СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОПЕРЕЧНОЙ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ СИЛЫ, ОБРАЗУЮЩЕЙСЯ НА КОРПУСЕ СУДНА ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ СЛОЖНОГО МАНЕВРИРОВАНИЯ
METHOD FOR DETERMINATION OF CROSSWISE HYDRODYNAMIC FORCE AND ITS MOMENT IN SHIP COMPLEX MANEUVERING

Изобретение относится к управлению траекторией движения судна, выполняющего сложное маневрирование при швартовке или динамическом позиционировании.
Цель изобретения - совершенствование управления судном, выполняющим сложное маневрирование.
Совершенствование управления судном, выполняющим сложное маневрирование, достигается путем прогнозирования его движения методом компьютерного моделирования с использованием математической модели судна.
Эффективность и безопасность выполнения сложного маневрирования зависят от наличия необходимой информации, позволяющей адекватно оценить характер поведения судна при воздействии на него внутренних или внешних управляющих воздействий. В качестве управляющих воздействий в данном случае рассматриваются воздействия в виде сил и моментов, образуемых в результате работы движительно-рулевого комплекса судна или движительно-рулевых комплексов вспомогательных (внешних) средств управления, например буксиров.
Прогнозировать поведение судна при выполнении сложного маневрирования в результате управляющих воздействий невозможно без определения гидродинамических параметров его математической модели, в частности значения поперечной гидродинамической силы, образующейся на корпусе судна при его движении.
Ввиду отсутствия соответствующих технических средств измерения гидродинамической силы, образующейся на корпусе судна при его движении, представляется возможным ее определение расчетно-экспериментальным способом.
Известен способ определения гидродинамических параметров математической модели судна (Пат. №2442718, опубл. 20.02.2012).
Способ основан на измерении с помощью приемников спутниковой навигационной системы с дифференциальными поправками в реальном масштабе времени координат двух определенным образом разнесенных в диаметральной плоскости по длине судна точек, условно названных носовой и кормовой, и определении с использованием результатов измерений текущих координат этих точек, текущих значений, кинематических параметров движения судна:
f
а
xf
ха
yf
ya
- линейных скоростей носовой F (υ) и кормовой A (υ) точек и их проекций на продольную Х (υ, υ) и поперечную Y (υ, υ) координатные оси, координатной системы ZXOY, связанной с судном (см. фиг.1);
0
- абсциссы центра вращения (х) в координатной системе ZXOY;
y
- проекции вектора линейной скорости в центре тяжести на поперечную ось Y (υ);
- линейной скорости центра тяжести судна (υ);
- радиуса кривизны траектории центра тяжести судна (R);
- угловой скорости судна (ω);
которые используют для вычисления текущих значений гидродинамических параметров математической модели судна, на базе которой выполняют компьютерное моделирование с целью прогнозирования движения судна при маневрировании.
Однако бывают такие виды маневрирования, когда для прогнозирования движения судна нет необходимости определять все гидродинамические параметры его математической модели, как выше указано (Пат. №2442718), достаточно определить только значение поперечной составляющей гидродинамической силы, образующейся на корпусе судна при его движении. К указанным видам маневрирования следует отнести швартовные операции, динамическое позиционирование, дрейф судна. Отличительной особенностью таких маневров является то, что, дрейфуя, выполняя швартовную операцию, позиционируя, судно движется лагом, значения углов дрейфа при этом находятся в диапазоне 90±20° [2], [3], [5]. Это позволяет рассчитывать значение поперечной составляющей гидродинамической силы, образующейся при движении судна с использованием значения только одного гидродинамического параметра математической модели судна.
Задачей предлагаемого способа является существенное уменьшение количества параметров математической модели, используемых для прогнозирования движения судна в процессе маневрирования, и, как следствие, уменьшение вероятности ошибки прогноза и повышение уровня его надежности и качества.
Способ заключается в следующем. Значение поперечной составляющей гидродинамической силы, образующейся на корпусе судна при его движении, определяется зависимостью:
<mrow><msub><mi>Y</mi><mi>β</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mi>y</mi><mi>β</mi></mrow></msub><mn>0,5</mn><mi>ρ</mi><msup><mi>υ</mi><mn>2</mn></msup><msub><mi>F</mi><mrow><mi>d</mi><mi>p</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext>                                            </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>1</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
yβ
где С - коэффициент поперечной составляющей гидродинамической силы;
ρ - массовая плотность воды;
υ - линейная скорость судна;
dp
F - приведенная площадь диаметрального батокса судна.
