоро сти судна на попутном волнении VS 1.4 L (уз). Очевидно, что это требование ставит в равные условия суда, отличающиеся фактическими характеристиками остойчиво сти, и не отражает реальной картины действующих сил и моментов. Кроме того, само по себе снижение скорости без предварительной оценки ситуации может привести к возникновению сильной качки судна в режиме основного или параметрического ре зонанса [Бородай И.К., Нецветаев Ю.А., 1982].

Результаты моделирования [Nechaev Yu., Anischenko O., 2001-2006], выполнен ные на основе рассмотрения нерегулярного волнения в виде последовательности па кетов волн различной формы и интенсивности, позволили выяснить существенные факторы, определяющие условия опрокидывания, и сформулировать критерии безо пасности судна в этой экстремальной ситуации. Эти критерии определяются физиче скими закономерностями крена и опрокидывания судна, установленными на основе экспериментальных исследований.

Система нормирования безопасности судна в режиме «брочинг» сводятся к про верке динамического критерия и предельного числа Фруда:

(Мс)W MR, Fr (Fr)CR, где (Мс)W опрокидывающий момент на попутном волнении;

MR кренящий мо мент, возникающий в процессе разворота судна;

(Fr)CR критические число Фруда.

На основе этих критериев был разработан программный комплекс и выполнены систематические расчеты по оценке остойчивости судов в режиме «брочинг». В рас четах были использованы данные аварийной статистики по опрокидыванию малых промысловых судов на попутном волнении.

Анализ результатов расчетов свидетельствует о работоспособности разработан ной системы нормирования и возможности ее использования при обеспечении безо пасности мореплавания (рис.6).

10 15 20 25 30 L,м Рис.6. Результаты расчетов критерия (MC)W/MR (серым отмечены аварийные суда, белым – неаварийные).

Результаты проведенного исследования позволили откорректировать диаграмму областей «захвата», предложенную в Межправительственной Морской Организации IMO. Корректировка проведена в соответствии с алгоритмом [Ананьев Д.М., Горба чева Л.М., 1993]. Границы «захвата» определены в зависимости от начальных усло вий (судно на переднем или заднем склоне волны) на основе анализа устойчивости продольно-горизонтальных колебаний. Разработанная программа позволяет опера тивно решать задачи, связанные с оценкой возможности «захвата» при анализе остой чивости судна на попутном волнении.

В последнем разделе четвертой главы дается приложение полученных в диссерта ционной работе результатов в бортовых системах поддержки принятия решений. Рас смотрено поведение судна в ситуации «брочинг» для различных сценариев развития волнения. Дается сравнительная характеристика экстремальных ситуаций, возникаю щих при движении судна на попутном волнении (полная потеря остойчивости, резо нансные режимы, брочинг). Показано, что в зависимости от интенсивности набегаю щего волнения и характера развития шторма для малых судов основную опасность представляют ситуации, связанные с возникновением брочинга и полной потерей ос тойчивости. Причем, ситуация брочинг особенно опасна для судов длиной до 30 мет ров. Результаты этого исследования имеют важное значение при анализе и прогнозе явления «брочинг» в зависимости от ветро-волнового режима в заданном районе экс плуатации судна. На основании разработанной системы нормирования и результатов моделирования экстремальных ситуаций сформулирован подход к созданию алго ритмов и программного обеспечения, а также к организации интерфейса «Оператор – компьютер» при оперативном контроле ситуации «брочинг» в условиях эксплуата ции.

В заключении обобщаются полученные результаты и рассматриваются перспек тивы их применения в бортовых интеллектуальных системах и в задачах оценки опасности «брочинга» при исследовательском проектировании.

Приложения содержат вспомогательные данные и листинги программ, обеспечи вающих анализ и прогноз развития экстремальной ситуации «брочинг».

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ Результаты исследования позволили установить следующие факты и закономер ности:

• При моделировании режима «брочинг» в задачах анализа и нормировании остой чивости необходимо учитывать взаимосвязь явления «захвата» и последующего не управляемого разворота судна на попутном волнении. Нормирование только условия возникновения режима «захвата» не дает объективной оценки фактической безопас ности судна в рассматриваемой экстремальной ситуации.

• Возникновение явления «захвата» наблюдается сразу же после выполнения крите риальных соотношений, определяющих условие движения судна со скоростью бега волны. Вероятность такого явления на крутых волнах опасной длины достаточно вы сока.

• Динамика судна в режиме «брочинг» характеризуется многими факторами и далеко не всегда завершается процессом опрокидывания судна. Вероятность опрокидывания в режиме «брочинг» – практически на порядок меньше, чем вероятность возникнове ния «захвата». Поэтому действующие в ряде классификационных обществ нормати вы, связанные с ограничением числа Фруда на попутном волнении, лишь односто ронне отражают сущность явления и подлежат корректировке на базе новых экспери ментальных данных.

• Откорректирована математическая модель динамики брочинга, предложенная в ра ботах Д.М.Ананьева. Используемая система дифференциальных уравнений включает нелинейную пространственную функцию восстанавливающего момента [Нечаев Ю.И., 1989], непрерывно изменяющегося на волнении в зависимости от особенностей формы корпуса, динамических и кинематических характеристик неуправляемого раз ворота. Не учет этой функции и замена ее простейшей нелинейной характеристикой – диаграммой остойчивости судна на тихой воде при интегрировании дифференциаль ного уравнения крена приводит к недооценке остойчивости и ошибкам в опасную сторону. Анализ результатов моделирования позволил выделить существенные фак торы и определить систему критериальных соотношений, характеризующих безопас ность судна в рассматриваемой экстремальной ситуации.

