Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Скоростные катамараны как один из типов скоростных судов 16
1.1. Основные типы скоростных судов 16
1.2. Скоростные катамараны от прошлого до наших дней 21
1.3. Обзор рынка скоростных катамаранов 31
1.4. Основные преимущества и недостатки судов различных типов 36
ГЛАВА 2. Особенности проектирования судов для внутренних водных путей союза мьянма 39
2.1. Внутренние водные пути Союза Мьянма и их особенности 39
2.1.1. Внутренний водный транспорт 40
2.1.2. История речного судоходства по Ирравади 41
2.1.3. Речной водный путь Мьянмы 45
2.2. Влияние основных ограничений геометрии внутренних водных путей на проектирование судов: глубина и ширина, габариты 48
2.3. Докритические и сверхкритические скорости 52
ГЛАВА 3. Внешняя задача теории проектирования для скоростных речных катамаранов 65
3.1. Понятие о внешней задаче теории проектирования судов 65
3.2. Пассажирские перевозки в Союзе Мьянма 74
3.3. Использование скоростных речных катамаранов 80
3.4. Использование скоростных катамаранов в чрезвычайных ситуациях 84
Глава 4. Методика проектного обоснования и разработка проекта пассажирского катамарана 87
4.1. Сбор и анализ статистической информации по скоростным катамаранам 87
4.2. Определение главных размерений проектируемого катамарана с известным дедвейтом 88
4.3. Расчет вместимости проектируемого катамарана 97
4.3.1. Классификация помещений, располагаемых на скоростных пассажирских катамаранах 100
4.3.2. Определение площадей помещений и площадок проектируемого катамарана 104
4.3.3. Распределение пассажирских мест и разработка схем общего расположения проектируемого катамарана
4.4. Расчет нагрузки проектируемого катамарана 112
4.5. Оценка ходкости катамарана в переходном режиме движения 120
ГЛАВА 5. Формулировка задачи и алгоритм реализации математической модели оптимизации основных характеристик скоростных катамаранов для внутренних водных путей союза мьянма 138
5.1. Формулировка задачи оптимизации основных характеристик скоростных катамаранов для внутренних водных путей Союза Мьянма 138
5.2. Алгоритм реализации математической модели оптимизации основных характеристик скоростных катамаранов для внутренних водных путей Союза Мьянма 149
5.3. Анализ результатов оптимизации 161
Заключение 170
Литература 172
- Скоростные катамараны от прошлого до наших дней
- История речного судоходства по Ирравади
- Пассажирские перевозки в Союзе Мьянма
- Классификация помещений, располагаемых на скоростных пассажирских катамаранах
Скоростные катамараны от прошлого до наших дней
История судов катамаранного типа насчитывает не одно тысячелетие. Эта история, как и само искусство судостроения «восходит до глубочайшей древности и теряется не только в недошедшей до нас истории исчезнувших цивилизаций таких народов как предшественники ассирийцев, финикийцев, древних египтян, но оно предшествует даже самой культуре и цивилизации» [13]. Академик А.Н. Крылов пишет о «катамаранах сингалезов и малайцев» как о крепких и надежных кораблях.
Малайско-полинезийское название катамаранов свидетельствует об истории их развития в далеком прошлом, которая связана с судоходством жителей островов Океании. Термин “катту марам” превратился в современный термин «катамаран». М.Я. Алферьев пишет о том, что у жителей Коромандельского побережья Индостана, Малайского архипелага и многих других островов Тихого и Индийского океанов челны с вынесенными в сторону от бортов бревнами-балансирами, соединенными общей платформой-палубой, а также две или три лодки, связанные из нескольких стволов деревьев плотики и многие другие разновидности примитивных судов, обеспечивающих безопасность плавания в условиях морского волнения называли “катту марам” [3]. Достаточно подробное описание катамаранов дано ниже по материалам работы [3].
