Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Проектирование и конструкция судов

Диссертационная работа:

Грамузов Евгений Михайлович. Разработка теории и создание практических методов расчета ледовой ходкости, выбора формы корпуса и основных элементов речного ледокола, ориентированных на условия его эксплуатации : диссертация... д-ра техн. наук : 05.08.03 Нижний Новгород, 2006 341 с. РГБ ОД, 71:07-5/420

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

стр.

ВВЕДЕНИЕ 5

1 РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕДОКОЛОВ 12

1.1 Становление и развитие исследований в области проектирования
ледоколов 12

  1. Развитие ледокольного флота 12

  2. Поиски формы корпуса ледоколов 25

  3. Архитектурно-конструктивный тип речных ледоколов 37

  4. Пропульсивные комплексы речных ледоколов 40

1.2 Исследование льда как препятствия судоходству 44

  1. Ледовые условия на внутренних водных путях 44

  2. Математические модели деформирования и разрушения ледяного покрова 48

  3. Некоторые физико-механические характеристики ледяного покрова... 65

1.3 Методы исследования ледовой ходкости 67

  1. Анализ методов оценки сопротивления льда движению судов 67

  2. Физическое моделирование ледовой ходкости 77

1.4 Проблемные вопросы проектирования ледоколов 92

  1. Современное состояние теории проектирования применительно к ледоколу 92

  2. Критерии оптимизации при определении основных проектных характеристик ледоколов 93

  3. Формулирование цели исследований 95

1.5 Резюме 97

2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЛЕДОКОЛА СО ЛЬДОМ 98

2.1 Феноменологические модели взаимодействия корпуса со льдом 98

  1. Взаимодействие корпуса с ледяным покровом 98

  2. Взаимодействие ледокола с обломками льда 101

2.2 Модели деформирования и разрушения ледяного покрова 103

  1. Равновесие ледяной пластины с трещинами 103

  2. Аналитическая модель последовательности образования магистральных трещин в ледяном покрове 105

  3. Численная модель образования трещин в ледяном покрове 108

  4. Критерии определения предельной разрушающей нагрузки 113

2.3 Экспериментальные исследования разрушения ледяного покрова 117

  1. Методика проведения экспериментальных исследований 117

  2. Результаты испытаний и их анализ 122

2.4 Физическое моделирование взаимодействия корпуса со льдом 133

  1. Теоретические аспекты моделирования 133

  2. Моделирование в естественном льду 135

  3. Модель ледяного покрова композитной конструкции 140

2.5 Резюме 142

3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛЕДОВОЙ ХОДКОСТИ 143

3.1 Непрерывное движение ледокола в сплошном льду 143

  1. Анализ составляющих ледового сопротивления 143

  2. Сопротивление ледокола связанное с разрушением сплошного льда.... 146

  3. Сопротивление обломков льда при движении в сплошном ледяном

поле 154

  1. Сопротивление снега при движении ледокола 158

  2. Чистое ледовое сопротивление 166

  3. Автоматизированный расчет коэффициентов формы корпуса ледокола 167

  4. Полуэмпирический метод расчета сопротивления в сплошном льду.... 171

  5. Критерии оценки качества обводов ледокола с точки зрения сопротивления сплошного льда 176

  6. Анализ форм корпуса современных речных ледоколов 177

3.2 Теоретико-экспериментальная модель работы ледокола набегами 181

  1. Теоретический расчет средней скорости движения ледокола набегами 181

  2. Настройка расчетного метода на данные натурных испытаний 190

3.3 Резюме 205

4 ОБОСНОВАНИЕ ТЕОРИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕДОКОЛА 206

