Методика проектирования гибкого ограждения амфибийных судов на воздушной подушке

Амфибийные суда и корабли на воздушной подушке (АСВП) успешно зарекомендовали себя благодаря уникальным эксплуатационным возможностям: движение с высокой скоростью и амфибийность, базирование на необорудованном берегу. В оборонной сфере ими обеспечивается выполнение десантных и патрульных операций, они используются они также в качестве кораблей охранения в ближней морской зоне, в работе пограничных и таможенных службах. Не менее успешны они и при использовании в гражданских целях в качестве амфибийных транспортных средств в условиях труднодоступных районов, заболоченной тундры, мелководного шельфа. Аналогичный опыт в зарубежье получен в Финляндии, в Великобритании, Канаде, на Аляске (США), в Китае. Реальный опыт эксплуатации в военной и гражданской областях насчитывает уже более 40 лет. Здесь Россия уверенно занимает лидирующие положение.

Для нашей страны с ее огромными пространствами тундры, шельфами Арктических и Дальневосточных морей, в которых сосредоточены более четверти мировых запасов углеводородного сырья, хозяйственно-экономическое освоение этих регионов является стратегической задачей, решение которой в значительной степени связано с проблемой по доставке тысяч тонн грузов. Традиционные способы транспортировки грузов в суровых природно-климатических условиях не могут в полной мере обеспечить решение этой крупномасштабной задачи.

В связи с этим, реализация возможности использования АСВП для транспортного обслуживания и обустройства объектов нефте — и газодобычи в трудно доступных районах крайнего Севера, Сибири и Дальнего Востока, следует считать актуальной, отвечающей современным тенденциям применения прогрессивных транспортных технологий в решении стратегической задачи — освоения природных ресурсов страны.

Эти проблемы ставят для проектантов такие задачи как совершенствование старых и разработка новых типов АСВП для возможности эксплуатации в условиях низких температур, повышенного пыле и грязеобразования, над снежным покровом, торосистыми и ледяными полями.

Широкое применение АСВП выдвинуло целый ряд новых технических задач, связанных с проектированием этих судов. В целом можно говорить о значительных успехах в разработке методологии проектирования АСВП [21,22]. Основной подсистемой этих аппаратов является гибкое ограждение (ГО) области воздушной подушки. крепящееся по ее периметру к нижней части жесткого корпуса и обеспечивающее.

10 судну повышение проходимости, амфибийности, остойчивости, минимизирующее затраты энергии на поддержание ВП.

Кроме того ГО относят к категории наиболее ответственных конструкций АСВП, от надежности и прочности которых зависит успешная эксплуатация этого вида транспортных средств. По мере совершенствования конструкций, накопления опыта проектирования и эксплуатации ГО их роль в обеспечении мореходных и амфибийных качеств СВП непрерывно повышается. Постоянно контактируя с подстилающей поверхностью и будучи изготовленным из прорезиненных синтетических материалов, ГО подвержено вибрации, флагеляции, истиранию, разрыву и имеет ресурс, многократно меньший, чем остальные подсистемы АСВП в целом и даже такие проблемные, как энергетическая установка, воздушные винты, воздухонагнетатели.

Характерной особенностью проектирования современных судов является, возрастающее значение технико-экономического анализа, внедрение расчетных методов поиска наилучших, т. е. оптимальных решений, обеспечивающих оценку эффективности применения разрабатываемых судов и их систем по сравнению с уже существующими или перспективными. В последние годы интенсивно развивается процесс автоматизации проектирования судов. Сказанное в полной мере относится и к проектированию ГО СВП. Сложность технических задач, стоящих перед разработчиками ГО, необходимость поиска их оптимального решения заставляют уже на самых ранних стадиях проектных проработок устанавливать форму ГО, выполнять расчетную оценку его прочности для различных вариантов конструкций, рассчитать его массу и по возможности минимизировать. Успешное решение этих задач в значительной степени определяется наличием надежного расчетного аппарата, поскольку, как показывает опыт проектирования, именно на начальных стадиях проектных проработок принимается более 90% всех принципиальных технических решений [44].

Форма и конструкция ГО может иметь большие многообразия [20, 22, 62], но наиболее распространен двухъярусный тип ГО, состоящий из надувного тороидального идущего по всему периметру ресивера, к которому крепятся навесные секционированные элементы. Этот тип ограждения является сам сложным, но наиболее эффективным из отечественных, разработке методики его проектирования и посвящена данная работа.

