СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФОРМЫ НОСОВОЙ ОКОНЕЧНОСТИ КОРПУСА СУДНА
METHOD FOR DETERMINING SHAPE OF SHIP HULL FORE END

Изобретение относится к судостроению, в частности к способам определения формы корпусов судов.
Известна установка для мореходных испытаний моделей судов (SU №334116, МПК В63В 9/00, опубл. 30.03.1972 г.), содержащая раму с продольно перемещающейся по ней кареткой, ферму-качалку, подвешенную посредством упругих шарниров на каретке, возвратно-поступательно перемещающийся пилон, соединенный с моделью судна, а также устройство постоянной силы подтягивания модели, причем на ферме-качалке смонтировано разгрузочное устройство пилона в виде спиральных пружин, заключенных в барабан, с которым концентрично связан многоступенчатый блок с коническими поверхностями, имеющими винтовые канавки для укладки троса, одним концом заделанного на соответствующей ступени блока, а другим - на пилоне.
Недостатком данного устройства является невозможность проведения испытаний моделей судов в условиях захвата волной носовой оконечности, так как перемещения модели ограничены за счет налагаемых на нее связей, что не позволяет адекватно моделировать поведение судна в указанных выше условиях.
Известен способ испытания моделей судов, заключающийся в изготовлении самоходной модели судна и ее испытании на встречном волнении в условиях захвата волной носовой оконечности с осуществлением замера ускорений модели (Бураковский Е.П., Бураковский П.Е. К вопросу об определении нагрузки, действующей на палубу судна в носовой оконечности при ее заливании на встречном волнении // Морские интеллектуальные технологии - 2018 - №4(42), т.3 - С.19-25).
Данный способ испытания моделей судов обладает недостатком, заключающимся в трудоемкости проведения большого объема испытаний с созданием условий для возникновения захвата волной носовой оконечности судна, а также в невозможности замера всех параметров, которые определяют поведение судна в условиях захвата волной. Это ограничивает применение данного способа при выборе оптимальных характеристик носовой оконечности судна из условия обеспечения его безопасности в условиях захвата носовой оконечности волной на развитом встречном волнении.
В качестве ближайшего аналога принят способ испытания моделей носовых оконечностей судов, заключающийся в изготовлении модели носовой оконечности, закреплении ее в буксировочной тележке опытового бассейна при помощи приспособления для замера усилий таким образом, что продольная ось модели направлена вертикально, буксировке модели с заданной скоростью и углом между палубой модели и направлением буксировки, а также определении усилий в направлении буксировки, перпендикулярно направлению буксировки и крутящего момента относительно вертикальной оси (Бураковский П.Е. Экспериментальное исследование гидродинамических сил. действующих на носовую оконечность судна в процессе захвата ее волной // Труды Крыловского государственного научного центра. - 2019 - Специальный выпуск 1. - С.146-152).
Данный способ испытания моделей носовых оконечностей судов обладает существенным недостатком, заключающимся в том, что он дает возможность лишь определить усилия и кренящий момент, действующий на носовую оконечность судна в условиях ее захвата волной, но не дает возможность оценить степень опасности сложившейся ситуации, так как риск опрокидывания судна связан с одновременным воздействием на него кренящего момента и трансформацией диаграммы статической остойчивости под действием гидродинамического давления, приложенного к палубе. Таким образом, данный способ не позволяет выбрать оптимальные характеристики носовой оконечности судна, исходя из обеспечения его безопасности в условиях захвата носовой оконечности волной.
Изобретение направлено на улучшение способа определения формы корпусов судов и позволяет создавать более безопасные корпуса судов в условиях захвата волной носовой оконечности, за счет возможности выбора оптимальной формы носовой оконечности корпуса судна среди экспериментально проверенных моделей с учетом кренящего момента и статической остойчивости судна при захвате волной носовой оконечности.
