Способ определения демпфирующих гидродинамических характеристик корабля
Владельцы патента RU 2690305:
Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации (RU)
Изобретение относится к водному транспорту и может быть использовано для прогнозирования траекторий движения корабля, выполняющего сложное маневрирование. Способ определения демпфирующих гидродинамических характеристик корабля заключается в том, что формируют его трехмерную электронную модель, при этом часть корпуса корабля, расположенную выше ватерлинии, отсекают. Вокруг трехмерной электронной модели формируют вычислительную сетку в виде сферического сегмента. Основание сегмента содержит плоскость ватерлинии трехмерной электронной модели, а ось симметрии сегмента совпадает с осью вращения трехмерной электронной модели. Вычислительную сетку в виде сферического сегмента выполняют с возможностью вращения вместе с трехмерной электронной моделью относительно внешней вычислительной сетки. В расчетной области, сформированной внутренней и внешней вычислительными сетками, определяют распределение полей скоростей и давлений потока. При этом задают колебания трехмерной электронной модели по углу дрейфа. В результате определяют нестационарные гидродинамические воздействия на трехмерную электронную модель. Затем определяют демпфирующие гидродинамические характеристики корабля. Достигается повышение безопасности управления кораблем при выполнении им сложного маневрирования за счет прогнозирования его движения по заданной траектории с использованием компьютерного моделирования на базе определяемых демпфирующих гидродинамических характеристик, а также повышение точности управления кораблем. 2 ил.
Изобретение относится к управлению кораблями и может быть использовано для прогнозирования траекторий движения корабля, выполняющего сложное маневрирование.
Известен способ определения демпфирующих составляющих нормальной гидродинамической силы и гидродинамического момента, основанный на раздельном расчетном определении этих характеристик на корпус корабля и руль с последующим суммированием этих характеристик (см. Фирсов Г.А. Управляемость корабля / Г.А. Фирсов. - Л.: Издательство ВВМИУ им. Ф.Э. Дзержинского, 1954. стр. 81-85).
Недостатком этого способа является лишь приближенный учет формы корпуса корабля, что приводит к погрешностям.
Известны также экспериментальные способы определения демпфирующих гидродинамических характеристик корабля, основанные на испытании моделей на ротативной установке, испытании искривленных моделей, а также определении этих характеристик методом малых колебаний (см. Федяевский К.К., Соболев Г.В. Управляемость корабля / К.К. Федяевский. - Л.: Судпромгиз, 1963. стр. 112-127).
Недостатком этих способов является наличие масштабного эффекта, а также высокая стоимость производства физических моделей корабля.
Известен «Способ моделирования в компьютерных системах трехмерного проектирования (варианты)» (пат. RU №2263966, опубл. 10.11.2005, МПК: G06T 17/00), включающий операции по созданию компьютерной трехмерной электронной модели объекта и определению на основе этой модели характеристик объекта.
Известен также «Способ определения демпфирующих составляющих нормальной гидродинамической силы и момента» (пат. RU №2507110, опубл. 20.02.2014, МПК: В63Н 25/00) - взятый за прототип, включающий определение текущего значения абсциссы центра вращения, угловой скорости корабля, демпфирующих составляющих гидродинамической силы и ее момента с использованием датчиков линейных ускорений, расположенных в диаметральной плоскости корабля. С помощью датчиков замеряют значения поперечных линейных ускорений, затем определяют значения поперечных составляющих линейных скоростей, рассчитывают текущее значение центра вращения корабля и определяют демпфирующие составляющие нормальной гидродинамической силы и момента.
Недостатком изобретения является постоянный контроль расчетного положения центра вращения корабля, а также необходимость выполнения фактического маневрирования корабля, и, следовательно, невозможность прогнозной оценки этих характеристик до спуска корабля на воду.
Задачей изобретения является разработка нового способа определения демпфирующих гидродинамических характеристик корабля, который позволяет устранить недостатки прототипа и обеспечить определение соответствующих гидродинамических характеристик на этапе проектирования до спуска корабля на воду.
Технический результат изобретения заключается в повышении безопасности управления кораблем при выполнении им сложного маневрирования за счет повышения точности прогнозирования его движения по заданной траектории с использованием компьютерного моделирования на базе рассчитываемых демпфирующих гидродинамических характеристик корабля, что снижает погрешность в определении диаметра циркуляции корабля при маневрировании, тем самым, уменьшается вероятность навигационных аварий.
Точность управления кораблем увеличивается за счет учета нестационарных гидродинамических воздействий, возникающих при равноускоренных или равнозамедленных угловых колебаниях корабля в потоке, которые не могут быть определены при движении корабля по траектории с постоянным диаметром циркуляции.
Указанный технический результат достигается тем, что предлагаемый способ определения демпфирующих гидродинамических характеристик корабля включает определение центра вращения корабля, его угловой скорости, демпфирующих гидродинамических характеристик корабля. В отличие от прототипа формируют трехмерную электронную модель корабля. Для этого часть корпуса корабля, расположенную выше ватерлинии отсекают. Вокруг этой трехмерной электронной модели формируют вычислительную сетку в виде сферического сегмента. Основание сегмента формируют содержащим плоскость ватерлинии трехмерной электронной модели, а ось симметрии сегмента совпадает с осью вращения трехмерной электронной модели. Вычислительную сетку в виде сферического сегмента выполняют с возможностью вращения вместе с трехмерной электронной моделью относительно внешней вычислительной сетки. В расчетной области, сформированной внутренней и внешней вычислительными сетками определяют распределение полей скоростей и давлений потока. Скорость движения жидкости на входной по отношению к потоку границе расчетной области задают равной линейной скорости движения корабля. При этом задают колебания трехмерной электронной модели по углу дрейфа β. В результате определяют нестационарные гидродинамические воздействия на трехмерную электронную модель: компоненты гидродинамической силы Fz1(t) и момента My1(t) в связанной системе координат. Анализируют эти зависимости и определяют значения гидродинамических воздействий при углах дрейфа равных нулю. Затем определяют демпфирующие гидродинамические характеристики корабля по формулам:
где 
, 
- коэффициенты вращательных производных гидродинамической силы и момента относительно оси OY1;
- компоненты гидродинамической силы и момента при угле дрейфа равном нулю, полученные демпфирующие гидродинамические характеристики в дальнейшем используют при компьютерном моделировании для прогнозирования движения корабля в условиях сложного маневрирования.
Существенность отличий предлагаемого способа от прототипа определяется следующим. Последовательное выполнение операций, направленных на формирование вычислительной сетки в виде сферического сегмента, с возможностью вращения вместе с трехмерной электронной моделью корабля относительно внешней вычислительной сетки, позволяет задавать колебательное движение корабля в потоке и, тем самым:
- повысить точность прогнозирования движения корабля по заданной траектории с использованием компьютерного моделирования на базе рассчитываемых демпфирующих гидродинамических характеристик корабля,
- снизить погрешность в определении диаметра циркуляции корабля при маневрировании.
Таким образом, совокупность указанных существенных признаков позволяет обеспечить достижение нового технического результата, а именно:
- повысить безопасность управления кораблем при выполнении им сложного маневрирования;
- повысить точность управления кораблем.
Сущность способа определения демпфирующих гидродинамических характеристик корабля поясняется чертежами, где
на фиг. 1 - общий вид расчетной области;
на фиг. 2 - схема, отражающая задание колебаний трехмерной электронной модели по углу дрейфа.
Для определения демпфирующих гидродинамических характеристик корабля формируют его трехмерную электронную модель 1, при этом часть корпуса корабля, расположенную выше ватерлинии отсекают. Вокруг этой трехмерной электронной модели 1 формируют внутреннею вычислительную сетку в виде сферического сегмента 2. Основание сегмента содержит плоскость ватерлинии трехмерной электронной модели 1, а ось симметрии сегмента совпадает с осью вращения трехмерной электронной модели 1. Внутреннюю вычислительную сетку в виде сферического сегмента 2 выполняют с возможностью вращения вместе с трехмерной электронной моделью 1 относительно внешней вычислительной сетки 3. В расчетной области, сформированной внутренней и внешней вычислительными сетками, определяют распределение полей скоростей и давлений потока. Скорость движения жидкости на входной по отношению к потоку границе расчетной области задают равной линейной скорости движения корабля. Вводят систему координат, связанную с кораблем с началом в точке пересечения оси вращения трехмерной электронной модели с плоскостью ватерлинии (точка О). Ось ОХ1 направлена в нос корабля, OY1 - вверх, OZ1 - на правый борт. При этом задают колебания трехмерной электронной модели по углу дрейфа β (колебания относительно оси OY1). В результате расчета определяют нестационарные гидродинамические воздействия на трехмерную электронную модель: компоненты гидродинамической силы Fz1(t) и момента My1(t) в связанной системе координат. Анализируют эти зависимости и определяют значения гидродинамических воздействий при углах дрейфа равных нулю. Затем определяют демпфирующие гидродинамические характеристики корабля:
где 
, 
- коэффициенты вращательных производных гидродинамической силы и момента относительно оси OY1;
- компоненты гидродинамической силы и момента при угле дрейфа равном нулю.
Значения демпфирующих гидродинамических характеристик корабля используют при компьютерном моделировании для прогнозирования движения корабля в условиях сложного маневрирования.
Заявителем были проведены исследования рассматриваемого технического решения «Способ определения демпфирующих гидродинамических характеристик корабля», направленные на повышение безопасности управления кораблем, где в качестве объекта моделирования выбрано транспортное средство, обладающее определенными гидродинамическими характеристиками.
Анализ полученных данных показал, что снижается погрешность в определении диаметра циркуляции корабля при маневрировании, тем самым, уменьшается вероятность навигационных аварий.
Точность управления кораблем увеличивается за счет учета нестационарных гидродинамических воздействий, возникающих при равноускоренных или равнозамедленных угловых колебаниях корабля в потоке, которые не могут быть определены при движении корабля по траектории с постоянным диаметром циркуляции.
Таким образом, технический результат изобретения заключается в повышении безопасности управления кораблем при выполнении им сложного маневрирования, а также в повышении точности управления кораблем.
Способ определения демпфирующих гидродинамических характеристик корабля, включающий определение центра вращения корабля, его угловой скорости, демпфирующих гидродинамических характеристик корабля, отличающийся тем, что формируют трехмерную электронную модель корабля, при этом часть корпуса корабля, расположенную выше ватерлинии, отсекают, вокруг этой трехмерной электронной модели формируют внутреннюю вычислительную сетку в виде сферического сегмента, внутренняя вычислительная сетка в виде сферического сегмента выполнена с возможностью вращения вместе с трехмерной электронной моделью относительно внешней вычислительной сетки, основание сегмента содержит плоскость ватерлинии модели, а ось симметрии сегмента совмещают с осью вращения модели, в расчетной области, занятой внутренней и внешней вычислительными сетками, определяют распределение полей скоростей и давлений потока, скорость движения жидкости на входной по отношению к потоку границе расчетной области задают равной линейной скорости движения корабля, при этом задают колебания трехмерной электронной модели по углу дрейфа β, в результате определяют нестационарные гидродинамические воздействия на трехмерную электронную модель: компоненты гидродинамической силы Fz1(t) и момента Мy1(t) в связанной системе координат, анализируют их и определяют значения гидродинамических воздействий при углах дрейфа, равных нулю, затем определяют демпфирующие гидродинамические характеристики корабля по формулам:
где 
- коэффициенты вращательных производных гидродинамической силы и момента относительно оси OY1;
- компоненты гидродинамической силы и момента при угле дрейфа, равном нулю, а полученные демпфирующие гидродинамические характеристики используют при выполнении сложного маневра кораблем.
