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:

Сазонов Кирилл Евгеньевич. Управляемость судов во льдах: методы определения ледовых сил, действующих на движущийся по криволинейной траектории корпус, и зависимости показателей поворотливости судов от характеристик корпуса и внешних условий : диссертация ... доктора технических наук : 05.08.01 / Гос. науч. центр РФ.- Санкт-Петербург, 2004.- 285 с.: ил. РГБ ОД, 71 07-5/554

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 4

Глава 1 Общие сведения о ледовой управляемости судов 9

§ 1.1 Обзор работ по ледовой управляемости судов 9

§ 1.2 Анализ результатов натурных исследований управляемости судов в ледовых условиях 26

§ 1.3 Цели и задачи работы 37

Глава 2 Математические модели ледовых сил и момента, действующих на корпус судна при произвольном криволинейном движении в ледовых условиях 42

§ 2.1 Методологические основы построения математических моделей 42

§ 2.2 Интегральная модель 62

§2.3 Дифференциальная модель 71

§ 2.4 О возможности использования автономных математических моделей движения судна 75

§ 2.5 Применение регрессионных зависимостей для описания ледовых сил и момента 84

Глава 3 Экспериментальные методы определения ледовых сил и момента 89

§3.1 Косвенные методы определения ледовых воздействий на корпус по данным натурных и модельных экспериментов 89

§ 3.2 Способ экспериментального определения ледовых сил и момента, действующих на криволинейно движущуюся модель в ледовом опытовом бассейне 100

Глава 4 Движение судна на циркуляции в ледовых условиях 104

§ 4.1 Уравнения движения судна 104

§ 4.2 Установившееся движение судна 109

§ 4.3 Закаливаемость ледокола в кромку ледового канала 115

Глава 5 Теория разворота судна на месте и способом "елочка" 120

§5.1 Другие способы разворота судна во льдах 120

§ 5.2 Разворот способом "елочка" 123

§ 5.3 Поворот судна на месте 130

Глава 6 Устойчивость движения судна в ледовых условиях 140

§6.1 Устойчивость прямолинейного движения судна в сплошных льдах (линейный подход) 140

§ 6.2 Устойчивость движения в сплошных ровных льдах (нелинейный подход) 150

§ 6.3 Устойчивость движения судов при ударных нагрузках на корпус 156

Глава 7 Влияние внешних условий на характеристики управляемости судов во льдах 167

§ 7.1 Влияние ветра на ледовую ходкость и управляемость 167

§ 7.2 Влияние мелководья итечения 174

§7.3 Влияние характеристик ледяного покрова 182

Глава 8 Анализ влияния характеристик корпуса судна на параметры ледовой управляемости 190

§ 8.1 Влияние формы корпуса и главных размерений 190

§ 8.2 Влияние типа движительно-рулевого комплекса 213

Глава 9 Прикладные задачи теории управляемости судов во льдах 223

§ 9.1 Швартовка судов в ледовых условиях 223

§ 9.2 Математическая модель движения на циркуляции при буксировке судов вплотную 251

Заключение 264

Приложение 268

Литература 271 

Введение к работе:

Одним из важнейших направлений деятельности Российского государства за все время его существования было проведение политики освоения и экономического развития районов Крайнего Севера, Чукотки и Дальнего Востока. В этих областях России сосредоточены огромные запасы леса, пушнины, промышленного сырья, энергетических ресурсов, драгоценных и цветных металлов и т.д. Вовлечение этих материально-сырьевых ресурсов в оборот народного хозяйства является важной задачей. Особенно актуальной в настоящее время стала разработка нефтегазоносных месторождений, расположенных на шельфе арктических морей. Для эффективного решения этих задач необходимо развитие арктической транспортной системы, приспособленной для эффективного функционирования в сложных гидрометеорологических условиях. Создание таких транспортных систем предусмотрено в недавно разработанной "Концепции развития Северного морского пути (СМП)", которая определяет на период до 2015 г. цели, принципы и основные направления стабилизации и устойчивого развития СМП [59]. В этой концепции подчеркивается, что "СМП - это единственный и экономически реалистичный путь к природным кладовым российского Севера, Сибири и Дальнего Востока".

Главенствующая роль в системе транспортного обеспечения Арктики принадлежит морскому и речному флотам, осуществляющим перевозку грузов по трассе СМП и по впадающим в Северный Ледовитый океан рекам. Костяк арктического морского флота составляют специализированные суда: ледоколы и транспортные суда с различной степенью ледового усиления корпуса. Навигацию на реках проводят речные ледоколы, спроектированные с учетом особенностей их работы на мелководье. Существующий в настоящее время ледокольный флот (морской и речной) позволяет решить такие важные задачи, как круглогодичная навигация в Западном секторе Арктики, выполнение снабженческих рейсов в зимних условиях, продление навигации на реках. Особо следует отметить такие морские операции как достижение Северного полюса ледоколами типа "Арктика" и высокоширотный рейс а/л "Сибирь" с дизель-электроходом "Капитан Мышевский".

