Определение положения полюса поворота и его учет при маневрировании судна (стр. 1 )

Волжская государственная академия водного транспорта

На правах рукописи

ПАВЕЛЬЕВ Александр Дмитриевич

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПОЛЮСА ПОВОРОТА

И ЕГО УЧЕТ ПРИ МАНЕВРИРОВАНИИ СУДНА

Специальность 05.22.19 «Эксплуатация водного транспорта,

судовождение»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Н. Новгород

2009

Работа выполнена в Волжской государственной академии водного транспорта на кафедре «Судовождение и безопасность судоходства».

Научный руководитель:

д. т.н., проф.

Официальные оппоненты:

д. т.н., проф.

к. т.н., доц.

Ведущая организация: ФГОУ ВПО Новосибирская государственная

академия водного транспорта

Защита состоится «28» декабря 2009 г. в 14.00 часов в аудитории 231 на заседании диссертационного совета Д 223.01.01 при ФГОУ ВПО «ВГАВТ» по адресу: 603950 а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «ВГАВТ».

Автореферат разослан «27» ноября 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важнейшим направлением в изучении различных аспектов судовождения является проблема обеспечения безопасности плавания, предполагающая, в частности, достижение оптимального соотношения между габаритами пути, главными размерениями судов и составов и эффективностью их средств обеспечения управляемости.

При решении этой проблемы особую значимость приобретает вопрос нормирования управляемости. Опросы показали, что маневренные качества своих судов признают отличными лишь 0,5% судоводителей, хорошими – 8%. Остальные считают управляемость удовлетворительной.

Управление современными судами требует все большего судоводительского мастерства по следующим причинам:

- модернизация судоходных путей отстает на годы от изменений в конструкции и геометрических характеристиках судов и составов;

- движительно-рулевые комплексы часто бывают сконструированы для получения лучших характеристик при плавании в открытом море, чем при маневрировании в стесненных условиях;

- общие аспекты поведения судов при маневрировании в узкостях и на мелководье известны, однако реальное поведение судна в таких условиях не всегда возможно спрогнозировать.

Теория управляемости в своем современном состоянии, к сожалению, не пытается радикально улучшить эту ситуацию, поскольку развивается в основном лишь в направлении уточнения структуры и методов количественного определения действующих на судно сил.

В настоящее время ширина судоходных каналов становится таким же критическим фактором, как и их глубина. Связано это, в первую очередь, с тем, что судостроители увеличивают грузоподъемность судна в основном за счет увеличения его ширины и коэффициента полноты, и в меньшей степени его длины. Это может негативно сказаться на управляемости судов, особенно в стесненных условиях, и может повлечь за собой изменение многих аспектов проектирования судоходных каналов.

Очевидно, что применение стандартов управляемости судов помогло бы точнее определять требуемые геометрические параметры судоходных каналов на стадии их проектирования, а так же при рассмотрении вопросов модернизации существующих каналов.

Цель работы. Главной целью исследований является обоснование использования абсциссы полюса поворота в качестве критерия поворотливости судна.

Методология исследования. При теоретическом исследовании задач, поставленных в диссертационной работе, использованы методы математического моделирования физических процессов, методы математического анализа и численные методы решения дифференциальных уравнений.

Научная новизна:

- на основе видоизмененной системы уравнений движения судна разработан метод расчета абсциссы полюса поворота при любом произвольном маневре судна;

- предложен метод расчета размеров акватории, занимаемой судном при прохождении поворотов с использованием величины абсциссы полюса поворота;

- разработан новый метод определения угла дрейфа при маневре судна из положения «СТОП», исключающий эффект «Zero» при моделировании поведения судна на судоводительских тренажерах;

- предложена методика приближенного определения абсциссы полюса поворота для речных судов и судов смешанного «река-море» плавания, позволяющая учитывать посадку (дифферент) судна;

- обосновано использование абсциссы полюса поворота в качестве нормируемого параметра поворотливости судна.

Практическая ценность работы. Результатами исследований, обусловливающими практическую ценность работы, являются расчетные зависимости для определения:

- размеров полосы движения судна, необходимой для безопасного прохождения поворотов различной кривизны;

- абсциссы полюса поворота на установившейся циркуляции судна при средних и максимальных углах перекладки рулевого органа с использованием минимального объема информации об остальных параметрах движения;

- абсциссы полюса поворота при любом маневре с учетом реальной посадки судна.

