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
Теория корабля

Диссертационная работа:

Дегтярев Александр Борисович. Методология анализа и прогноза мореходных качеств судов на основе высокопроизводительных компьютерных технологий : диссертация ... доктора технических наук : 05.08.01, 05.13.18 / С.-Петерб. гос. мор. техн. ун-т.- Санкт-Петербург, 2004.- 450 с.: ил. РГБ ОД, 71 07-5/579

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Введение 8

Глава 1. Современные компьютерные технологии в задачах исследования мореходных качеств судов.

1.1 Особенности задач динамики судов на волнении, подходы и методы их решения 12

1.2 Аналитический обзор 14

1.3 Концепция и подход 31

1.4 Постановка задачи 39

1.5 Цель работы. Ее построение и основное содержание 42

Глава 2. Методы и модели анализа и прогноза динамики ветроволновых возмущений

2.1 Математическая формулировка задачи 50

2.2 Математическая модель трехмерного нерегулярного волнового поля на участке квазистационарности 53

2.3 Математическое моделирование сценариев волновой погоды 76

2.4 Прогнозирование экстремальных внешних возмущений 104

2.5 Программный комплекс генерации ветроволновых возмущений 115

Глава 3. Методы и модели анализа и прогноза динамики взаимодействия судна с внешней средой

3.1 Математическая формулировка задачи 126

3.2 Математические модели анализа динамики взаимодействия судна с внешней средой 130

3.3 Математические модели прогноза поведения неповрежденного судна под воздействием случайных возмущений 151

3.4 Математические модели прогноза поведения поврежденного судна под воздействием случайных возмущений 173

3.5 Оценка адекватности математических моделей 191

3.6 Вычислительный комплекс моделирования динамики взаимодействия судна с внешней средой 201

Глава 4 Практические приложения методов анализа и прогноза мореходных качеств судов в задачах исследовательского проектирования и бортовых компьютерных системах

4.1 Особенности существенно нелинейной бортовой качки судна на нерегулярном волнении 205

4.2 Устойчивость параметрических колебаний на нерегулярном волнении 212

4.3 Динамика поврежденного судна при различных сценариях развития аварии 223

4.4 Особенности нелинейной вертикальной качки ПА на асимметричном нерегулярном волнении 240

4.5 Качественное моделирование качки поврежденного судна 256

4.6 Определение зон для безопасных операций в условиях нерегулярного волнения 268

Глава 5. Практическая реализация бортовых компьютерных систем анализа и прогноза мореходных качеств судов.

5.1 Методологические основы создания компьютерных систем управления и обучения 276

5.2 Критериальный базис 286

5.3 Системы обеспечения мореходных качеств судов 299

5.4 Планирование эксперимента 316

5.5 Использование высокопроизводительных компьютерных технологий при организации бортовых вычислительных систем (аппаратное обеспечение) 327

5.6 Использование высокопроизводительных компьютерных технологий при организации бортовых вычислительных систем (программное обеспечение) 341

Заключение 359

Литература 361

Приложения

Приложение 1. Развитие понятия климатических спектров 386

Приложение 2. Оценка погрешности алгоритма восстановления ускорений при бортовой качке 396

Приложение 3. Процедура восстановления давлений под поверхностью нерегулярных волн 405

Приложение 4. Оценивание функций распределения и моментных характеристик элементов качки в бортовых ИС 412

Приложение 5. Искусственные нейронные сети и их применение в задачах непотопляемости судна 416

Приложение 6. Варианты архитектуры кластерных решений БВК 423

Приложение 7. Вывод выражения для ускорения кластерной системы 426

Приложение 8. Практические модели прогноза и контроля динамических характеристик судна и внешней среды 428

Приложение 9. Тестирование систем «Мореходность» и «Непотопляемость» для танкера DW=28400 т 433

Приложение 10. Создание синхронных реализаций случайных волновых ординат и

угла волнового склона 442  

Введение к работе:

Современный этап развития судостроения знаменуется бурной интеграцией идей и методов исследования. На основе этих достижений создаются новые образцы морской техники, отличающиеся чрезвычайной сложностью, расширением круга решаемых задач и диапазоном эксплуатационного использования. Этой техникой становится все труднее управлять и принимать правильные решения при возникновении опасных ситуаций. Цепь морских катастроф, выпавших на долю XX века, постоянно напоминает нам об ошибках и просчетах, допущенных человеком при эксплуатации судов и плавучих технических средств освоения океана. Анализ аварий судов свидетельствует о том, что значительная их доля связана не только с действием «непреодолимых сил природы», но и незнанием фактических показателей мореходности в штормовых условиях. Поэтому проблема обеспечения безопасности мореплавания во все времена сохраняется актуальной. И в этой проблеме важную роль играет система «человек - судно». Возросшее влияние человеческого фактора обусловливает необходимость учета требований к безопасности не только на этапе проектирования и постройки, но и в процессе эксплуатации судов.