Успехи в деле транспортного освоения Арктики достигнуты благодаря огромной работе отечественных ученых и инженеров - специалистов в области ледоколостроения и ледовых качеств судов. В их трудах сформулированы основные требования, предъявляемые к судам, эксплуатирующимся в ледовых условиях, определены подходы, позволяющие удовлетворить этим требованиям. В рамках теории корабля и строительной механики корабля развивается новое направление - теория и прочность ледокольного корабля, которое все более приобретает статус самостоятельной технической науки.

Такое обособление определяется двумя главными причинами: появлением новых технических объектов - ледоколов, обладающих необычными свойствами по сравнению с традиционными судами, и специфическая природная среда, в которой они используются. История науки показывает, что в подобных случаях всегда происходит формирование новой технической дисциплины [78]. Из истории также известно, что становление новой науки происходит в течение более или менее длительного периода времени. Для того, чтобы новая дисциплина могла претендовать на самостоятельность внутри нее должны сложиться теоретическое, экспериментальное и прикладное направления исследований [78]. Можно констатировать, что в настоящее время теория ледокольного корабля имеет все три составляющие. Более того, на ее развитие начинают оказывать влияние внутренние факторы, обусловленные логикой развития самой науки. В этом отношении ярким примером является предложенная академиком Ю.А.Шиманским математическая модель ледового сопротивления судна, разработанная для коррекции результатов испытаний в ледовом опытовом бассейне [144]. Позже эта модель была использована и для определения сопротивления проектируемых судов [57].

Центральной проблемой теории ледокольного корабля является вопрос об определении ледового воздействия на корпус судна. Выбор главных размерений проектируемого судна, формы обводов его корпуса, мощности главных двигателей, типа и размещения движительно-рулевого комплекса, рациональное назначение категории ледовых усилений корпуса невозможно осуществить без знания величины ледовой нагрузки и закономерностей ее изменения. За годы развития ледоколостроения наибольший прогресс был достигнут в разработке методик определения ледового сопротивления корпуса, а также назначения расчетных ледовых нагрузок, обуславливающих ледовую прочность судна.

Первые работы по теории ледового сопротивления судна были выполнены в конце прошлого века русскими инженерами Р.И.Рунебергом и В.И.Афанасьевым. Существенное влияние на последующее развитие учения о движении судов во льдах оказали работы С.О.Макарова, выполненные им во время проектирования и первых эксплуатационных рейсов ледокола "Ермак", а также теоретический анализ А.Н.Крылова экспериментальных данных, полученных при натурных и модельных испытаниях этого ледокола.

Крупный вклад в изучение взаимодействия судна с ледовым покровом внесли русские ученые и инженеры. Развитию различных сторон теории движения судов во льдах посвящены работы Ю.А.Шиманского, И.В.Виноградова, В.И.Каштеляна, Д.Е.Хейсина, В.А.Зуева, В.А.Тронина, Б.П.Ионова, Е.М.Грамузова, Д.Д.Максутова, А.Я.Рывлина, А.В.Бронникова, Г.М.Коваля, В.С.Шпакова, Ю.Н.Алексеева, Е.М.Апполонова, З.Б.Сегала, Л.Г.Цоя и др. Из зарубежных авторов, проводивших исследования в этой области необходимо отметить В. Милано, Э. Энквиста, И. Левиса, Р. Эдвардса, Й.Шварца, Ж.-П.Татинкло, А.Ассура, А.Аткинса, И.Ишибаши, А. Кейнонена, Г.Тимко и П.Валанто и др.

Разработка метода физического моделирования движения судна в ледовых условиях в ледовом опытовом бассейне открыла новую страницу в изучении особенностей движения судна во льдах. Основополагающую роль в развитии этого научного направления сыграли работы Ю.А.Шиманского, Л.М.Ногида, В.ВЛаврова и И.И.Позняка. Дальнейшее усовершенствование методик проведения модельных испытаний и способов приготовления моделированного льда было осуществлено совместными усилиями специалистов многих стран мира.

Совместное использование теоретических расчетов и данных модельного эксперимента позволило обеспечить проектирование ледоколов и судов ледового плавания с позиций ледовой ходкости и прочности. Однако по мере наращивания ледокольного флота и накопления данных о его работе в различных ледовых условиях, было установлено, что для обеспечения безопасной и эффективной эксплуатации важную роль играет еще одно ледовое качество судна - ледовая управляемость.

Ледовая управляемость является одним из важнейших ледовых качеств судов. Она определяет возможность выполнения судном различных маневров при движении во льдах и, следовательно, возможность выполнения судном своего функционального назначения. Тем не менее, изучению этого качества специалистами по теории ледоколов не уделялось достаточного внимания. При проектировании судна требования, предъявляемые к ледовой управляемости, обычно не формулировались, а характеристики поворотливости и маневренности определялись при натурных испытаниях в ледовых условиях. Способы выполнения маневров во льдах развивались капитанами при разработке ими тактики плавания во льдах.

