Проектное обоснование характеристик и элементов средних рыболовных траулеров для Вьетнама с обеспечением норм вибрации

Социалистическая Республика Вьетнам (СРВ) — интенсивно развивающаяся прибрежная страна в Юго-Восточной Азии. В процессе основания государства, защиты его суверенитета и создания основ экономического развития страны, морские биоресурсы и нефтедобыча всегда имели большое значение для обеспечения необходимого жизненного уровня людей. Учитывая это, Правительством Республика Вьетнам разработана долгосрочная стратегическая программа социально-экономического развития страны, которая предусматривает создание современного рыболовного флота и рыбообрабатывающих предприятий, а также сохранение биоресурсов морской окружающей среды.

Для сохранения запасов рыбы в 200 мильной зоне, Правительством СРВ введены ограничения на ее вылов и разработаны положения, предусматривающие изменение количественного и качественного состава рыболовного флота. Сегодня рыболовный флот СРВ представлен в основном малыми судами, а средние суда составляют порядка 5% от общего количества судов. Отсутствие новых проектов средних рыболовных судов в СРВ не позволяет конкурировать с зарубежными судами такого типа и затрудняет освоение новых морских районов. Поскольку Вьетнам входит в число ведущих стран-экспортеров рыбной продукции, для страны важно, по крайней мере, не уменьшить объемы добываемой рыбы. Поэтому, руководством СРВ сформулирована важная государственная задача — создать современный средний рыболовный флот для освоения новых морских районов промысла.

Для решения государственной задачи по созданию современного среднего рыболовного флота, правительством предусмотрены значительные капитальные вложения. В связи с этим важное значение приобретает научно обоснованный выбор типа судов для серийной постройки и методическое обеспечение, позволяющее определить характеристики и элементы средних рыболовных траулеров (СРТ) для Вьетнама с учетом накопленного опыта проектирования судов этого типа. Такое методическое обеспечение для СРТ во Вьетнаме отсутствует. Сегодня, большая часть СРТ Вьетнама спроектированы для морских районов ограниченных 200 мильной зоной, поэтому они имеют малую автономность и мощность главного двигателя, неудовлетворительные условия обитаемости и несовременную конструкцию корпуса, низкие показатели добывающего технологического комплекса. Это обусловило необходимость использования опыта проектирования судов этого типа в СССР и России.

Методика проектирования гражданских судов рассматривает широкий круг вопросов связанных с определением характеристик и элементов судна, отвечающих требованиям его экономической эффективности, необходимым мореходным качествам, безопасности мореплавания, необходимым условиях обитаемости экипажа и пассажиров. Проектирование судна можно представить как процесс создания сложной технической системы, для которой составлена структурная схема и разработан архитектурно-конструктивный облик системы. Необходимость поиска оптимальных проектных решений и требование к снижению трудоемкости проектных работ, являются основными причинами создания математической модели проектирования судна и автоматизации работ на стадии его проектирования.

Основополагающее значение для проектирования судов нового поколения имеют работы известных учетных И. Г. Бубнова, В. М. Пашина, Л. М. Ногида, В. В. Ашика, В. Л. Поздюнина.

Развитие теории проектирования судов связано с работами В. Л. Поздюнина [56, 57], в которых нашли отражение пути создания методов определения главных размерений и коэффициентов общей полноты, а также применения статистики для проектирования судов. В работах В. В. Ашика [4] и Л. М. Ногида [49, 50] создана методическая база для решения общих проектнык задач. В работах В. М. Пащина [54v 55]>. рассмотрены математические модели по трем основным направлениям теории проектирования: определение основных характеристик, указывающих в техническом задании на проектированиеоптимизация элементов судна и его основных подсистемкоординация выбора проектных решений на научных уровнях проектирования судна как одной сложной системы. В работе В. А. Зуева [25] изложена методика определения основных элементов и характеристик морских транспортных судов на начальной стадии проектирования.

Следует отметить так же большой вклад в развитие методологии проектирования судов известных ученых: Г. В. Аракельяна, A.B. Бронникова, Н. Ф. Воеводина, А. И. Гайковича, Ю. Н. Горбачева, Е. М. Грамузова, Г. Ф. Де-мешко, Н. К. Дормидонтова, H.A. Ефремова, И. Г. Захарова, С. И. Логачева, В. И. Любимова, Н. В. Никитина, В. И. Поспелова, А. И. Ракова, В. Н. Разуваева, Е. П. Роннова, Г. В. Савинова, Б. М. Сахновского, Н. Б. Севастьянова, В. Б. Фирсова, Ю. А. Шиманского, и Б. А. Царева.