Коэффициент поперечной составляющей гидродинамической силы рассчитывается по формуле:
<mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>y</mi><mi>β</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>0,5</mn><msub><mi>c</mi><mn>1</mn></msub><mi>sin</mi><mn>2</mn><mi>β</mi><mi>cos</mi><mi>β</mi><mo>+</mo><msub><mi>c</mi><mn>2</mn></msub><mi>sin</mi><mi>β</mi><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>sin</mi><mi>β</mi></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>c</mi><mn>3</mn></msub><msup><mrow><mi>sin</mi></mrow><mn>4</mn></msup><mn>2</mn><mi>β</mi><mi>s</mi><mi>i</mi><mi>g</mi><mi>n</mi><mi>β</mi><mo>,</mo><mtext>                      </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>2</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
1
2
3
2
1
3
здесь c, c, c - гидродинамические коэффициенты, определяемые расчетным способом с использованием известных расчетных зависимостей [4], при этом численное значение коэффициента c на порядок выше значений коэффициентов c, c; β - угол дрейфа.
Из выражения (2) следует, что при углах дрейфа, близких к 90°, оно может быть заменено зависимостью
<mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>y</mi><mi>β</mi></mrow></msub><mo>≅</mo><msub><mi>c</mi><mn>2</mn></msub><mo>.</mo><mtext>                                                              </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>3</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
yβ
Разность в значениях коэффициента C при расчете по формулам (3) и (2), в диапазоне углов дрейфа 90±20°, составляет не более 10%, что удовлетворяет требованиям к точности определения усилий, образующихся на корпусе судна при его движении [2].
2
Для определения значения поперечной составляющей гидродинамической силы, образующейся на корпусе судна при его движении, можно использовать зависимость (3), неизвестным гидродинамическим параметром в которой является только коэффициент c.
2
Для определения значения коэффициента c необходимо выполнить вращение корпуса судна под воздействием средств активного управления, например подруливающего устройства.
Таким образом, процедура определения значения поперечной составляющей гидродинамической силы, образующейся на корпусе судна при его движении лагом, заключается в следующем. Перед выполнением сложного маневрирования судно выполняет вращение под воздействием средств активного управления, например подруливающего устройства, при этом измеряют величину угловой скорости судна ω и рассчитывают вращающий момент, образуемый подруливающим устройством
<mrow><msub><mi>M</mi><mrow><mi>p</mi><mi>r</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>T</mi><mrow><mi>e</mi><mi>p</mi><mi>r</mi></mrow></msub><mo>×</mo><msub><mi>x</mi><mrow><mi>p</mi><mi>r</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext>                                     </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>4</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
epr
pr
где T - тяга подруливающего устройства; x - абсцисса канала подруливающего устройства.
pr
2
Используя значения угловой скорости ω и вращающего момента M в соответствии с формулой, представленной в работе [3], рассчитываем значение коэффициента c
<mrow><msub><mi>c</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mn>29,645</mn><msub><mi>M</mi><mrow><mi>p</mi><mi>r</mi></mrow></msub><mo>/</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mi>ω</mi><mn>2</mn></msup><msup><mi>L</mi><mn>4</mn></msup><mi>ρ</mi><mi>d</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext>                                       </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>5</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
где L - длина судна; d - средняя осадка судна.
На основании зависимостей (3), (1) находим величину поперечной составляющей гидродинамической силы, образующейся на корпусе судна при его движении лагом.
Литература
1. Басин, A.M. Ходкость и управляемость судов. / A.M.Басин. - М.: Транспорт, 1967. - 255 с.
2. Мастушкин, Ю.М. Средства активного управления промысловыми судами. / Ю.М.Мастушкин, Е.М.Шестерненко. - М.: Агропромиздат, 1985. - 128 с.
3. Соболев, Г.В. Управляемость корабля и автоматизация судовождения. / Г.В.Соболев. - Л.: Судостроение, 1976. - 478 с.
4. Справочник по теории корабля: В 3 т. Т.3. Управляемость водоизмещающих судов. Гидродинамика судов с динамическими принципами поддержания. / под ред. Я.И.Войткунского. - Л.: Судостроение, 1985. - 544 с.: ил.
5. Юдин, Ю.И. Теоретические основы безопасных способов маневрирования при выполнении точечной швартовки. / Ю.И.Юдин, С.В.Пашенцев, Г.И.Мартюк, А.Ю.Юдин. - Мурманск: Изд-во МГТУ, 2009. - 152 с.