4.1 Математическая модель проектирования речного ледокола 206

  1. Структура математической модели проектирования 206

  2. Исходные данные и допущения при построении математической модели 207

  3. Аналитические уравнения проектирования 209

  4. Анализ нагрузки и составляющих уравнения масс речного ледокола... 210

  5. Уравнения ходкости и характеристики теоретического чертежа ледокола 218

  6. Ограничения оптимизируемых параметров 219

  7. Выбор дополнительных параметров математической модели 222

4.2 Технико-экономическое обоснование проектных характеристик 224

  1. Анализ вариантов технических заданий на проектирование 224

  2. Схематизация ледовых условий при проектировании 225

  3. Обоснование критериев оптимизации 228

  1. Обоснование выбора оптимизируемых параметров 232

  2. Обоснование метода оптимизации 234

4.3 Вычислительные схемы и алгоритмы оптимизации 235

  1. Генерирование теоретического чертежа носового заострения 235

  2. Генерирование теоретического чертежа судна 245

  3. Расчет параметров формы корпуса, влияющих на ледовую ходкость... 248

  4. Расчеты ходкости в различных ледовых условиях и определение характеристик пропульсивного комплекса 252

  5. Проверочные расчеты остойчивости судна 257

  6. Алгоритм определения основных элементов ледокола 257

  7. Интерактивный режим работы с пакетами прикладных программ 259

4.4 Резюме 263

5 ПРИКЛАДНЫЕ ЗАДАЧИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЛЕДОКОЛА 264

5.1 Влияние формы корпуса и основных элементов ледокола на его
ледокольные качества 264

  1. Сравнительный анализ оптимальных элементов проектируемых ледоколов с существующими судами на основе критериев оптимизации 264

  2. Влияние ледовых условий на выбор проектных характеристик ледокола 269

  3. Оценка влияния на критерий оптимизации отдельных проектных характеристик 275

  4. Выбор проектных характеристик ледокола в случае неоднозначного решения задачи оптимизации 282

  5. Выбор проектных характеристик ледокола в случае его работы в тяжелых льдах 285

5.2 Оптимизация тактики движения ледокола в тяжелых льдах 290

  1. Расчет оптимального маневрирования при работе ледокола набегами.. 290

  2. Влияние ледовых условий на работу ледокола набегами 296

  3. Оценка эффективности оптимальной тактики работы набегами 304

  4. Программно-аппаратный комплекс оптимизации работы ледокола набегами 309

5.3 Резюме 312

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 313

ЛИТЕРАТУРА 316

Введение к работе:

Наиболее универсальным средством продления навигации и борьбы с ледовыми затруднениями является ледокольный флот. За более чем полутора вековую историю его развития в значительной мере претерпели изменение ледокольные концепции, накоплен значительный опыт проектирования ледоколов. В этих процессах важную роль играли теоретические и экспериментальные исследования, обобщение опыта эксплуатации ледоколов. Тем не менее, анализ показывает, что в настоящее время не существует научно обоснованной методики проектирования ледоколов. Выполненные ранее исследования в этой области, как правило, касались отдельных вопросов проектирования. Для отработки формы обводов вновь проектируемых ледоколов проводятся дорогостоящие модельные испытания, при проведении которых поиск «оптимальной» формы ведется методом проб и ошибок и неизбежно зависит от субъективных факторов. При этом форма корпуса оказывается не увязанной с другими обще проектными характеристиками.

Методы теории проектирования, разработанные на базе транспортных судов, при приложении к ледоколам оказываются не эффективными из-за значительной специфики функционирования ледокола как судна и ее связи с формой корпуса ледокола. Поэтому построение математических моделей в форме теории, связывающей проектные характеристики судна с его эксплуатационными показателями на базе уравнений и методов теории проектирования, является актуальной. Это позволит создавать эффективный ледокольный флот, уменьшая затраты на проектные работы, модельные исследования и эксплуатацию ледоколов.

В настоящей работе значительное внимание уделено разработке методов расчёта ледовой ходкости, позволяющих детально учитывать форму корпуса ледокола, рассматриваются вопросы выбора главных размерений и формы корпуса речного ледокола. Этот выбор осуществляется путём оптимизации на основе математической модели проектирования ледокола.