В работе [49] проф. Л. М. Ногид отметил: «теория проектирования судов не может охватить все возможные на практике случаи, и вынуждена ограничиться рассмотрением вопросов, имеющих более или менее общее значение». Необходимо отметить, что проф. Л. М. Ногид был первым, кто обратил внимание проектантов на необходимость использования методов технико-экономического анализа для обоснования характеристик рыболовных судов. При проектировании, должна быть установлена связь между техническими характеристиками судна и его экономическими показателями, выявлены наиболее важные характеристики, оказывающие влияние на эффективность работы судна. На начальной стадии проектирования промысловых судов, кроме этого, должна быть определена связь между показателями, характеризующими район промысла и оптимальными значениями технических характеристик судна.

В работе Н. Ф. Воеводина [13] впервые сформулировано понятие «оптимального варианта» применительно к автономному траулеру. Автор предложил для оценки оптимального с технико-экономической точки зрения варианта судна использовать показатели производительности и рентабельности работы судна и соответствие его основных элементов, вместимости и запасов топлива выбранной продолжительности рейса. Автор проанализировал различные характеристики, определяющие производительность и рентабельность рыболовного траулера и назначил две группы переменных. Первую группу переменных составили: улов в единицу промыслового времени, удаление района промысла от базы и общее эксплуатационное время за год. Эти переменные вызывают плавное изменение экономических функций и подлежат предварительному определению. Вторую группу переменных составили: скорость хода и время рейса (автономность). От величины этих переменных экономические критерии принимают экстремальные значения. Для определения оптимального варианта предложено выполнять вариационные исследования только по двум переменным.

Дальнейшее развитие методических основ оптимизации, применительно к рыболовным судам связано с известной работой А. И. Ракова [60]. Автор проанализировал факторы, определяющие характеристики промысловых судов, изложил общую методику расчета их технико-экономических показателей и рассмотрел применение этой методики к промысловым судам различного назначения. В материалах посвященных добывающим судам, А. И. Раков обратил внимание на особенности работы автономных добывающих судов и выполнил анализ приведенных затрат добывающего судна. В работе Г. В. Аракельяна [2] поставлена задача оптимизации характеристик промыслового комплекса добывающих судов и различных судов обеспечения. Рассмотрена многосторонняя связь между эксплуатационно-техническими характеристиками судов и их производительностью, то есть выловами, и взаимодействием судов на промысле. В работе М. В. Войлошникова и М. Б. Безугловой [14] рассмотрены вопросы экономической эффективности промысловых судов в условиях рыночной экономики.

В области проектирования рыболовных судов для Вьетнама можно отметить работу Во Ван Чака [12], посвященную задаче ходкости Вьетнамских рыболовных судов для Тонкинсткого залива, и работу Нуен Куанг Минь [51], в которой рассмотрена задача остойчивости малых рыболовных вьетнамских судов. Проектному обеспечению прочности и надежности корпусов судов посвящены работы Е. М. Апполонова, JI.M. Беленьского, Г. Б. Бойцова, A.C. Брикера, Е. П. Бураковского, В. Н. Волкова, Г. В. Егорова, В. В. Козлякова, ЯМ. Короткина, В. А. Кулеша, А. И. Максимаджи, A.A. Осняча, В. А. Постнова, В. И. Сутырина.

Математические методы оптимального проектирования конструкций, систематизированы и развиты в работах A.A. Родионова. Современным методам автоматизированного и параметрического проектирования корпуса посвящены работы В. Н. Тряскина [73]. Вопросы проектирования корпуса промысловых судов рассмотрены в работе А. И. Симановича и Б. А. Тристанова [68]. Основы расчетного проектирования конструкций корпуса судна рассмотрены в работах Н. В. Барабанова [5], А. Л. Васильева [10].