Двухбалансирное парусное судно- Рис.1.3. Двухкорпусное парусный катамаран судно-катамаран Первоначально создание катамаранных судов подчинялось идее обеспечения мореходности относительно малым судам океанского плавания. Балансирное бревно или поплавок, расположенные на некотором расстоянии от борта основного корпуса, увеличивают его остойчивость при плавании на бурном волнении. Катамараны такого типа вполне мореходны, и на них под парусами туземцы совершают дальние рейсы. Наряду с однобалансирными применяют и двухбалансирные лодки с симметричной установкой поплавков, например парусное судно, распространенное у жителей Филиппинских островов рис.1.2.
Остойчивость на волнении можно обеспечить, если соединить платформой две лодки и сохранить между внутренними бортами последних некоторый промежуток. Такой примитивный катамаран жителей Новой Гвинеи показан на рис.1.3. В Европу катамараны вернулись после почти 2000 лет забвения в XVII веке. В Англии около 1660 г. была разработана конструкция катамарана, позволившая обосновать его преимущества перед традиционными однокорпусными судами, в том числе по ходкости. В 1875 г для грузовых и пассажирских перевозок через пролив Ла-Манш между Англией и Францией был построен. английский канальный пароход «Касталия» (Castalia), общий вид которого показан на рис.1.4. Судно состояло из двух одинаковых корпусов длиной 89,5 м, шириной 5,2 м и осадкой около 2 м. Расстояние между корпусами 7,9 м. Размеры надстройки по длине 51 м, ширине 18 м и высоте примерно 2,5 м. В ней размещались комфортабельные пассажирские салоны и каюты.
В Бирме (ныне Союз Мьянма) так называемые королевские катамараны (рис.1.5) были построены и использовались королями страны в XVII веке. Катамараны были также предназначены для перевозок в религиозных целях. Короли катались на них и осматривали достопримечательности страны. Корпуса катамаранов были построены в форме птицы Гаруды. По древней мифологии царь золотой птицы назывался “Хин Тар”. Надстройка такого катамарана была построена как королевский дворец.
Несколько катамаранов было построено в Англии в XIX в. На реке Миссисипи в США в XIX в. эксплуатировались паровые катамараны в количестве более 12 единиц. Они имели три гребных колеса, одно из которых располагалось между корпусами, а два –снаружи корпусов судна. Курсировавший между Новым Орлеаном и Алжирсом катамаран “ Томас Пиклес” пророботал около 50 лет, перешагнув из XIX в XX век. В начале XX в. интерес к катамаранам был незначителен.
Первый скоростной катамаран был построен в Советском Союзе в 1938 г. Это был пассажирский глиссер «Экспресс» (рис.1.6), эксплуатация которого началась в 1940 г. на линии Сочи-Сухуми. При пассажировместимости 130 человек (экипаж - 12 чел.), водоизмещении 42 т и мощности энергетической установки 2200 кВт это судно развивало скорость с полным грузом 46 уз, а максимальная скорость катамарана при повышенных оборотах двигателя составляла 53 уз. Pис.1.6. Пассажирский глиссирующий катамаран «Экспресс »
В 70-х годах прошлого века в СССР проводились систематические исследования развития быстроходных водоизмещающих судов, в том числе СК . В 1975г. в городе Великий Устюг был построен и спущен на воду первый быстроходный российский пассажирский катамаран «Анатолий Угловский» (рис.1.7) для использования на внутренних водных путях . Этот пассажирский теплоход пассажировместимостью около 300 человек, длиной 47,7 м был предназначен для эксплуатации на мелководных реках с глубинами свыше 1,2 м и на внутренних водоемах без ограничения по погоде . Он развивал скорость свыше 40 км/час, как на глубокой, так и на мелкой воде. Рис.1.7. Пассажирский катамаран «Анатолий Угловский»
На теплоходе был пассажирский салон на 142 места, восемь четырехместных кают, расположенных в амортизированном блоке надстройки, имелась также открытая и защищенная от ветра пассажирская площадка на более чем сотню пассажиров. При массовых перевозках теплоход принимал до 500 пассажиров, осуществлял их посадку и высадку у необорудованного берега. Высокие эксплуатационные качества судна были подтверждены его успешной многолетней эксплуатацией [18].