Проблемы повышения надежности, ресурса, массы, стоимости ГО являются комплексными и касаются: проектирования формы, автоматизации получения электронной модели геометрической поверхности ГО, обоснования свойств и характери.

11 стик применяемых конструкционных материалов, использования современных методов расчета прочности (МКЭ), выполнения автоматизированных расчетов массы ГО, автоматизированного раскроя материала ГО на секции, узлы, элементы для последующего выполнения их рабочих чертежей.

Для решения вышеобозначенных проблем требуется создать методику расчёта формы и построения теоретического чертежа ГО, удовлетворяющую современным требованиям, так как на сегодняшний день не существует целостной методики расчета формы всего ГО.

Методика расчета формы ГО и построения теоретического чертежа ГО должна:

— содержать способы расчёта и построения формы всех элементов и секций ГО;

— предписывать последовательность выполнения этих расчетов;

— обеспечивать адаптивность к CAD/CAM системам для возможности создания в них трехмерной параметрической модели ГО, с дальнейшим использованием её для расчетов прочности, ходкости, остойчивости, массы, построения разверток и выполнения чертежей общего расположения;

— быть пригодной для работы на ранних стадиях проектирования.

На основе созданной методики проектирования формы ГО в работе разработана трехмерная параметрическая модель ГО как основа электронного представления его в качестве предмета исследования и использования ее в CAD/CAM/CAE системах при создании АСВП.

Согласно [22], расчет общей прочности ГО складывается из определения внешних сил, расчета напряженно-деформированного состояния конструкций ограждения и нормирования прочности.

Расчетные методики, позволяющие уверенно прогнозировать прочностные характеристики натурного гибкого ограждения, в настоящее время отсутствуют, а попытки их создания встречают определенные трудности. В первую очередь это связано со специфическими особенностями применяемых для изготовления ГО полимерных материалов (резинотканевая оболочка, клеи, прошивные нити) и недостаточной изученностью внешних сил и процессов, протекающих в оболочке под действием различных эксплуатационных факторов. В то же время актуальность разработки более надежных методов расчета ГО на прочность подтверждается всем опытом проектирования и эксплуатации АСВП. Несовершенство существующих методов расчета сдерживает возможность уверенного выбора основных конструктивных решений и материала ГО до начала постройки судна и зачастую приводит к необходимости осушесчвлять их окончательный выбор по результатам опытной эксплуатации уже натурного объекта. Об этом свидетельствует как отечественный, так и зарубежный опыт постройки и эксплуатации АСВП. В целом, следует признать, что вопросы расчета прочности ГО в настоящее время разработаны недостаточно. Повышение надежности и точности расчета прочности ГО на данном этапе в значительной степени зависит от совершенствования методов расчета их напряженно-деформированного состояния. Для резинотканевых материалов запасы прочности принимаются примерно одинаковыми у различных элементов ГО.

В настоящее время оценка местной прочности проектируемых ГО производится только экспериментально (лабораторные, стендовые и натурные испытания).

Помимо создания методики расчета формы в работе решается задача — применения МКЭ для расчета напряженно-деформированного состояния конструкций ограждения в статической постановке с использованием ранее созданной здесь трехмерной модели ГО, как пример возможности применения созданной ЗБ модели в САЕ системах.

Как правило, в практике создания СВП проектирование ГО по времени осуществляется на заключительных стадиях проектирования судна. В то же время при проектировании АСВП уже на начальных стадиях требуется определить массу «устройства механического ограждения области ВП», причем сведения об устройстве и конструкции ГО весьма ограничены. Так в реальной практике, на стадии эскизного проектирования разрабатывается лишь теоретический чертеж ГО, на стадии технического проектирования дополнительно осуществляется разбивка ГО на секции и основные элементы его конструкции.

В работе решена задача — определения массы «устройства механического ограждения ВП» в зависимости от имеющихся в распоряжении проектанта геометрических, конструктивных и проектных характеристик как непосредственно ГО, так и всего судна в целом. С этой целью выполнен обстоятельный статистический анализ масс элементов натурных ГО и массы крепежа ГО к корпусу целого ряда существующих АСВП.

Таким образом работа представляет собой практическую реализацию информационной модели ГО АСВП, рассматриваемой как подсистема судна (см. рис. 1).

Кроме этого реализована возможность использования созданной здесь трехмерной модели ГО для получения автоматизированного раскроя материала ГО на секции, узлы, элементы для последующего выполнения рабочих чертежей.

Проектные данные:

Р. Л, Вп, В., г*, Ьга, а5 ИГА&bdquoЦ.К, «ю, а,.