• Построена универсальная диаграмма брочинга, определяющая характеристики не управляемого разворота в зависимости от безразмерного времени и включающая в качестве важной характеристики эволюции относительный радиус циркуляции. Такое представление позволило существенно упростить использование диаграммы в прак тических задачах оценки геометрических и кинематических параметров неуправляе мого разворота судна на попутном волнении.

• Сформулирована задача поддержки принятия решений по управлению судном при движении на попутном волнении на основе разработанной системы критериев. Пред лагаемый алгоритм позволяет осуществлять изменение скорости судна в зависимости от уровня действующих возмущений и динамических данных измерений, получаемых от системы датчиков колебательного движения при рыскании судна на волнении.

В результате проведенного исследования разработаны математические модели, критериальный базис, алгоритмы и программное обеспечение оценки безопасности судна в режиме «брочинг», которые могут быть использованы в системах обеспече ния безопасности мореплавания и в исследовательском проектировании при оценке риска возникновения неуправляемого разворота и опрокидывания судна на попутном волнении. Установленные в процессе анализа результатов моделирования новые фак ты и закономерности позволяют откорректировать накопленные ранее сведения о взаимодействии судна с внешней средой и сформулировать критериальный базис для разработки обоснованной системы нормирования остойчивости судов в рассматри ваемой экстремальной ситуации.

РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Завьялова, О.П. Интерфейс «оператор-компьютер» в динамических системах под держки принятия решений [Текст] / О.П.Завьялова // Сб. трудов конференции моло дых ученых и специалистов по морским интеллектуальным технологиям «МОРИНТЕХ-ЮНИОР-2000». – СПб, 2000. – С.118-121.

2. Завьялова, О.П. Методы моделирования при анализе динамических сцен в интел лектуальных системах обучения и принятия решений [Текст] / О.П.Завьялова, Ю.И.Нечаев // Сб. тезисов докл. 4-й Международной конференции по морским ин теллектуальным технологиям «МОРИНТЕХ-2001». – СПб, 2001. – С.269-270.

3. Нечаев, Ю.И. Оценка остойчивости в условиях неуправляемого разворота судна в режиме «брочинг» [Текст] / Ю.И.Нечаев, О.П.Завьялова // Сб. тезисов докладов на учно-техн. конференции по проблемам мореходных качеств судов и корабельной гид ромеханики «Крыловские чтения». – СПб, 2001. – С.114-116.

4. Zavyalova, O.P. The broaching interpretation in learning intelligence systems / O.P.Zavyalova, Yu.I.Nechaev // Proceedings of 14th International Conference On Hydro dynamics in Ship Design «HYDRONAV-2001». – Szczecin-Miedzyzdroje, Poland, 2001. – p.253-263.

5. Завьялова, О.П. Интерпретация сложных ситуаций в интеллектуальных системах обеспечения безопасности мореплавания [Текст] / О.П.Завьялова // Сб. трудов конфе ренции молодых ученых и специалистов по морским интеллектуальным технологиям «МОРИНТЕХ-ЮНИОР-2002». – СПб, 2002. – С.83-84.

6. Zavyalova, O. Mathematical modeling of conditions of imitation and development of ex treme situation on irregular waves / O. Zavyalova // Proceedings of third international ship building conference «ISC2002». – St.Petersburg, 2002. – Section B, p.224-228.

7. Zavyalova, O. Maneuverability loss in a broaching regime: the analysis and control of ex treme situation / O.Zavyalova, Yu.Nechaev // Proceedings of 15th International Conference On Hydrodynamics in Ship Design, Safety and Operation «HYDRONAV'2003». – Gdansk, Poland, 2003. – p.201-208.

8. Нечаев, Ю.И. Критерии оценки опрокидывания судна в режиме «брочинг» [Текст] / Ю.И.Нечаев, О.П.Завьялова // Сб. тезисов докладов научно-техн. конференции по проблемам мореходных качеств судов и корабельной гидромеханики «XLI Крылов ские чтения». – СПб, 2003. – С.60-62.

9. Zavyalova, O.P. Criteria basis for estimation of capsizing danger in broaching extreme situation for irregular following waves / O.P.Zavyalova, Yu.I.Nechaev // Proc. of 8th Inter national Conference on Stability of Ships and Ocean Vehicles «STAB’2003». – Madrid, Spain, 2003. – p.25-34.

10. Анищенко, О.П. Анализ сценариев развития экстремальных ситуаций в бортовых интеллектуальных системах [Текст] / О.П.Анищенко // Труды 6-й Международной конференции по морским интеллектуальным технологиям «МОРИНТЕХ-2005». – СПб, 2005. – С.363-366.

11. Завьялова, О.П. Экстремальная ситуация «брочинг»: анализ и критериальные оценки условий «захвата» и опрокидывания судна [Текст] / О.П.Завьялова, Ю.И.Нечаев // Морской вестник. – 2004. – №1(9). – С.87-92.

12. Anischenko, O.P. Modeling of ship dynamics in following waves for various storm sce narios / O.P.Anischenko, Yu.I.Nechaev // Proceedings of 16th International conference on hydrodynamics in ship design, 3rd International symposium on ship maneuvering «HYDMAN». – Gdansk, Poland, 2005. – p.208 – 218.

13. Nechaev, Yu.I. Modeling of ship dynamic on wave use «Kastner – Paulling» conception / Yu.I.Nechaev, O.P.Anischenko // Proceedings of International Ship Stability Work shop. – Istanbul, Turkey, 2005. – p.1 – 8.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.