Метод адекватного моделирования гидродинамических усилий, действующих на корпус маневрирующего судна

Статистика транспортных происшествий на речном флоте свидетельствует о том, что основной причиной большинства навигационных аварий являются неправильные действия судоводителей. Поэтому уровнем их профессиональной подготовки в значительной мере определяется безопасность судоходства на внутренних водных путях.

Одной из возможностей повышения квалификации судоводителей является тренажёрная подготовка, позволяющая отрабатывать приёмы эффективного управления судами в тех или иных сложных ситуациях. При этом очевидно, что цель тренажёрной подготовки будет достигнута лишь в том случае, если у судоводителя возникнет устойчивое ощущение управления именно тем судном, на котором он работает (или ему предстоит работать). Следовательно, для создания судоводительского тренажёра необходима математическая модель управляемого движения судна, адекватно имитирующая характер его реального поведения при выполнении того или иного маневра.

Считается, что универсальной для этой цели могла бы стать математическая модель, разработанная на основе уравнений неустановившегося движения судна. Однако без достаточно точного определения действующих на погруженную часть судового корпуса усилий, фигурирующих в математической модели, достижение адекватности и высокой степени имитации поведения реального судна при маневрировании становится проблематичным. Поэтому для решения задач профессиональной тренажёрной подготовки судоводителей, а также разработки способов оптимального управления судном в различных ситуациях для объективной оценки действий обучаемых необходимы аналитические методы определения корпусных усилий, основанные на анализе динамического взаимодействия судна с окружающей его жидкостью.

Исследованию действующих на судно гидродинамических усилий посвящены труды A.M. Басина, Я. И. Войткунского, В. В. Вьюгова, О.И. Гордее-ва, А. Д. Гофмана, В. Г. Павленко, Б. В. Палагушкина, Р. Я. Першица, JI.M. Рыжова, В. Г. Соболева, В. И. Тихонова, К. К. Федяевского и многих других отечественных и зарубежных ученых. Разработанные к настоящему времени В. И. Тихоновым аналитические методы определения инерционных и неинерционных усилий, действующих на погруженную часть судна, позволяют учесть индивидуальные геометрические особенности реального судового корпуса и, следовательно, адекватно смоделировать действующие на него силы и моменты этих сил. Необходимо, однако, заметить, что значения величин, характеризующих собой индивидуальные геометрические особенности носовой и кормовой оконечностей, а также цилиндрической вставки реального корпуса судна, определены В. И. Тихоновым весьма приближённо. Математические выражения для подсчёта указанных величин были получены В. И. Тихоновым на основе анализа теоретических чертежей девяти грузовых и четырех пассажирских судов речного флота и предназначались лишь для общей проверки корректности результатов выполненных им исследований и приближенной оценки действующих на судно гидродинамических усилий.

Таким образом, научные исследования, направленные на совершенствование аналитических методов определения инерционных и неинерционных усилий, действующих на корпус маневрирующего судна, тесно связаны с решением проблемы обеспечения безопасности судоходства на внутренних водных путях и являются весьма актуальными. Этим исследованиям и посвящена настоящая диссертационная работа.

В первом разделе проанализированы существующие методы определения действующих на погруженную часть судна усилий как инерционного, так и неинерционного происхождения. По результатам анализа сформулирована цель и определены основные задачи настоящего исследования.

Второй раздел посвящен разработке метода математического описания поверхности погруженной части судна и обоснованию способа определения геометрических характеристик эквивалентного аналога реального судового корпуса.

В третьем разделе излагается методика обработки теоретического чертежа судна для составления общих уравнений ватерлиний в его носовой и кормовой оконечностях, а также методика численного интегрирования уравнений ватерлиний для определения параметров эквивалентного аналога реального судового корпуса.

В четвёртом разделе излагается методика получения формул для коэффициентов вязкостного сопротивления формы при продольном и поперечном движении судна, а также анализируется корректность результатов исследований автора.

В заключении излагаются основные результаты и выводы, полученные в настоящей работе.

На защиту выносятся:

1. Метод математического описания поверхности погруженной части судна.

2. Способ определения геометрических параметров эквивалентного аналога реального судового корпуса.

3. Методика обработки теоретического чертежа судна для составления общих уравнений ватерлиний в его носовой и кормовой оконечностях.

4. Методика численного интегрирования уравнений ватерлиний для определения геометрических характеристик эквивалентного аналога реального судового корпуса.

5. Программа вычисления геометрических параметров эквивалентного аналога судового корпуса.

Диссертационная работа выполнена на кафедре судовождения и безопасности судоходства Волжской государственной академии водного транспорта.