В качестве объектов приложения теории, учитывая широту рассматриваемой предметной области, выбраны речные ледоколы т. к. с ними связаны основные теоретические и экспериментальные исследования автора и накоплен необходимый фактический материал.

Структурно-логическая схема диссертационного исследования приведена на рис. В1.

Работы по изучению влияния формы корпуса ледокола на его ледоразрушающую способность проводятся в Нижегородском государственном техническом университете в рамках госбюджетной программы "Разработка энергосберегающих средств и технологий разрушения льда и продления навигации". Настоящая работа является составной частью планов научно-исследовательской работы факультета морской и авиационной техники и университета.

Цель работы. Обоснование теории проектирования и создание практических методов оптимального выбора формы корпуса и основных элементов речного ледокола, ориентированных на условия его эксплуатации.

Объекты исследования. В качестве объектов исследования выбраны:

- среда функционирования речных ледоколов;

- процесс разрушения ледяного покрова ледоколом;

сопротивление льда движению ледокола;

динамика поступательного движения ледокола;

проектные характеристики ледокола;

- ледокол и ледяной покров как элементы системы;

Задачи и методы исследования. Для достижения целей работы решались следующие задачи:

расчета напряженного состояния, характеристик деформирования и разрушения ледяного покрова;

определения сопротивления льда движению ледокола;

расчета динамики поступательного движения ледокола;

оптимизации тактики движения ледокола;

обоснования критериев оптимизации проектных характеристик на основе анализа ледовых условий;

определения составляющих уравнения масс на основе статистического анализа нагрузки судов-прототипов;

построения математических моделей теории проектирования речного ледокола;

В теоретических исследованиях использовались элементы системного подхода, дифференциальные уравнения, дифференциальная геометрия, математическое моделирование, математическая статистика, матричная алгебра, численные методы, теория изгиба пластин, методы динамики твердого тела, вариантный метод оптимизации. Для реализации задач работы использовались компьютерные пакеты: Delphi, Lisp, MathCAD, Math lab.

Экспериментальные исследования проводились в натурных условиях с использованием регрессионного анализа, модельного эксперимента с применением теории подобия.

Научную новизну работы составляют:

системный анализ среды функционирования и эволюции речных ледоколов;

функциональные связи основных кинематических, силовых и энергетических характеристик разрушения ледяного покрова и методы их расчета;

математическая модель взаимодействия ледокола со льдом;

метод расчета ледового сопротивления;

методы пересчета ледового сопротивления с прототипа и физической модели;

метод оценки качества ледокола с помощью коэффициентов формы корпуса, характеризующих его ледовую ходкость;

динамическая модель поступательного движения ледокола;

метод расчета параметров движения ледокола набегами;

математическая модель определения основных элементов и формы корпуса ледокола;

структурно-функциональная модель программно-аппаратного комплекса маневрирования ледокола при движении набегами.

Практическая ценность заключается в разработке методов расчета ледовой ходкости ледоколов, методики определения основных элементов и формы корпуса ледокола и пакета прикладных программ которые используются в проектных и научно-исследовательских организациях. Пакеты прикладных программ имеют ориентированный на конструктора-исследователя интерфейс. Показана зависимость оптимальной формы корпуса ледокола от ледовых условий в районе его

эксплуатации. Показано влияние проектных характеристик ледокола на экономические показатели его работы. Результаты исследований использованы в научно-исследовательских работах, выполненных в НГТУ. Расчётные методики внедрены в ФГУП ГНЦ РФ «Центральный научно-исследовательский институт имени академика А.Н. Крылова», ОАО «Центральное конструкторское бюро «Айсберг», ОАО Судостроительный завод «Северная верфь». Результаты исследований внедрены в учебный процесс НГТУ в курсовом и дипломном проектировании и при чтении курса «Взаимодействие судов со льдом».