Динамика судна на волнении - одна из сложных проблем, связанных с исследованием взаимодействия судна с внешней средой в штормовых условиях. Неопределенность исходной информации и неполнота данных о физических картинах взаимодействия приводят к необходимости всестороннего изучения особенностей поведения судна на волнении как существенно нелинейной динамической системы при различном уровне внешних возмущений. Сложность проблемы, чрезвычайное разнообразие, а иногда и противоречивость требований к различным мореходным качествам значительно осложняют решение практических задач в условиях неопределенности внешних сил и нагрузки судна.

Исследования мореходных качеств выполняются на основе анализа динамики судна, находящегося под воздействием вызванных ветром и волнением гидроаэродинамических сил. Эти силы определяются интегрированием напряжений по поверхности взаимодействия судна с окружающей средой. Турбулентность воздушного потока и сложное движение волновых систем сообщают полям напряжений трудно предсказуемый, случайный характер. Это требует разработки новых подходов, обеспечивающих надежные методы анализа и прогноза мореходных качеств судов в бортовых вычислительных комплексах (БВК), обеспечивающих поддержку принятия решений по обеспечению безопасности мореплавания и в исследовательском проектировании. Существующие методы оценки мореходных качеств развиваются на фоне возрастающих возможностей вычислительной техники. Это открывает перспективы широкого использования методов математического моделирования поведения судна в условиях непрерывного изменения внешней среды. Сложность процессов взаимодействия судна с волнением и ветром, разнообразие физических картин и отсутствие надежных математических описаний динамики судна на волнении подчеркивает актуальность постановки задачи исследования поведения судна в различных ситуациях с использованием методов математического моделирования на основе современных вычислительных средств.

Важную роль при оценке мореходных качеств в задачах безопасности мореплавания и принятия решений играет человеческий фактор. Возникающие ошибки определяются как следствие снижения бдительности, интеллекта или профессиональной мыслительной способности, либо как феномен, на который оказывают влияние индивидуальные особенности и темперамент.

Учет человеческого фактора имеет большое значение при разработке бортовых вычислительных комплексов анализа и прогноза мореходных качеств судов в задачах обеспечения безопасности мореплавания. Одна из основных функций интегрированного бортового комплекса - система интеллектуальной поддержки судоводителя, предназначенная для предоставления судоводителю уникальных данных, которые не могут быть получены на основе имеющейся на судне технической документации. На основе этих данных система осуществляет анализ ситуации и выдает практические рекомендации по управлению судном в сложной гидрометеорологической обстановке. Реакция системы связана с решением сложных технических проблем анализа и интерпретации данных динамических измерений и имитационного моделирования динамики взаимодействия судна с внешней средой в различных условиях эксплуатации.

Изучению особенностей такого взаимодействия и разработке методов анализа и прогноза мореходных качеств судов на основе современных компьютерных технологий посвящено настоящее исследование.

В настоящее время применение вычислительной техники в морском и речном флоте нашей страны обычно ограничивается использованием персональных компьютеров (ПК) INTEL совместимой архитектуры. Такая ориентация препятствует внедрению сложных бортовых комплексов в отличие, например, от флотов стран НАТО, где давно и эффективно применяются многопроцессорные и векторные компьютеры.