Расчет напряженно-деформированного состояния в АКБУЗ.

Расчеты:

— посадки;

— удифферентовки.

— остойчивости;

— ходкости;

— качки;

— воздуховодного тракта.

Нормирование прочности.

Расчет формы.

Трехмерная параметрическая модель ГО /.

Расчет прочности ГО.

Выбор материала для элементов ГО.

Геометрические характеристики ГО.

Иерархическая структура трехмерной модели ГО.

Задание характеристик резинотканевых материалов для элементов ГО.

Теоретические х-ки элементов трехмерной модели ГО.

Расчет массы (группы стандарта нагрузки) 'устройства механического ограждения ВП" .

Выпуск документации на стадиях эскизного и технического проекта.

Выпуск рабоче-конструкторской документации.

Создание интерактивных электронных технических руководств.

Получение разверток ГО (например в системе Рогап).

Сборочные чертежи.

Рисунок 1 — Информационная модель ГО АСВП.

Проектные данные:

В, К&bdquoВ,. В, 7*, Ь,.Л",. Ь,"Ли, Ц. С ЯД" .

Расчет тпряжяшо-деформирова! шого состояния вАЫЯУ5.

Расчеты.

— посадки;

— удифферекговюц.

— остойчивости;

— ходкости;

— качки:

— аоодуховодшго тракта. армирование Прочности.

Расчет формы ГО.

Трехмерная параметрически модель ГО /.

Расчет прочности ГО.

Выбор материала дляэлементов ГО.

Иерархическая сгрукгура трехмерной модели ГО.

Задание характеристик резинотканевых метервалов для элементов ГО.

Тк^пяч к кне х-юплежнтм трехмерной модели ГО.

Расчет массы (труппы стандарт нагрутаО 'устройства кемеитажого ограждения В1Г.

Выпуск докумешшии на стадиях эсюпного и техническое проекта.

Выпуск рабоче-шнсгруторской документации.

Создание интерактивных электронных технических руководств.

Получение разверток ГО (например в системе Гогал).

Сборочные чертежи.

Рисунок 1 — Информационная модель ГО АСВП.

Работа состоит из введения, 5-ти глав, заключения, списка литературы из 151 наименования.

Первая глава посвящена созданию физических и математических моделей геометрических поверхностей ГО и соответствующей методики расчета формы.

Вторая глава посвящена созданию трехмерной параметрической модели ГО.

В третьей главе рассмотрены свойства и характеристики применяемых конструкционных материалов (из области резинотехники). Использован современный метод расчета прочности (МКЭ), для расчета напряженно-деформированного состояния ГО в статической постановке.

В четвертой главе выполняется автоматизированный расчет массы ГО на основе трехмерной модели геометрической поверхности и регрессионных исследований по существующим АСВП.

В пятой главе реализована возможность использования созданной трехмерной модели ГО, для получения автоматизированного раскроя.

В заключении сформулированы основные результаты исследований, представленных в диссертации.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Предложена оригинальная комплексная методика проектирования формы гибкого ограждения, содержащая способы расчёта и построения формы всего гибкого ограждения;

2. Для автоматизации процесса проектирования гибкого ограждения на основании полученных расчетных зависимостей и предложенной методики проектирования формы ГО в CAD/CAM системе Autodesk Inventor, создана трехмерная параметрическая модель ГО, позволяющая рассчитывать геометрические параметры сразу всего гибкого ограждения, а также получать традиционный теоретический чертеж ГО;

3. С использованием системы ANS YS выполнен статический расчет прочности всего ГО, определены натяжения и деформации во всех точках ограждения. Выявлены наиболее нагруженные узлы конструкции. Это позволит при изготовления узлов и элементов ограждения рационально выбирать марки резинотканевых материалов с учетом их реальных физико-механических характеристик и снижать массу ГО;

4. Разработана методика расчета массы ГО в зависимости от имеющихся в распоряжении проектанта геометрических, конструктивных и проектных характеристик как самого ГО, так всего судна в целом. С этой целью выполнен обстоятельный статистический анализ масс элементов натурных ГО и массы крепежа ГО к корпусу существующих АСВП. Получены зависимости для определения массы ГО на различных стадиях проектирования с использованием созданной здесь трехмерной параметрической модели ГО.

5. Показана возможность экспорта созданной трехмерной параметрической модели ГО в тяжелые CAD/CAM системы, например в FORAN. Произведена развертка поверхности ГО. Полученный раскрой элементов ГО может быть использован для выполнения рабочих чертежей (например, в AutoCAD’e).