Основные положения, выносимые на защиту.

Из теоретических разработок - методы расчета характеристик разрушения ледяного покрова, методы расчета ледовой ходкости, математическая модель определения основных элементов и формы корпуса ледокола, метод расчета движения ледокола набегами.

Из научно-методических разработок - обоснование выбора основных элементов и формы корпуса ледокола, оценка влияния ледовых условий в районе эксплуатации на оптимальную форму корпуса ледокола, оценка влияния проектных характеристик ледокола на экономические показатели его работы, обоснование программно-аппаратного комплекса маневрирования ледокола при работе набегами.

Из научно-технических разработок - методы расчета ледовой ходкости ледоколов, методики определения основных элементов и формы корпуса ледокола и пакеты прикладных программ которые могут использоваться в проектных и научно-исследовательских организациях. Методика расчета оптимального маневрирования ледокола при работе набегами.

Достоверность результатов. Основные теоретические положения и исходные допущения характеризуются непротиворечивостью, подтверждены натурными данными и модельными экспериментами. Расчетные методы и пакеты прикладных программ тестировались с использованием данных по построенным ледоколам.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных, всероссийских и региональных конференциях:

- по физике и механике льда 1983, 1988 гг., Москва;

"Крыловские чтения" 1979, 1987, 1991, 1993, 1995, 1999, 2001, 2003гг., С. -Петербург;

по экспериментальной гидродинамике 1978 г., Новосибирск, 1980 г., Севастополь, 1984 г., Одесса;

"Основные направления развития судов и плавучих сооружений на ближайшую перспективу", 1980, 1984 гг., Ленинград;

"Проблемы создания новой техники для освоения шельфа", 1982, 1985,

1987 гг., Горький;

"Высшая школа России и конверсия", 1993г., Москва;

на IV Всероссийский конференции "Динамика и термика рек, водохранилищ», внутренних и окраинных морей, 1994 г., Москва;

на V1II-XVI научно-технических конференциях "Очередные задачи речного судостроения", Горький, (1977 - 1987 гг.);

на конференциях "Проблемы и технические средства продления навигации на внутренних водных путях", 1983, 1985, 1991 гг., Горький;

на научно-технических конференциях "Бубновские чтения", 1978, 1983,

1988 гг., Горький;

на VIII-X1 научно-технических конференциях по учету особенностей при проектировании судов Дальневосточного бассейна, Владивосток;

по технологии портов и океанов в Арктических условиях РОАС-91 Канада, РОАС-95 Россия;

POLARTECH-94, Лулеа, Швеция, 1994 г.;

IAHR-94, Тронхейм, Норвегия, 1994 г.;

"Военно-морской флот и судостроение в современных условиях", С. -Петербург, 1996 г.;

на конференции "3-я международная конференция по морским интеллектуальным технологиям", 1999 г., Санкт-Петербург.;

на конференции "Обеспечение безопасности плавания судов", май 1999, Нижний Новгород;

на всероссийских конференциях «Современные технологии в кораблестроительном образовании, науке и производстве», 2002, 2006 гг., Нижний Новгород;

- на научно-технических конференциях Нижегородского государственного технического университета и Волжской государственной академии водного транспорта.

За монографию Ионов Б.П., Грамузов Е.М. Ледовая ходкость судов. - СПб.: Судостроение. 2001. -512с. Институтом морского инжиниринга, науки и технологий (ИМИНТ, Лондон) присуждена премия присуждена премия Стенли Грея (Stanley Gray Award) за 2002 год.

Диссертационная работа рассмотрена и одобрена на расширенном заседании кафедры "Кораблестроение и океанотехника" Нижегородского государственного технического университета.

Публикации. По теме диссертации опубликовано в открытой печати 75 работ, из них 2 монографии, учебное пособие, 5 свидетельств на изобретения.