Опыт проектирования судов различного назначения показал, что на выбор основных характеристик и элементов судна влияют не только факторы, определяющие экономическую эффективность судна, но и факторы в виде ограничений, отражающих требования к его другим важнейшим качествам. При проектировании рыболовных судов важными факторами являются: характеристика сырьевой базыформа организации рыболовного промыслазатраты на постройку, эксплуатацию и ремонт суднатребования к современному техническому уровню исполнения доминирующих подсистем (корпус, энергетической, гидродинамический и добывающий технический комплексы). Сегодня совершенствование проектов рыболовных судов рассматривают не только с точки зрения улучшения их экономических показателей, но и улучшения других качеств, обеспечивающих конкурентоспособность судна. Одним из важных показателей качества судна является его вибрационное состояние, которое оказывает существенное влияние на работоспособность и здоровье людей. Поэтому в СССР, а также Вьетнаме, были введены санитарные нормы вибрации, предназначенные обеспечить необходимые условия вибрационной обитаемости для экипажа и пассажиров на судах.

Опыт применения этих норм в СССР и России показал, что существующий научно-технический уровень создания судов различного назначения пока не позволяет осуществить их полную реализацию. Как компромисс между медицинскими требованиями и техническими возможностями судостроительного производства с Российской Федерации взамен СН-1103−73 были введены более мягкие санитарные нормы вибрации СН—2.5.2.048−96.

Введение

в действие санитарных норм вибрации расширило регламентируемый частотный диапазон и ужесточило требования к предельно допустимым уровням вибрации в местах пребывания людей, создало предпосылки для системного анализа вибрационных условий обитаемости на действующих судах, а также обусловили необходимость разработки методической базы по обеспечению этих норм на стадии проектирования судна.

Высокий уровень вибрации на средних рыболовных судах объясняется отсутствием методического обеспечения. Отсутствует методика определения собственных частот колебаний корпуса на ранних стадиях проектирования рыболовного судна, а также методика оптимизации подсистем «корпус — двигатель — движитель» для недопущения резонансных колебаний корпуса этого типа судов. В современных условиях, проектному обоснованию экономической эффективности, безопасности мореплавания и обеспечению надлежащих условий обитаемости на судах уделяют первостепенное значение. Необходимость таких проектных обоснований обусловлена требованиями рыночной экономики, требованиями обеспечения санитарных норм вибрации и требованиями методики повышения безопасности на море, введенной в действие Международной морской организацией (1МО). Количественная оценка не только экономических показателей эффективности судна, но и других важнейших показателей его качества, обязывает проектанта решать многокритериальные задачи оптимизации характеристик судна.

Как отмечено в работе [1], А. Н. Крылов, проведя ряд экспериментальных исследований вибрации на кораблях, пришел к фундаментальным выводам, заложившие основы современной науки о вибрации:

— основными направлениями борьбы с повышенной вибрацией судов являются снижение уровня возмущающих усилий и исключение резонансных колебаний корпуса и корпусных конструкций судна;

— эффективное исключение резонансов может быть осуществлено на базе совершенных расчетных методов, позволяющих надежно прогнозировать значения собственных частот конструкций на стадии проектирования судна;

— исследования корабельной вибрации должны носить комплексный рас-четно-экспериментальный характертолько на базе синтеза расчетных и экспериментальных методов возможна эффективная борьба с повышенной вибрацией.

С учетом изложенного выше, следует, что обеспечение норм вибрации на стадии проектирования судна можно достигнуть за счет решения следую^ щих задач:

— разработки проектных решений направленных на существенное уменьшение величины возмущающих усилий, индуцируемых на корпус судна гребным винтом и главным двигателем и определение амплитудных значений колебаний корпуса;

— полного исключения резонансных режимов колебаний корпуса судна и его основных конструкций;

— исключения резонансных режимов для первых трех тонов колебаний корпуса и уменьшения величины возмущающих усилий, индуцируемых на корпус судна гребным винтом и главным двигателем;

— исключения резонансных режимов для первых трех тонов колебаний корпуса и устранение колебаний корпусных конструкций в местах, где расположены обитаемые помещения.

Задача исключения первых трех тонов из резонансных колебаний корпуса судна обусловлена следующими факторами:

— необходимостью обеспечения наиболее благоприятных условий безопасности здоровья экипажа на судах, связанных с удалением резонансных колебаний корпуса от частот колебаний жизненно важных органов человека;

— необходимостью сохранения общепринятой целевой функции, так как увеличение числа отстраиваемых собственных частот от резонансных режимов приведет к тому, что целевая функция обеспечения норм вибрации будет доминантой к целевой функции экономической эффективности для судна;

Поэтому, в диссертационной работе решается первая и наиболее важная задача, связанная с обеспечением норм вибрации — исключение появления резонансных режимов для первых трех тонов колебаний корпуса в вертикальном и горизонтальном направлениях на ранних стадиях проектирования судна. Дальнейшее развитие работы может идти по трем направлениям:

— исключение резонансных колебаний основных корпусных конструкций;

— снижение виброактивности гребного винта и главного двигателя и определение амплитудных значений колебаний корпуса;

— оптимизация корпусных конструкций, с точки зрения уменьшения их металлоемкости и обеспечения норм прочности и вибрации.