Полученные результаты могут быть использованы научными, проектными организациями при проектировании судов и судопропускных сооружений, в тренажерных системах, а также судоводителями в практическом маневрировании.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты диссертационной работы доложены, обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Волжской государственной академии водного транспорта 1999, 2001, 2003, 2005 гг.

Публикации. Основные материалы диссертационной работы опубликованы в шести авторских публикациях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Содержание диссертационной работы изложено на 96 страницах. Список литературы содержит 170 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, дана краткая характеристика разделов работы.

В первой главе приводится анализ существующих документов по нормированию управляемости судов. Рассмотрены как требования международных документов, так и требования отечественных документов нормирования управляемости.

Проведенный анализ показал, что существующие документы по нормированию управляемости не в состоянии в полной мере регламентировать геометрические элементы криволинейного движения судов, являющиеся критическими при плавании в узкостях и судоходных каналах.

Выполнен анализ тенденций современного судостроения. Установлено, что одной из главных тенденцией современного судостроения является увеличение отношения ширины судна к его длине. Судостроители увеличивают грузоподъемность новых судов путем увеличения ширины и коэффициента полноты корпуса. Длина и осадка судов в силу многих причин остаются практически неизменными. Данная тенденция негативно влияет на маневренные характеристики судов в стесненных условиях и, следовательно, на безопасность плавания в судоходных каналах. Это также отрицательно сказывается на пропускной способности каналов.

Проанализированы проблемы современного строительства судоходных каналов. Анализ показал, что ширина судоходного канала в настоящее время становится таким же критическим фактором, как и его глубина.

Установлено, что существующие методики расчета проектной ширины судоходных каналов не учитывают особенности маневренных характеристик судна в полном объеме.

Проведенное исследование позволило установить два основных требования к обеспечению безопасности плавания судна в канале: поведение любого судна в канале должно быть предсказуемым; размеры канала должны обеспечивать безопасный проход судна.

Рассмотрены существующие методики определения полюса поворота судна, разработанные разными авторами. Установлено, что подавляющее большинство методик служит определению положения полюса поворота лишь на установившейся циркуляции. Определению положения полюса поворота в маневренный и эволюционный периоды циркуляции посвящено ограниченное число работ, их результаты сильно разнятся.

Сделан анализ современных тенденций в теории управляемости. Установлено, что современная теория управляемости развивается, в основном, в направлении уточнения численных методов определения сил, действующих на судно и его ДРК. На основании этих методов создается множество математических моделей для судоводительских тренажеров. В то же время современная теория управляемости малоприменима при решении задач практического судовождения.

Определены современные проблемы математического моделирования движения судна применительно к судоводительским тренажерам. Наряду с большим прогрессом, достигнутым в области определения гидродинамических коэффициентов линейных инерционных элементов модели, отмечены существующие трудности определения нелинейных гидродинамических коэффициентов. Наблюдается недостаток данных полномасштабных испытаний судов в стесненных условиях для уточнения создаваемых математических моделей. Существуют проблемы вычислительного характера, включая эффект «Zero», проявляющийся при моделировании некоторых маневров судна. Сущность этого эффекта заключается в том, что при равенстве отдельных параметров движения судна нулю расчетные формулы определения остальных параметров движения и сил, действующих на судно, перестают работать.

На основании выполненного анализа сформулированы цель и основные задачи диссертационной работы.

Во второй главе работы изложен новый метод определения ширины полосы движения судна при прохождении криволинейных участков судового хода, основанный на информации о положении полюса поворота. По сравнению с ранее применявшимися методами предложенный метод требует меньшего количества параметров движения судна для расчета. Так же в новой методике устранены недостатки методов, применявшихся для определения размеров полосы движения ранее. Достоинствами предложенного метода являются:

- простота расчетных формул;

- возможность расчета размеров акватории при любом положении полюса поворота;

- непосредственно определяются максимальные размеры акватории маневра, в отличие от использовавшихся ранее методов;