Действительно, начиная с середины 60-х гг. растет число скоростных пассажирских паромов. В середине 80-х появляются скоростные автомобильно-пассажирские паромы численность которых также постоянно растет . С 1990 по 1997 г. число скоростных паромов, находившихся в эксплутации, увеличилось на 43% (с 570 до 814 ед.), при этом их средняя пассажировместимость увеличилась примерно на 40%. Следовательно, суммарная пассажировместимость за это время возросла почти в два раза. Пик развития скоростных паромов приходится на конец 90-х гг., когда их длина достигла 140 м, а грузоподъемность - 500 автомобилей при пассажировместимости 1500 человек.
В 70-е гг. ХХ века норвежская фирма «Westаmarine» начала серийное строительство скоростных пассажирских катамаранов, и с этого момента число подобных судов стало неуклонно расти. В те годы лидерами в постройке быстроходных катамаранов были скандинавские страны, но уже в 1980-е гг. ситуация начала кардинально меняться, и в начале 1990-х гг. центром строительства быстроходных судов и катамаранов стала Австралия. Существует много причин такого изменения. Во-первых, Австралия находится в регионе, имеющем максимальный потенциал рынка быстроходных судов из-за наличия огромного количества островов, для нормального экономического развития которых необходимо совершенствовать и увеличивать транспортное сообщение, в том числе и морское паромное. Во-вторых, эта страна является развитой индустриальной, с динамично развивающейся экономикой, невысокой налоговой базой и наличием свободного капитала. В-третьих, на первых порах австралийское правительство всячески активно поддерживало судостроительный сектор экономики, что не могло не сказаться на динамике развития скоростного судостроения. И, наконец, Австралия -один из основных мировых поставщиков алюминия, а скоростные суда, как правило, строятся из алюминиевых сплавов.
В настоящее время планируется использование СК на пригородных линиях Санкт-Петербурга. Скоростной пассажирский катамаран "Меркурий" (рис.1. 8) будет работать на линии Санкт – Петербург – Зеленогорск. Судно вместимостью 70 пассажиров способно развивать скорость до 25 узлов или 45 км в час. Корпус судна выполнен целиком из стеклопластика. Катамаран собран на петербургской судостроительной фирме "Алмаз" [18]. Теплоход был построен в 2011 году за восемь месяцев. Руководство судоходной компании, использующей СК , планирует ими заменить суда на подводных крыльях «Метеоры».
История речного судоходства по Ирравади
Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований, включая натурные испытания скоростных катамаранов, показали, что, как представлено на рис. 2.9, все мелководные горбы волнового сопротивления возникают при Fn 0,5.Критическая скорость на любой глубине характеризуется тем, что коэффициент волнового сопротивления достигает максимального значения. Для критической скорости характерно также интенсивное волнообразование, вызываемое движущимся судном. После перехода области скоростей, близких к критической, снова начинается устойчивая зона движения - зона сверхкритических скоростей. Использование этой зоны перспективно для быстроходных водоизмещающих судов различного назначения.
Суда, спроектированные для эксплуатации в области сверхкритических скоростей, называют судами со сверхкритическими скоростями или сверхкритическими судами.На основании выполненных исследований была получена диаграмма, которую можно использовать для выбора проектной скорости катамаранов, предназначенных для эксплуатации на внутренних водных путях с различной глубиной фарватера, включая глубокую воду [29]. Эта диаграмма представлена на рис. 2.10. На этом рисунке по оси абсцисс отложена относительная глубина Фарватера h/L, где h- глубина фарватера, а L- длина судна. По оси ординат отложено число Фруда Fn . Рис.2.10. Скоростные зоны: I докритических скоростей; II - сверхкритических скоростей; III - неблагоприятных сверхкритических скоростей Если спроектировать катамаран на относительную скорость Fn 0,5, то он будет преодолевать мелководные горбы на любых глубинах и иметь практически постоянную скорость хода, независимо от глубины воды.
При проектировании судов для условий эксплуатации на мелкой воде оказалось продуктивным разделить их на две группы: суда с докритическими скоростями и суда со сверхкритическими скоростями. Для каждой из этих групп оптимальные проектные решения требуют специфического подхода.