При разработке методики определения проектных характеристик и элементов СРТ для Вьетнама, в работе использованы методические походы, разработанные А. И. Раковым, Н. Б. Севастьяновым, М. В. Войлошниковым и М: Б. Безугтовой. Вместе с тем, они не предусматривают решения задач связанных с обеспечением норм вибрации на рыболовных судах. Из технической литературы известны математическая модель проектного обоснования характеристик малых судов и катеров с учетом факторов обитаемости [82] и математическая модель проектных характеристик судов смешанного и внутреннего, плавания с учетом доминирующих факторов эксплуатации [67]. Однако эти модели не учитывают особенностей проектирования и эксплуатации рыболовных траулеров. Это обуславливает необходимость решения новой и актуальной, задачи, разработки методики определения проектных характерна стик и элементов СРТ с учетом их многокритериального анализа в автоматизированном режиме поиска оптимальных проектных решений. Эта методика должна, у читывать технико-экономические условия < эксплуатации, присущие судам этого типа в Республике Вьетнам, что позволит обеспечить эффективную эксплуатацию судна для всего периода его жизненного цикла.

Разрабатываемая методика определения проектных характеристик СРТ, предназначенных для эксплуатации во Вьетнамском море, является важной научно-технической и социальной задачей для Республики Вьетнам.

Объектами исследования являются средние рыболовные траулеры, методы определения проектных характеристик и элементов рыболовных судов, а также методы оптимизации.

Целью работы является разработка способов, алгоритмов и программных комплексов, решающих задачу проектного обоснования характеристик и элементов средних рыболовных траулеров, обеспечивающих достижение заданного уровня их экономической эффективности и нормативных условий вибрации.

Задачи, решаемые в работе:

1. Обосновать экономические показатели для проектирования СРТ;

2. Выполнить анализ основных характеристик и элементов СРТ на основе статистических данных;

3. Разработать математическую модель функционирования СРТ;

4. Определить частоты собственных колебаний корпуса судна и коэффициенты редуцирования деформации сдвига для ряда проектов СРТ;

5. Разработать расчетные формулы для определения частот собственных колебаний корпуса СРТ в автоматизированном режиме расчета;

6. Разработать алгоритм оптимизации подсистем «корпус-двигатель-движитель» для недопущения резонансной вибрации корпуса;

7. Разработать алгоритм оптимизации и математическую модель определения проектных характеристик и элементов СРТ с учетом норм вибрации.

Методы исследования и решении. Для решения задач, поставленных в работе, потребовались регрессионный анализ статистических данных объекта исследования, алгоритм оптимизации: методы Ньютона и сопряженных градиентов, аппарат и программные продукты Auto CAD, систем Visual Basic for Applications и средств Microsoft Office.

Научная новизна работы. В результате проведенных исследований получен ряд новых научных результатов, которыми являются статистические расчетные зависимости, расчетные формулы определения параметров вибрации, математические модели, алгоритмы определения и оптимизации про^ ектных характеристик и элементов и программные комплексы, позволяющие обосновать основные проектные характеристики СРТ.

Новые результаты конкретно включают в себя:

1. Методику определения оптимальных проектных характеристик и элементов СРТ на ранних стадиях проектирования, обеспечивающих достижение заданного уровня их экономической эффективности и нормативных требований вибрации;

2. Расчетные формулы для определения частот собственных колебаний корпуса судна и коэффициенты редуцирования, учитывающие деформацию сдвига от номера тона;

3. Расчетные формулы для определения стоимости постройки и рыночной стоимости СРТ в зависимости от его возраста;

4. Статистические расчетные зависимости для определения основных характеристик и элементов СРТ на начальных этапах проектирования;

5. Математическую модель функционирования СРТ;

6. Математическую модель и алгоритм оптимизации подсистем «корпус-двигатель-движитель»;

7. Математическую модель, алгоритм и программные комплексы определения оптимальных проектных характеристик и элементов СРТ с обеспечением норм вибрации.