Необходимость применения высокопроизводительной вычислительной техники в БВК диктуется следующими причинами и условиями: • Проведение быстрых расчетов. Возможно несколько условий, при которых ускорение расчетов в БВК становится критическим. Это, во-первых, фактор реального времени, когда результаты расчетов, анализа и прогноза ситуации должны быть получены не позже определенного момента. Получение результата с опозданием теряет смысл и делает функционирование БВК не нужным. Во-вторых, это проведение сложных расчетов, призванных повысить эффективность работы БВК и точность анализа и прогноза ситуации. Без применения высокопроизводительной вычислительной техники сегодня не мыслимы расчеты исследовательского проектирования и решение задач в «тяжелых» САПР (Fluent, Nastran и др.). Из рассматриваемых в области мореходности классов задач, ориентированных на реализацию высокопроизводительной техники, необходимо выделить гидродинамические расчеты, стохастическое (имитационное) моделирование (метод Монте-Карло), воспроизведение реализаций динамических процессов большой длительности, моделирование множества параллельных сценариев развития ситуации и др. Трудно переоценить важность использования высокопроизводительной техники в полнофункциональных тренажерах, которые в последние годы получают широкое распространение.

• Системы высокой готовности и резервирования. Работа БВК преимущественно протекает в сложных условиях эксплуатации, в которых вероятность отказа вычислительной техники существенно повышается по сравнению с «лабораторными» условиями. Резервирование персональной вычислительной техники оказывается неэффективной, поскольку при выходе из строя или сбое одного из вычислительных узлов обрабатываемая информация не должна пропасть, а переход на резервный модуль должен произойти без урона для решения главной задачи. Поступление информации в БВК и ее обработка производится по мере необходимости и в зависимости от характера текущей ситуации. Поэтому для работы в режиме реального времени система должна находится в состоянии высокой готовности. Опыт показывает, что такие системы должны основываться либо на специализированных компьютерных решениях, либо на высокопроизводительной вычислительной технике.

• Обработка и ассимиляция большого объема информации. Одной из важнейших функций бортового комплекса является сбор и обработка информации от внешних источников (датчики, диалог с оператором, взаимодействие программных средств, другие источники информации). Для эффективной работы БВК вся поступающая информация должна усваиваться системой, использоваться в процессе принятия решений, обеспечивающих выработку рекомендаций и управляющих воздействий, своевременную реакцию для предотвращения негативного развития ситуации. Количество каналов поступления информации в БВК по разным оценкам варьируется от 5 до 10, а в интегрированных комплексах оно может значительно возрасти. Подобная ситуация наблюдается и в полнофункциональных тренажерах. Применение однопроцессорной техники, тем более INTEL архитектуры, отличающейся небольшим количеством магистралей, не дает возможность параллельного усвоения информации, проведения сложных расчетов и выработки рекомендаций. Другим важным приложением является использование большого объема информации, накопленной в процессе функционирования системы: поиск в архиве, поиск по прецеденту, восстановление ассимилированной информации, др.

Важную, а часто определяющую, роль играет обработка графической информации, и визуализация сложных динамических сцен в реальном времени. Современные компьютерные средства обработки и отображения графической информации в бортовых комплексах и тренажерах основываются на специализированных высокопроизводительных компьютерах с различными графическими процессорами (текстурные, растровые, векторные и пр. конвейеры). 

Подобные работы
Матлах Александр Петрович
Научные основы повышения надежности судов ледового плавания с использованием комплексной системы мониторинга параметров прочности и вибрации
Поляков Виктор Исаакович
Решение проблемы улучшения вибрационных условий обитаемости на судах и обеспечение требований санитарных норм вибрации на основе использования и совершенствования компьютерных методов и средств численного анализа колебаний корпусных конструкций
Францев Игорь Робертович
Методологические основы процессов управления техническим обеспечением судов на основе новых информационных технологий
Курников Александр Серафимович
Совершенствование систем обеспечения обитаемости и повышение экологической безопасности судов на основе активированных окислительных технологий
Слепченко Петр Михайлович
Методы и средства навигационного обеспечения воздушных судов и управления воздушным движением на основе спутниковых технологий
Панкратов Андрей Адольфович
Технология технической диагностики главных редукторов рыбопромысловых судов на основе анализа вибрации и содержания продуктов износа в масле
Гаврилина Ольга Алексеевна
Информационное обеспечение и методология проектирования оптических приборов и систем на основе технологий информационной поддержки изделий
Силич Мария Петровна
Информационная технология разработки целевых программ на основе объектно-ориентированной методологии моделирования
Щёлоков Юрий Викторович
Основы технологии переработки модифицированных магнитопластов на основе Nd-Fe-B в изделия
Чечулин Дмитрий Валентинович
Основы технологии полимерных композиционных материалов на основе модифицированных нефтяных битумов

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