Способ определения демпфирующих гидродинамических характеристик подводного аппарата

Изобретение относится к управлению автономными подводными аппаратами и может быть использовано для прогнозирования траекторий подводных аппаратов, выполняющих сложное маневрирование. Создают трехмерную модель подводного аппарата, вокруг которой определяют распределение полей скоростей и давлений потока. Последовательно задают колебания модели на траектории по углам дифферента, курса и крена. Колебания по углу дифферента задают за счет приложения силы избыточной плавучести, изменяющейся по гармоническому закону, и определяют сдвиг фаз между колебаниями силы избыточной плавучести и колебаниями модели по углу дифферента. Колебания по углу курса задают за счет приложения горизонтальной силы, изменяющейся по гармоническому закону, и определяют сдвиг фаз между колебаниями горизонтальной силы и колебаниями модели по углу курса. Колебания по углу крена задают за счет приложения момента, изменяющегося по гармоническому закону, момент прикладывают в плоскости мидель-шпангоута модели. Определяют сдвиг фаз между колебаниями момента и колебаниями модели по углу крена. Определяют демпфирующие гидродинамические характеристики. Повышается точность и безопасность управления подводным аппаратом при выполнении им сложного маневрирования. 3 ил.

 

Изобретение относится к управлению судами, в частности, автономными подводными аппаратами. Предназначено для определения параметров устойчивости и управляемости подводного аппарата и может быть использовано для прогнозирования траекторий подводных транспортных средств, выполняющих сложное маневрирование.

Известен способ определения демпфирующих составляющих нормальной гидродинамической силы и гидродинамического момента, основанный на раздельном расчетном определении этих характеристик на голый корпус подводного аппарата и оперение с последующим суммированием этих характеристик (см. Пантов Е.Н., Махин Н.Н., Шереметов Б.Б. Основы теории движения подводных аппаратов / Е.Н. Пантов. - Л.: Судостроение, 1973. - стр. 75-82).

Недостатком этого способа является лишь приближенный учет формы корпуса подводного аппарата, что приводит к погрешностям, снижает безопасность управления подводным аппаратом при выполнении им сложного маневрирования, а также снижает точность управления подводным аппаратом.

Известны также экспериментальные способы определения демпфирующих гидродинамических характеристик подводного аппарата, основанные на испытании 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. 111-127).

Недостатком этих способов является наличие погрешностей из-за масштабного эффекта, что снижает безопасность управления подводным аппаратом при выполнении им сложного маневрирования, а также снижает точность управления подводным аппаратом.

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 объекта, демпфирующих составляющих гидродинамической силы и ее момента с использованием датчиков линейных ускорений, расположенных в диаметральной плоскости объекта. С помощью датчиков замеряют значения поперечных линейных ускорений, затем определяют значения поперечных составляющих линейных скоростей, рассчитывают текущее значение центра вращения объекта и определяют демпфирующие составляющие нормальной гидродинамической силы и момента.

Недостатком изобретения является осуществление постоянного контроля расчетного положения центра вращения объекта, а также необходимость выполнения фактического маневрирования объекта, что снижает безопасность управления подводным аппаратом при выполнении им сложного маневрирования, а также снижает точность управления подводным аппаратом.

Задачей изобретения является повышение безопасности управления подводным аппаратом при выполнении им сложного маневрирования, а также повышение точности управления подводным аппаратом.

Технический результат изобретения заключается в повышении безопасности управления подводным аппаратом 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 подводного аппарата, что снижает погрешность в определении диаметра циркуляции подводного аппарата при маневрировании, тем самым, уменьшается вероятность навигационных аварий.

Точность управления подводным аппаратом увеличивается за счет учета нестационарных гидродинамических воздействий, возникающих при равноускоренных или равнозамедленных угловых колебаниях подводного аппарата в потоке, которые не могут быть определены при движении подводного аппарата по траектории с постоянным диаметром циркуляции.