Практическая значимость. Практическая значимость диссертационного исследования обеспечена его прикладной направленностью, связанной с определением проектных характеристик и элементов средних рыболовных траулеров для освоения новых морских районов Республики Вьетнам. Разработана методика определения проектных характеристик и элементов СРТ с обеспечением норм вибрации на ранних стадиях проектирования в автоматическом режиме поиска оптимальных проектных решений, за счет создания новых расчетных алгоритмов и программных комплексов, приспособленных к применению в практике для СРВ.

Достоверность результатов.

Достоверность результатов диссертационного исследования обеспечена тщательным выбором экономических показателей при проектировании СРТ для Республики Вьетнам, использованием достоверных источников при получении статистических и расчетных данных необходимых для решения проектной и вибрационной задач, применением апробированных методов для определения проектных характеристик и элементов судна. Результаты выходных параметров оптимизированного проекта судна сопоставимы с данными судна прототипа.

Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в практике проектирования и постройки судов в судостроительной компании «Хонг Ха» (г. Хайфон, Вьетнам).

Апробация. Основные результаты исследования представлялись на международных научных конференциях «ИННОВАЦИИ В НАУКЕ И ОБРАЗОВАНИИ» в 2008 и 2009 г. КГТУ. Материалы диссертационного исследования докладывались на научно-технических семинарах кафедры кораблестроения КГТУ в 2008;2010 г.

Публикации. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 8 работах. Из них 3 работы выполнены в личном авторстве, доля автора в остальных в среднем 40%. В изданиях, рекомендованных ВАК, опубликовано 2 статьи (доля автора 50%).

Обоснованность научных положений обеспечена тщательным выбо^ ром экономических показательней при проектировании СРТ для СРВ, использованием достоверных источников при получении статистических и расчетных данных, используемых для определения проектных характеристик и элементов судов, результатов анализа вибрационных условий обитаемости на них, установлением общих закономерностей изменения частот собственных колебаний корпусов судов в зависимости от целого рядов факторов.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений. Объем основного текста содержит 220 стр. (включая 59 таблиц и 68 рисунок). Объем приложений содержит 30 стр. В списке литературы 93 наименований.

Структурная схема постановки задач диссертационной работы показана на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема постановки задач в диссертационной работе.

Основные выводы и результаты диссертационной работы:

Выполнен анализ состояния рыболовного промысла в Республике Вьетнам, который показал необходимость создания современного среднего рыболовного флота. Обоснованы район промысла в Юго-Восточной области вьетнамского моря и автономная форма промысла, а также получены расчетные зависимости изменения среднесуточного расхода дизельного топлива на единицу мощности главного двигателя для разных режимов работы СРТ;

2. Обоснованы экономические критерии. Выполнен анализ статистических данных стоимости СРТ во Вьетнаме и Юго-Восточной Азии получены формулы для определения стоимости постройки СРТ по затратному и сравнительному походам, а также расчетные формулы текущей рыночной стоимости СРТ в функции от изменения его возраста;

3. Выполнен анализ статистических данных проектных характеристик и элементов СРТ. Получены статистические расчетные зависимости для определения основных характеристик и элементов СРТ на начальных этапах проектирования;

4. Выполнен анализ санитарного нормирования вибрации и вибрационного условия обитаемости на СРТ. Результат анализа показал, что уровни вибрации на СРТ существенно превышают санитарные нормы;

5. Выполнен анализ влияний нагрузки масс, деформации сдвига и конструкции корпуса на изменение собственных частот колебаний корпуса средних рыболовных судов;

6. Выполнен расчет частот собственных колебаний корпуса средних рыболовных судов и обработка полученных результатов расчета. В результате обработки получены расчетные формулы для определения параметров вибрации СРТ;

7. Разработана математическая модель организации рыболовного промысла функционирования СРТ;

8. Разработаны математическая модель и алгоритм оптимизации подсистем «корпус-двигатель-движитель»;

9. Разработаны математическая модель и алгоритм определения оптимальных проектных характеристик и элементов СРТ с обеспечением норм вибрации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

В диссертационном исследовании решена новая и актуальная задача, имеющая народнохозяйственное значение — разработка методики определения проектных характеристик средних рыболовных траулеров с учетом их многокритериального анализа в автоматизированном режиме поиска оптимальных проектных решений.