Для получения необходимого технического результата в способе определения формы носовой оконечности корпуса судна, включающем изготовление модели носовой оконечности, закрепление ее в буксировочной тележке опытового бассейна при помощи приспособления для замера усилий так, что продольная ось модели направлена вертикально, буксировку модели с заданной скоростью и углом между палубой модели и направлением буксировки, а также определение усилий в направлении буксировки, перпендикулярно направлению буксировки и крутящего момента относительно вертикальной оси, предлагается предварительно задавать ряд форм носовой оконечности корпуса судна и проводить испытания моделей с заданными формами носовой оконечности судна. Используя полученные гидродинамические характеристики моделей, предлагается осуществлять математическое моделирование качки судна в условиях захвата волной носовой оконечности, изменяя формы носовой оконечности. Затем для судна с заданной формой носовой оконечности предлагается построить трансформированную диаграмму статической остойчивости судна и диаграмму кренящего момента. Выбрать оптимальную форму носовой оконечности судна, обеспечивающую безопасность судна в условиях захвата волной носовой оконечности, предлагается, сопоставив диаграммы судна с разными формами носовой оконечности.
В предлагаемом способе по результатам замеров гидродинамических сил, действующих на носовую оконечность, и определения гидродинамического коэффициента обтекания носовой оконечности осуществляется моделирование продольной качки судна на встречном волнении в условиях возможности возникновения захвата волной носовой оконечности и определяется величина гидродинамических усилий, возникающих при качке. После этого осуществляется построение трансформированной диаграммы статической остойчивости судна при действии указанных нагрузок на его носовую оконечность, и осуществляется проверка остойчивости судна на действие кренящих моментов, замеренных при испытании модели носовой оконечности.
На прилагаемых графических материалах изображено:
на фиг. 1 - сечение поперечное носовой оконечности судна с фальшбортом;
на фиг. 2 - сечение поперечное носовой оконечности судна без фальшборта;
на фиг. 3 - трансформация диаграммы статической остойчивости в условиях захвата волной носовой оконечности при наличии фальшборта;
на фиг. 4 - трансформация диаграммы статической остойчивости в условиях захвата волной носовой оконечности при отсутствии фальшборта.
На графических материалах приняты следующие обозначения:
1 - зависимость исходная восстанавливающего момента от угла крена;
2 - зависимость восстанавливающего момента от угла крена в условиях захвата волной носовой оконечности судна;
θ - угол крена, градус;
В
М - восстанавливающий момент, кН⋅м;
КР
М, кренящий момент, кН⋅м.
Способ определения формы носовой оконечности корпуса судна осуществляется следующим образом. Как уже отмечалось, в условиях развитого встречного волнения возможно возникновение явления захвата волной носовой оконечности судна, в результате чего оно может погибнуть вследствие потери прочности или остойчивости. Поэтому для повышения безопасности мореплавания при определении формы судов необходимо учитывать особенности взаимодействия их носовых оконечностей с внешней средой в штормовых условиях. При реализации предлагаемого способа определения формы носовой оконечности корпуса судна предварительно задается несколько вариантов конструктивного оформления носовой оконечности, для которых изготавливаются геометрически подобные модели. Затем проводятся буксировочные испытания данных моделей с целью определения их гидродинамических характеристик. В процессе буксировочных испытаний продольная ось модели (направленная от носа к корме) устанавливается вертикально, при этом буксировка модели осуществляется с заданной скоростью и углом между палубой модели и направлением буксировки.
В процессе испытаний замеряются усилия, действующие в направлении буксировки, перпендикулярно направлению буксировки, а также крутящий момент относительно вертикальной оси. После пересчета результатов модельных испытаний на натурное судно этот момент позволит определить величину кренящего момента, действующего на судно в условиях захвата его носовой оконечности волной. По величине усилия, действующего в направлении буксировки, рассчитывается гидродинамический коэффициент для носовой оконечности, входящий в модифицированное уравнение килевой качки судна в условиях захвата волной носовой оконечности судна (Бураковский Е.П., Бураковский П.Е. К вопросу об определении нагрузки, действующей на палубу судна в носовой оконечности при ее заливании на встречном волнении // Морские интеллектуальные технологии.- 2018. - №4(42), т.3. - С.19-25).