Настоящая диссертационная работа выполнена при содействии зав. кафедрой "Кораблестроение и океанотехника", д.т.н., профессора В.А.Зуева. Автор выражает ему глубокую признательность за помощь и создание благоприятных условий для выполнения всей работы. Работа обсуждалась с доцентами Ю.А. Двойченко, Н.В. Калининой, Н.Е. Тихоновой и д.т.н. Б.П. Ионовым. Автор благодарен им за участие и ценные предложения.

ОБЩИЕ

НАПРАВЛЕНИЯ

ТЕХНИЧЕСКОГО

ПРОГРЕССА

СОЗДАНИЕ

ЛЕДОКОЛЬНОГО

ФЛОТА НОВОГО

ПОКОЛЕНИЯ

Создание расчетных

методов и обоснование

теории проектирования

ледоколов

Анализ эффективности расчетных методов и проблем проектирования

Анализ истории

развития

ледокольного

флота

Анализ моделей

взаимодействия

корпуса ледокола

со льдом

Анализ методов

расчета ледовой

ходкости

Анализ проолем

проектирования

речных

ледоколов

Формирование путей решения проблем, цели и задачи исследований

Обоснование методов расчета ледовой ходкости

Обоснование теоретических зависимостей проектирования ледоколов

z:

Эксперимент

альные

исследования

разрушения

ледяного

покрова

иооснование

моделей

разрушения и

деформирова

ния ледяного

покрова

*

Теоретическая

оценка усилии

действующих на

корпус ледокола

Физическое

моделирование

взаимодействия

корпуса со льдом

Анализ данных натурных испытании речных ледоколов

^азраоотка метода расчета ледового сопротивления "

Разработка метода-

расчета работы ледокола набегами

критерии оптимизации

Анализ технического задания на проектирование

иооснование

составляющих

уравнения

масс

иооснование

набора аналитических

уравнении проектирования

Создание (синтез) теоретических основ

определения основных характеристик и

формы корпуса ледокола

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Прикладные задачи эксплуатации ледокола

Прикладные задачи проектирования ледокола

Методика определения

энергосберегающих режимов

работы ледокола

Анализ влияния соотношений размерений и формы корпуса на эффективность ледокола

Обоснование системы автоматизации управлением

Методики определения основных элементов и формы корпуса

Пакеты прикладных программ

Рис. В1 Структурно-логическая схема диссертационного исследования

Подобные работы
Шканов Игорь Николаевич
Прогнозирование влияния мелководья на сопротивление льда при проектировании формы корпуса речного ледокола
Чернышев Андрей Владимирович
Создание теории рабочих процессов, методов расчета и разработка оборудования для ПЦР-диагностики
Апполонов Евгений Михайлович
Решение проблем обеспечения прочности судов ледового плавания и ледоколов в условиях круглогодичной эксплуатации в Арктике
Соловьев Дмитрий Евгеньевич
Разработка метода диагностирования дизеля в условиях эксплуатации с использованием неустановившихся режимов работы
Муравьев Максим Витальевич
Разработка методики неразрушающего контроля рельсов в условиях эксплуатации на основе анализа формы и энергетических характеристик сигналов акустической эмиссии
Студенников Геннадий Владимирович
Разработка научных рекомендаций по выбору рациональных условий эксплуатации спиральных сверл
Мочалова Светлана Владимировна
Разработка методики комплексной оценки экологических характеристик тепловозов в условиях эксплуатации
Высоцкий Василий Павлович
Исследование и разработка требований и средств обеспечения безопасной эксплуатации тиристорных преобразователей в условиях угольных шахт
Шаповал Борис Григорьевич
Анализ условий эксплуатации и работоспособности подшипников качения машин сельскохозяйственного назначения для разработки научных основ метода расчета их долговечности
Денисов Илья Владимирович
Разработка методики управления техническим состоянием рулевого управления переднеприводных автомобилей ВАЗ в условиях эксплуатации

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net