При создании судов, предназначенных для эксплуатации на мелководных внутренних водных путях, со сверхкритическими скоростями, необходимо решение следующих проблем:
Указанные исследования были проведены при создании флота для внутренних водных путей и дали положительный конечный результат [29]. Они будут справедливы не только при эксплуатации флота на внутренних водных путях, но и для других случаев движения судов на мелкой воде.
В СССР была выполнена натурная проверка проведенных исследований при проектировании, постройке и последующей опытной эксплуатации скоростного пассажирского катамарана «Анатолий Угловский» (рис. 2.11) [15]. Первый пассажирский катамаран со сверхкритической скоростью «Анатолий Угловский», как ранее отмечно, водоизмещением около 100 т с габаритными размерами 47,7 х 9,08 х 2,6 м и пассажировместимосью около 300 человек был построен в городе Великий Устюг в 1975 году.
После постройки скоростного катамарана были проведены его натурные испытания на разных глубинах воды (рис. 2.12). Кривые мощности Ше, развиваемой энергетической установкой судна, в зависимости от скорости хода vk имеют характерные «горбы» при скоростях, близких к критической. В сверхкритической зоне на мелководье скорость хода судна несколько возрастает по сравнению с глубокой водой. Подробные результаты натурных испытаний этого скоростного катамарана содержатся в работе [16].
Результаты натурных испытаний скоростного катамарана «Анатолий Угловский» на разных глубинах воды Анализ натурных испытаний скоростного катамарана показал, что полученные данные по гидродинамике распространяются на двухкорпусные схемы и могут быть использованы для совершенствования скоростных катамаранов, предназначенных для эксплуатации на внутренних водных путях, в том числе мелководных. Опыт создания скоростного водного транспорта России полезен для Союза Мьянма, судоходные речные пути которого достигают 12,8 тыс. км. Для Союза Мьянмы наибольший интерес представляет судоходство на главной речной артерии страны - реке Ирравади. Эта река играет историческую роль, как основной водный пассажирский путь. Исследование перехода от докритических скоростей к сверхкритическим продолжается до наших дней. Теоретико экспериментальное исследование критической зоны для катамаранов изложено в работе [26]. Для ограниченного боковыми стенками мелководного канала использована величина к= , где Am - площадь поперечного сечения катамарана Fo - площадь сечения реки Протяжённость водного пути между городами Мандалай и Баган составляет 120 морских миль. Этот путь разделили на четыре сечения с расстоянием между сечениями в 30 морских миль. Ширины, глубины и приблизительные площади сечений показаны в табл 2.6.
Пассажирские перевозки в Союзе Мьянма
Экономичный класс; о Бизнес класс; о VIP класс. В свою очередь, по расположению пассажирских кресел относительно друг друга можно выделить два типа расположения. Однонаправленное расположение (тип АР); о Противоположное расположение(тип ОР). Площадь пассажирских салонов можно определить, используя формулу: SPC=SPCMPC,м2 ; (4.24) где рс - норматив площади выделяемой на одного пассажира; прс-число пассажиров в салоне.Диапазон значений Spc отличается для салонов разных классов и определяется статистическим путем. Так для пассажирского салона 2-ого класса удельная площадь выбирается из диапазона 0.6 0.9 м2/чел., для пассажирских салонов бизнес класса (1-ого класса) из диапазона 0.9....1.1 м2/чел., а для VIP салонов из диапазона 1.1....1.25 м2 /чел. Удельная площадь пассажирских салонов должна выбираться с учетом степени комфортабельности и длительности рейсов: о если длительность рейса не более одного часа, то коэффициент выбирается по минимальному значению; если длительность рейса от одного до двух часов, то выбирается среднее значение коэффициента; если длительность рейса от двух до шести часов, то удельная площадь выбирается по максимуму; если длительность рейса свыше шести часов, то выбирается значение удельной площади на десять процентов большее максимального; кроме того, рекомендуется рассмотреть каютную схему компоновки.