Далее осуществляется моделирование качки судна на встречном волнении в условиях возможности возникновения захвата волной носовой оконечности судна, но результатам которого определяются скорости носовой оконечности, вызванные вертикальной и килевой качкой в каждый момент времени, а также величина гидродинамических нагрузок, действующих на палубу судна в носовой оконечности. После этого рассчитывается результирующая скорость движения жидкости относительно носовой оконечности при ее зарывании в волну для заданных параметров волнения с учетом движения волновых частиц согласно (Шулейкин В.В. Физика моря. - М.: Наука, 1968. - 1080 с). На основании этой результирующей скорости по данным испытаний модели носовой оконечности судна может быть определен кренящий момент, действующий на судно в условиях захвата волной носовой оконечности.
После определения гидродинамических сил, действующих на палубу судна в носовой оконечности, осуществляется построение трансформированной диаграммы статической остойчивости в условиях захвата носовой оконечности судна волной. На той же диаграмме представляется кривая кренящего момента, возникающего при обтекании палубы судна, и по результатам сопоставления кривых восстанавливающего и кренящего момента делается заключение об обеспечении остойчивости судна в условиях заданного волнения. Путем сравнения полученных результатов для ряда заданных форм носовых оконечностей можно выбрать оптимальную из условия обеспечения остойчивости, и, следовательно, безопасности в условиях штормового моря на встречном волнении.
В качестве примера реализации предлагаемого способа определения формы носовой оконечности корпуса судна рассмотрим выбор носовой оконечности для танкера длиной 168 м. При этом выбор оптимальной конструкции будет проводиться на основании анализа двух конструктивных решений: носовой оконечности с фальшбортом (фиг. 1) и носовой оконечности без фальшборта (фиг. 2).
КР
На основании моделирования динамики судна на встречном волнении согласно (Бураковский Е.П., Бураковский П.Е. К вопросу об определении нагрузки, действующей на палубу судна в носовой оконечности при ее заливании на встречном волнении // Морские интеллектуальные технологии - 2018 - №4(42), т.3 - С.19-25) с учетом определенных экспериментально гидродинамических характеристик носовых оконечностей обоих типов были определены гидродинамические силы, действующие на носовую оконечность, и построены трансформированные диаграммы статической остойчивости, представленные на фиг. 3 и фиг. 4. Также на фиг. 3 и фиг. 4 представлены зависимости кренящего момента М от угла крена (пунктирные кривые), построенные по результатам испытания моделей носовых оконечностей судов.
На фиг. 3 представлена трансформация диаграммы статической остойчивости для судна, носовая оконечность которого оснащена фальшбортом. Видно, что в условиях захвата волной носовой оконечности существенно уменьшается как максимальное значение восстанавливающего момента, так и угол заката диаграммы. В результате этого судно не способно воспринимать кренящей момент, действующий на него при обтекании носовой оконечности потоком жидкости при захвате волной.
На фиг. 4 представлена трансформация диаграммы статической остойчивости для того же судна, но без фальшборта. При этом наблюдается не столь резкое падение восстанавливающего момента, к тому же максимальное значение кренящего момента в этом случае существенно ниже, чем на фиг. 3. Благодаря этому такая конструкция позволяет избежать опрокидывания судна на расчетном волнении.
На основании вышеизложенного можно заключить, что в рассматриваемом примере более предпочтительной является конструкция носовой оконечности, в которой фальшборт отсутствует.
Таким образом, предлагаемый способ определения формы носовой оконечности корпуса судна, по сравнению с ближайшим аналогом, позволяет выбрать оптимальную форму носовой оконечности судна исходя из обеспечения его остойчивости на развитом встречном волнении в условиях зарывания носовой оконечности в волну, что позволяет повысить безопасность мореплавания.