Поставленная задача достигается тем, что предлагаемый способ определения демпфирующих гидродинамических характеристик подводного аппарата, включает определение абсциссы центра вращения подводного аппарата, его угловой скорости, демпфирующих гидродинамических характеристик. Сначала создают трехмерную модель подводного аппарата, вокруг трехмерной модели подводного аппарата определяют распределение полей скоростей и давлений потока. При этом последовательно задают колебания трехмерной модели подводного аппарата на траектории по углам дифферента ψ, курса ϕ и крена θ. Колебания по углу дифферента ψ трехмерной модели подводного аппарата задают за счет приложения силы избыточной плавучести изменяющейся по гармоническому закону. Определяют сдвиг фаз ϕp между колебаниями силы избыточной плавучести и колебаниями трехмерной модели подводного аппарата по углу дифферента. Колебания по углу курса ϕ трехмерной модели подводного аппарата задают за счет приложения горизонтальной силы изменяющейся по гармоническому закону. Определяют сдвиг фаз ϕF между колебаниями горизонтальной силы и колебаниями трехмерной модели подводного аппарата по углу курса. Колебания по углу крена θ трехмерной модели подводного аппарата задают за счет приложения момента изменяющегося по гармоническому закону. При этом момент прикладывают в плоскости мидель-шпангоута трехмерной модели подводного аппарата. Определяют сдвиг фаз ϕM между колебаниями момента и колебаниями трехмерной модели подводного аппарата по углу крена.

Затем определяют демпфирующие гидродинамические характеристики трехмерной модели подводного аппарата по формулам:

здесь Р0 - амплитудное значение силы избыточной плавучести;

φ0 - амплитудное значение угла дифферента;

ω - частота колебаний;

ϕp - сдвиг фаз между колебаниями силы избыточной плавучести и колебаниями трехмерной модели подводного аппарата по углу дифферента;

F0 - амплитудное значение горизонтальной силы;

ϕ0 - амплитудное значение угла курса;

ϕF - сдвиг фаз между колебаниями горизонтальной силы и колебаниями трехмерной модели подводного аппарата по углу курса;

М0 - амплитудное значение момента;

θ0 - амплитудное значение угла крена;

ϕM - сдвиг фаз между колебаниями момента и колебаниями трехмерной модели подводного аппарата по углу крена;

- коэффициенты вращательных производных гидродинамических сил и моментов относительно оси OZ1;

- коэффициенты вращательных производных гидродинамических сил и моментов относительно оси OY1;

- коэффициент вращательной производной гидродинамического момента относительно оси ОХ1.

Демпфирующие гидродинамические характеристики трехмерной модели подводного аппарата равны демпфирующим гидродинамическим характеристикам подводного аппарата. Полученные демпфирующие гидродинамические характеристики подводного аппарата используют при выполнении сложного маневра подводным аппаратом.

Существенность отличий предлагаемого способа от прототипа определяется следующим. Последовательное выполнение операций, направленных на приложение силы избыточной плавучести, горизонтальной силы и момента, действующего в плоскости мидель-шпангоута, позволяет задавать колебательное движение трехмерной модели подводного аппарата в потоке и, тем самым:

- повысить точность прогнозирования движения подводного аппарата по заданной траектории с использованием компьютерного моделирования на базе рассчитываемых демпфирующих гидродинамических характеристик подводного аппарата,

- снизить погрешность в определении диаметра циркуляции подводного аппарата при маневрировании.

Таким образом, совокупность указанных существенных признаков позволяет обеспечить достижение нового технического результата, а именно:

- повысить безопасность управления подводным аппаратом при выполнении им сложного маневрирования;

- повысить точность управления подводным аппаратом.

Сущность способа определения демпфирующих гидродинамических характеристик подводного аппарата поясняется чертежами, где

на фиг. 1 - схема, отражающая задание колебаний трехмерной модели подводного аппарата на траектории по углу дифферента;

на фиг. 2 - схема, отражающая задание колебаний трехмерной модели подводного аппарата на траектории по углу курса;

на фиг. 3 - схема, отражающая задание колебаний трехмерной модели подводного аппарата на траектории по углу крена.

Реализация способа происходит следующим образом. Определяют абсциссу центра вращения подводного аппарата, его угловую скорость. Создают трехмерную модель подводного аппарата 1. Около трехмерной модели подводного аппарата 1 определяют распределение полей скоростей и давлений потока. Вводят систему координат, связанную с трехмерной моделью подводного аппарата с началом в центре масс трехмерной модели подводного аппарата (точка О). Ось ОХ1 направлена в нос трехмерной модели подводного аппарата, OY1 - вверх, OZ1 - на правый борт. При этом последовательно задают колебания трехмерной модели подводного аппарата на траектории 2 по углам дифферента ψ (колебания относительно оси OZ1), курса ϕ (колебания относительно оси OY1), крена θ (колебания относительно оси ОХ1). Колебания по углу дифферента ψ трехмерной модели подводного аппарата задают за счет приложения силы избыточной плавучести Р=P0sinωt изменяющейся по гармоническому закону. При этом силу избыточной плавучести прикладывают на расстоянии хр от центра масс трехмерной модели подводного аппарата. Определяют сдвиг фаз ϕp между колебаниями силы избыточной плавучести и колебаниями трехмерной модели подводного аппарата по углу дифферента φ=φ0sin(ωt+ϕp). Колебания по углу курса ϕ трехмерной модели подводного аппарата задают за счет приложения горизонтальной силы F=F0sinωt изменяющейся по гармоническому закону. При этом горизонтальную силу прикладывают на расстоянии хр от центра масс трехмерной модели подводного аппарата. Определяют сдвиг фаз ϕF между колебаниями горизонтальной силы и колебаниями трехмерной модели подводного аппарата по углу курса ϕ=ϕ0sin(ωt+ϕF). Колебания по углу крена θ трехмерной модели подводного аппарата задают за счет приложения момента М=M0sinωt изменяющегося по гармоническому закону. При этом момент прикладывают в плоскости мидель-шпангоута трехмерной модели подводного аппарата. Определяют сдвиг фаз ϕM между колебаниями момента и колебаниями трехмерной модели подводного аппарата по углу крена θ=θ0sin(ωt+ϕM).

Затем определяют демпфирующие гидродинамические характеристики трехмерной модели подводного аппарата по формулам:

здесь Р0 - амплитудное значение силы избыточной плавучести;

φ0 - амплитудное значение угла дифферента;

ω - частота колебаний;

ϕp - сдвиг фаз между колебаниями силы избыточной плавучести и колебаниями трехмерной модели подводного аппарата по углу дифферента;

F0 - амплитудное значение горизонтальной силы;

ϕ0 - амплитудное значение угла курса;

ϕF - сдвиг фаз между колебаниями горизонтальной силы и колебаниями трехмерной модели подводного аппарата по углу курса;

М0 - амплитудное значение момента;

θ0 - амплитудное значение угла крена;

ϕM - сдвиг фаз между колебаниями момента и колебаниями трехмерной модели подводного аппарата по углу крена;

- коэффициенты вращательных производных гидродинамических сил и моментов относительно оси OZ1;

- коэффициенты вращательных производных гидродинамических сил и моментов относительно оси OY1;

- коэффициент вращательной производной гидродинамического момента относительно оси OX1.

Демпфирующие гидродинамические характеристики трехмерной модели подводного аппарата равны демпфирующим гидродинамическим характеристикам подводного аппарата. Полученные демпфирующие гидродинамические характеристики подводного аппарата, используют при компьютерном моделировании для прогнозирования движения подводного аппарата в условиях сложного маневрирования.

Заявителем были проведены исследования рассматриваемого технического решения «Способ определения демпфирующих гидродинамических характеристик подводного аппарата», направленные на повышение безопасности управления подводным аппаратом, где в качестве объекта моделирования выбран подводный аппарат, обладающий определенными гидродинамическими характеристиками.

Анализ полученных данных показал, что снижается погрешность в определении диаметра циркуляции подводного аппарата при маневрировании, тем самым, уменьшается вероятность навигационных аварий.

Точность управления подводным аппаратом увеличивается за счет учета нестационарных гидродинамических воздействий, возникающих при равноускоренных или равнозамедленных угловых колебаниях подводного аппарата в потоке, которые не могут быть определены при движении подводного аппарата по траектории с постоянным диаметром циркуляции.

Таким образом, технический результат изобретения заключается в повышении безопасности управления подводным аппаратом при выполнении им сложного маневрирования, а также в повышении точности управления подводным аппаратом.

Способ определения демпфирующих гидродинамических характеристик подводного аппарата, включающий определение абсциссы центра вращения, угловой скорости, демпфирующих гидродинамических характеристик, отличающийся тем, что сначала создают трехмерную модель подводного аппарата, вокруг которой определяют распределение полей скоростей и давлений потока, при этом последовательно задают колебания трехмерной модели подводного аппарата на траектории по углам дифферента ψ, курса ϕ и крена θ, колебания по углу дифферента ψ трехмерной модели подводного аппарата задают за счет приложения силы избыточной плавучести, изменяющейся по гармоническому закону, определяют сдвиг фаз ϕp между колебаниями силы избыточной плавучести и колебаниями трехмерной модели подводного аппарата по углу дифферента, колебания по углу курса ϕ трехмерной модели подводного аппарата задают за счет приложения горизонтальной силы, изменяющейся по гармоническому закону, определяют сдвиг фаз ϕF между колебаниями горизонтальной силы и колебаниями трехмерной модели подводного аппарата по углу курса, колебания по углу крена θ трехмерной модели подводного аппарата задают за счет приложения момента, изменяющегося по гармоническому закону, при этом момент прикладывают в плоскости мидель-шпангоута трехмерной модели подводного аппарата, определяют сдвиг фаз ϕM между колебаниями момента и колебаниями трехмерной модели подводного аппарата по углу крена, затем определяют демпфирующие гидродинамические характеристики трехмерной модели подводного аппарата по формулам

здесь P0 - амплитудное значение силы избыточной плавучести;

φ0 - амплитудное значение угла дифферента;

ω - частота колебаний;

ϕp - сдвиг фаз между колебаниями силы избыточной плавучести и колебаниями трехмерной модели подводного аппарата по углу дифферента;

F0 - амплитудное значение горизонтальной силы;

ϕ0 - амплитудное значение угла курса;

ϕF - сдвиг фаз между колебаниями горизонтальной силы и колебаниями трехмерной модели подводного аппарата по углу курса;

М0 - амплитудное значение момента;

θ0 - амплитудное значение угла крена;

ϕM - сдвиг фаз между колебаниями момента и колебаниями трехмерной модели подводного аппарата по углу крена;

- коэффициенты вращательных производных гидродинамических сил и моментов относительно оси OZ1;

- коэффициенты вращательных производных гидродинамических сил и моментов относительно оси OY1;

- коэффициент вращательной производной гидродинамического момента относительно оси ОХ1, демпфирующие гидродинамические характеристики трехмерной модели подводного аппарата равны демпфирующим гидродинамическим характеристикам подводного аппарата, полученные демпфирующие гидродинамические характеристики подводного аппарата используют при выполнении сложного маневра подводным аппаратом.



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к вычислительной технике и может быть использована для определения эффективности операций стимуляции в углеводородной скважине. Техническим результатом является улучшение стимулирующих действий и процесса добычи углеводородов.

Группа изобретений относится к вычислительной технике и может быть использована для определения эффективности операций стимуляции в углеводородной скважине. Техническим результатом является улучшение стимулирующих действий и процесса добычи углеводородов.

Изобретение относится к области обработки информации. Технический результат – повышение адаптивности распределенной базы данных без изменения структуры распределенной базы данных.

Изобретение относится к средствам для создания объекта, приспособленного к требованиям пользователя. Технический результат заключается в уменьшении времени создания объекта.

Изобретение относится к области моделирования и предназначено для проектирования радиоэлектронных, технических систем, а также для оценки показателей их живучести.

Изобретение относится к области моделирования и предназначено для проектирования радиоэлектронных, технических систем, а также для оценки показателей их живучести.

Изобретение относится к средствам получений изображений для инженерной и компьютерной график и к CAD системам. Технический результат заключается в обеспечении возможности преобразования изображений основных видов предмета или его 3D-модели в комплекты прямоугольных аксонометрических видов.

Изобретение относится к способу, системе и компьютерно-читаемому носителю для моделирования изделия с использованием данных в разных форматах обработки данных. Технический результат заключается в повышении эффективности моделирования изделия.

Изобретение относится к способу, системе и компьютерно-читаемому носителю для моделирования изделия с использованием данных в разных форматах обработки данных. Технический результат заключается в повышении эффективности моделирования изделия.

Изобретение относится к области автоматизации систем и автоматического управления. Технический результат заключается в обеспечении возможности моделирования сценария развития текущей ситуации с учетом нечетких критериев оценки прогнозируемых ситуаций.

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.

Изобретение относится к области сбора геофизических данных. Для управления сменой ведущего судна в системе сейсморазведки с несколькими судами, содержащей ведущее судно M и по меньшей мере одно ведомое судно во время по меньшей мере части операции в составе нескольких судов выполняют: этап выбора нового ведущего судна М' из по меньшей мере одного ведомого судна, инициируемый по меньшей мере одним заданным событием, и этап передачи упомянутому по меньшей мере одному ведомому судну по меньшей мере одной части информации, относящейся к смене ведущего судна с ведущего судна М, называемого старым ведущим судном, на новое ведущее судно М'.

Изобретение относится к судостроению и может быть использовано для обеспечения движения и маневрирования по азимуту и глубине подводных аппаратов, автономных подводных самоходных аппаратов, планеров-глайдеров при океанологических и гидроакустических исследованиях водных акваторий.

Контроль местоположения судна включает получение навигационных параметров, поступающих в блок входной информации, а затем в блок обработки информации, при этом используют нечеткую логику: в созданной матрице каждой ячейке присваивают координаты Х и У, после чего ее подвергают нечеткой кластеризации для выделения участков с повышенной опасностью.

Изобретение относится к судостроению, а именно к судовым движительно-рулевым комплексам. Движительно-рулевой комплекс (ДРК) водоизмещающего судна содержит совокупность взаимодействующих с корпусом судна и установленных в его кормовой части гребного винта и руля, связанных с центральным постом их управления.