Сервисные помещения имеют прямое отношение к перевозимым пассажирам, поэтому их площади зависят от числа пассажиров.Таким образом, к помещениям применима формула (4.25) в виде: SSR=SSR.nPR ; (4.25) где 5Ж- норматив площади данного помещения на одного пассажира; nPR -число пассажиров относящихся к данному помещению. Так, например,если помещение рассчитано на обслуживание всех пассажиров парома, то nPR -общее число пассажиров парома; а если помещение рассчитано на обслуживание пассажиров конкретной палубы, то учитывается только число пассажиров этой палубы и т.д. Для баров этот номатив можно вычислить, используя следующую формулу: 4 =0.027 + 0.011; (4.26) Минимально допустимая площадь бара- 2,5...3 м2,что необходимо учитывать при разработке общего расположения парома.
Практический для всех сервисных помещений относительный норматив нелинейно зависит от числа пассажиров. Это связано с тем, что площадь сервисных помещений незначительно увеличивается с ростом числа пассажиров. Поэтому при использовании зависимостей относительных площадей рекомендуется выбирать относительные площади для паромов с пассажировместимостью менее 200 человек близкие к максимальному значению, для паромов с пассажировместимостью от 200 до 350 человек-близкими к среднему значению и для паромов с пассажировместимостью более 350 человек- близкими к минимальному значению.
Для камбуза норматив можно определить по формуле: sGLY =0.035 + 0.010; (4.27) В свою очередь для киосков норматив вычисляется по зависимости: sKSK =0.025 + 0.009 ; (4.28) Площадь багажных помещений вычисляется по формуле: itK;=o.035 + o.oi5 ; (4.29) Площадь одного санузла, как правило, находится в диапазоне: ыг =1.5 + 0.4 ; (4.30) Однако иногда площадь достигает 2,5 м2, если санузлы группируются в одно помещение с коридором.Такое расположение санузлов предпочтительней, так как повышает уровень комфортабельности на пароме ( уменьшается вероятность проникновения запахов в салон).Число санузлов на пароме можно определить по статистической формуле: пыг=о.02прк±\ ; (4.31) Корме того, к сервисным помещениям можно причислить вспомогательные проходы, которые используются для доступа к пассажирскому салону и для сообщения между кладовыми, багажными отделениями, гальюнами и камбузом.Норматив площади для них можно определить по формуле: =0.055 + 0.015 ; (4.32) Для служебных помещений характерно то,что их площадь не зависит напрямую от числа пассажиров, поэтому при их определении используются зависимости от других характеристик парома.
Площадь кают-компании зависит от числа членов экипажа, для которого она предусмотрена, поэтому её можно определить по формуле: W=w ; (4.33) где sMESS - норматив площади кают-компании на одного члена экипажа (\.5....2.2м/чел.);пск- число членов экипажа, использующих данные помещения. На скоростных катамаранах также размещают каюты экипажа. Нормативы площадей кают экипажа следующие:одноместная каюта- 4..5 м2, двухместная- 6...7 м2, а трехместная- 10....12 м2. Площади шахт и люков доступа в МО зависят от размеров двигателя, а значит и от его мощности (если используются однотипные двигатели, например, дизеля). Располагаются они прямо над машинным отделением, поэтому при разработке базовой палубы необходимо учесть как их размеры, так и расположение.Площадь шахты машинного отделения почти не изменяется для различных проектов разных фирм и колеблется в дипозоне 2.8...3.3 м2.Норматив площади люков доступа к двигателям машиного отделения можно выбрать из диапазона 0.055 + 0.010.
Классификация помещений, располагаемых на скоростных пассажирских катамаранах
Определение основных характеристик судов является определяющим вопросом внутренней задачи проектирования [1].
Математическое моделирование на начальных стадиях проектирования судна применяется, чтобы определить успешность функционирования судна и получить возможность исследования и имитации функционирования проектируемого судна в любых условиях. Применение математического моделирования с использованием соответствующих формул сводит задачу проектирования скоростных катамаранов к экстремальной задаче математического программирования.