Таким образом, к началу последней четверти XX века сложилась парадоксальная ситуация, при которой имелся достаточно обширный банк данных о характеристиках ледовой управляемости судов, но отсутствовали какие-либо теоретические разработки обобщающие накопленный опыт. Отсутствовали также методики модельного эксперимента для оценки этих качеств ледовом бассейне. С другой стороны в этот же период начались активные исследования, направленные на освоение месторождений, расположенных на шельфе замерзающих морей. Освоение этих месторождений предполагает активное использование морского транспорта. В соответствии с концепцией развития СМП [59], в рамках Федеральной целевой программы "Модернизация транспортной системы России" до 2010 г., планируется строительство 7 танкеров ледового класса ЛУ5 суммарным дедвейтом 378 тыс. т. и 18 сухогрузных судов такого же класса суммарным дедвейтом 81 тыс. т. Пополнение арктического флота будет осуществляться так же и по заказам судоходных и нефтяных компаний за счет собственных и привлеченных средств. В настоящее время активно обсуждается возможность использования вновь построенных судов нетрадиционным образом. На много больше предполагается использовать одиночные плавания транспортных судов, во время которых они должны выполнять все маневры самостоятельно без помощи ледоколов [65]. Все это повысило интерес к разработке инженерных методов оценки характеристик ледовой управляемости судов в процессе их проектирования. В результате, в первую очередь, стали развиваться экспериментальные методы, позволяющие определить радиус циркуляции при модельных испытаниях. Для этой цели использовались самоходные модели, что исключало возможность измерения ледовых сил, действующих на корпус. В это же время появились первые теоретические работы в этой области.

Поэтому одной из актуальных задач в настоящее время является разработка теоретических и экспериментальных методов определения характеристик ледовой управляемости судов. Необходимость проведения такой работы диктуется как запросами практики, так и логикой внутреннего развития теории ледокольного корабля. С точки зрения практики необходимо иметь расчетный метод позволяющий на ранних стадиях проектирования, анализируя различные варианты формы корпуса ледокола, иметь метод определения характеристик управляемости во льдах, кроме этого необходимо иметь методики, позволяющие обосновано подходить к выбору движительно-рулевого комплекса судна. С точки зрения теории ледокольного корабля логическим развитием методов расчета ледового сопротивления является обобщение ранее достигнутых результатов и распространение их на случай произвольного криволинейного движения судна в ледовых условиях.

Настоящая работа посвящена разработке методов определения характеристик ледовой управляемости судов и, в первую очередь, методов расчета ледовой нагрузки на корпус маневрирующего судна. В работе также рассмотрены приложения разработанных методов определения ледовых сил и момента к традиционным задачам теории управляемости судов: движению судна под действием ветра, влияния течения и мелководья на характеристики управляемости и др.

В заключение необходимо сказать несколько слов об использованном в работе методологическом подходе. Суть этого подхода заключалась в большей ориентации при исследовании ледовой управляемости судов на анализ результатов расчетов по математическим моделям, чем на результаты модельных экспериментальных исследований. При этом экспериментальные исследования оставались важнейшей и необходимой частью этапов разработки, тестирования и отладки математической модели. Обоснованию применения в настоящее время такого подхода в теории корабля посвящена работа автора с коллегами [73]. В данном конкретном случае необходимость широкого использования численного эксперимента диктовалась сложностью изучаемой проблемы, малым количеством достоверных и полных экспериментальных данных, а также невозможность точного моделирования многих маневров в ледовом опытовом бассейне.

Подобные работы
Юрканский Александр Викторович
Исследование управляемости судов в условиях ветра и волнения
Смирнов Дмитрий Александрович
Исследование управляемости судов с гироскопическими средствами управления
Трунин Василий Константинович
Определение сил волнового дрейфа
Бунтикова Алла Владимировна
Методика назначения допускаемых напряжений для крыльевых устройств судов на подводных крыльях с учетом усталостных характеристик материала и условий эксплуатации
Климовцов Василий Михайлович
Разработка методов и алгоритмов решения управленческой задачи определения сил и средств для тушения пожаров в крупном городе
Михеева Елена Викторовна
Контроль спаев металлокерамических плат и корпусов микросхем в условиях массового производства
Пименов Василий Вениаминович
Обеспечение нейтронно-физических условий испытаний корпусных сталей в стенде КОРПУС реактора РБТ-6
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
Гаврилова Татьяна Ивановна
Моделирование и оптимизация характеристик управляемости водоизмещающих судов
Тарханов Алексей Петрович
Разработка матричного метода определения мощности тракторных двигателей в эксплуатационных условиях при неизвестных механических потерях (На примере трактора ДТ-75М)

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