Изобретение относится к области автоматического управления движением судов при их динамическом позиционировании при решении задач поиска и обследования подводных объектов, характеризующихся частой сменой точек позиционирования.

Устройство относится к области судостроения, в частности ходовой части водного судна, и может быть использовано для повышения эффективности его ходовых качеств. Устройство ходовой части водного судна содержит основной вал с гребным винтом, и снабжено по крайней мере одним дополнительным валом с гребным винтом на нем, соосно основному валу, причем с переменной и отличающейся от основного вала скоростью вращения.

Изобретение относится к способу управления движущимся судном. Для управления движущимся судном размещают антенны спутниковой навигационной системы в определенных точках судна, определяют непрерывно их координаты, а также поперечные и продольные отклонения от определенной оси, вырабатывают сигналы управления для работы отдельных элементов или всего движительно-рулевого комплекса по определенному закону, формируют вручную или автоматически сигнал на изменение положения начала координатной системы, значения координат которой определяют исходя из заданного положения судна на заданной траектории маневрирования, формируют сигнал на изменение кинематических параметров движения судна с учетом текущих и заданных их значений определенным образом.

Изобретение относится к способу управления движущимся судном. Для управления движущимся судном определяют непрерывно координаты двух максимально удаленных друг от друга точек в пределах контура судна, одна из которых расположена к носу судна, а другая - к его корме, определяют поперечные и продольные отклонения от заданной оси, вырабатывают сигналы управления по определенному закону для работы отдельных элементов или всего движительно-рулевого комплекса, меняют положение и ориентацию выбранной координатной системы с учетом особенностей осуществляемого маневрирования судна при выполнении конкретной ключевой судовой операции, прогнозируют возможность выполнения маневра на базе математической модели судна с учетом его динамических свойств, влияния внешних факторов, технических параметров работы движительно-рулевого комплекса, требований энергетической эффективности и безопасности выполнения ключевой судовой операции, принимают решение о дальнейшем управлении движении судна или прекращении маневра.

Изобретение относится к способу управления движением буксирной системы. Для управления движением буксирной системы определяют непрерывно значение координат в определенных точках в пределах контура буксирующего судна, вычисляют поперечные смещения от заданной линии положения диаметральной плоскости, вырабатывают сигнал управления по определенному закону для отдельных элементов или всего движительно-рулевого комплекса буксирующего судна, используют определенную координатную систему, меняют ее положение в зависимости от особенностей маневрирования судна для обеспечения вывода и удержания управляемого судна в заданном положении или на заданной траектории движения, формируют два сигнала управления определенным образом в зависимости от положения точек относительно выбранной оси, формируют сигнал управления на автоматическую буксирную лебедку в зависимости от длины буксирного троса.

Изобретение относится к строительству и касается изготовления плавающих бетонных или железобетонных понтонов, волноломов, платформ, корпусов плавучих средств. Предложен способ изготовления водоизмещающих бетонных изделий, характеризующийся тем, что на плавающей конструкции переменной плавучести монтируется опалубка, далее бетоном заливается нижняя бетонная плита, затем на нее устанавливаются блоки из водостойкого полимерного материала и распорки из водостойкого полимерного материала между блоками, после чего бетон заливается в разрывы между блоками, после застывания бетона демонтируемые элементы опалубки снимаются, плавающая конструкция погружается в воду и выводится из-под водоизмещающего бетонного изделия.

Изобретение относится к управлению автономными подводными аппаратами и может быть использовано для прогнозирования траекторий подводных аппаратов, выполняющих сложное маневрирование. Создают трехмерную модель подводного аппарата, вокруг которой определяют распределение полей скоростей и давлений потока. Последовательно задают колебания модели на траектории по углам дифферента, курса и крена. Колебания по углу дифферента задают за счет приложения силы избыточной плавучести, изменяющейся по гармоническому закону, и определяют сдвиг фаз между колебаниями силы избыточной плавучести и колебаниями модели по углу дифферента. Колебания по углу курса задают за счет приложения горизонтальной силы, изменяющейся по гармоническому закону, и определяют сдвиг фаз между колебаниями горизонтальной силы и колебаниями модели по углу курса. Колебания по углу крена задают за счет приложения момента, изменяющегося по гармоническому закону, момент прикладывают в плоскости мидель-шпангоута модели. Определяют сдвиг фаз между колебаниями момента и колебаниями модели по углу крена. Определяют демпфирующие гидродинамические характеристики. Повышается точность и безопасность управления подводным аппаратом при выполнении им сложного маневрирования. 3 ил.

Наверх