Задача оптимизации основных характеристик скоростных катамаранов сформулирована следующим образом: где С - вектор технического задания, элементы которого представляют собой количественные и качественные требования к задаче; X - вектор оптимизируемых переменных (синтезируемых компонетов) задачи, содержающий п неперерывных и N-n дискрестных компонентов. Матрица хis предствляет собой таблицу допустимых значений для дискретных оптимизируемых переменных. Требование к задаче формулируются в виде совокупности равенств, неравенств и логических условий. Характеристики синтезируемой задачи описывается функциям Gj, а требования к характеристикам – соотвественно функциям Aj.
Для глобальной оценки соответствия качеств синтезируемой задачи целям ее создания применяется критерий эффективности (фукция цели) Z, монотонно связанный с такой оценкой. Наилучшей считается задача, для которой критерий достигает экстремального значения (минимума или максимума в зависимости от физической природы критерия) [12].
Использование компьютера и формальная постановка задачи проектирования как экстремальной позволили изменить методологию проектирования. Однократное решение «обратной» задачи (т.е. создание системы по ее заданным характеристикам) можно заменить многократным решением «прямой» задачи (т.е. определение характеристик как бы уже существующей системы).
Суть данной методологии состоит в следующем. Будем считать, что мы задали некоторый первоначальный вектор Х0, характеризующий искомые элементы задачи. Его компоненты – это значения, соответствующие серединам диапазонов возможных изменений этих компонент. Проверим выполнение требований к задаче и ее эффективность. Если какие-либо ограничения не выполняются, заменим вектор Х0 новым вектором Х1 и повторим процедуру проверки.
Такую замену вектора Хi вектором Хi+1будем производить до тех пор, пока для данного варианта не будут выполнены все ограничения. Оценим его эффективность по критерию, запомним результат и опять будем повторять процедуру замены до получения нового допустимого варианта. Затем из всех допустимых вариантов выберем наилучший по экстремальному значению выбранного критерия.
Взаимодействие математической модели задачи и алгоритма оптимизации в рамках данной технологии показано на рис.5.1. Алгоритм Xi Запоминание Вектор Х0 да k нет ir чг Критерий улучшен? нет Процесс оптимизации Математическая модель да ik н1 да Ограничения Выполнены нет Конец При оптимизации взаимодействуют математическая модель проектируемого судна и алгоритм оптимизации. Математическая модель дает вариант проектного решения, а алгоритм оптимизации организует построение такого вариантного ряда, который приводит к оптимальному решению.
Выбор алгоритма оптимизации определяется математическими характеристиками модели, а структура модели может определяться возможностями алгоритма оптимизации. Классификация алгоритмов оптимизации базируется на особенностях математических объектов, образующих постановку задачи. Существуют разные методы оптимизации применительно к проектированию судов [12]. В данной работе использованы методы Хука-Дживса и алгоритм случайного поиска.
Алгоритм случайного поиска эффективно используется для решения сложных экстремальных задач [12]. Он может применяться при любых типах функции критерия, ограничений и переменных. Алгоритм случайного поиска сравнительно быстро входит в окрестность оптимального решения, а релаксационный алгоритм Хука-Дживса используется для того, чтобы получить более точное решение уже в окрестности оптимальной точки. Эти методы изложены в работе [12].
Разработка математической модели играет главную роль при решении задачи оптимизации. Надежность выбранной математической модели определяет выполнение задачи оптимизации. На начальной стадии проектирования необходимо эффективно построить математическую модель для проектируемого судна. Общая блок- схема математической модели скоростных катамаранов для внутренних водных путей Союза Мьянма представлена на рис.(5.2). В этой блок – схеме приняты следующие сокращения: пассажирский скоростной катамаран – ПCК. Блок расчета эксплуатационно-экономических показателей работы судна (№10). Кратко рассмотрим назначение и функционирование каждого блока. В качестве вектора исходных данных С вводится основная начальная информация технического задания по проектируемому судну о пассажировместимость судна (пп,чел) или полезная нагрузка (Рпол,т); о эксплуатационная скорость судна (у&,узл); о дальность плавания судна ((Кпл,миль); о расчетная высота волны 3% обеспеченности ((h,%, м); о плотность воды (р, т/ м ); В качестве компонентов вектора оптимизируемых переменных Х для СК выбраны следующие непрерывные величины: