Исследование динамических воздействий на объекты ракетно-космической техники при морской транспортировке тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Широков, Сергей Витальевич

• Широков, Сергей Витальевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Широков, Сергей Витальевич

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1 Анализ состояния проблемы и постановка задачи

исследования

2 Разработка математических моделей динамических

воздействий на объект

3 Исследование динамических воздействий

на изделие

4 Исследование влияния характеристик средств транспортирования на величину динамического воздействия на транспортируемое

морем изделие РКТ

Основные результаты и выводы

Библиографический список

Приложение А. АКТ об использовании результатов кандидатской диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование динамических воздействий на объекты ракетно-космической техники при морской транспортировке»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. После завершения производства ракет-носителей (РН) одним из важнейших вопросов является ее транспортирование в эксплуатирующую организацию.

Транспортирование блоков РН осуществляется горизонтально в защищающих от внешних атмосферных условий специальных контейнерах, в которых блоки РН, в отличие от большинства других грузов, закрепляются непосредственно к несущей раме без защитной оболочки. На блоки РН при этом воздействуют динамические нагрузки, характер которых отличается от нагрузок, воздействующих на РН в полете.

Проблема сохранения эксплуатационных характеристик РН в процессе транспортирования может решаться либо усилением конструкции последней, что увеличивает ее массу, либо ограничением допустимых перегрузок при ее транспортировании. Ранее транспортировка внутри нашей страны осуществлялась железнодорожным или автомобильным транспортом. Для этих условий проблема исследования нагрузок на транспортируемое изделие ракетно-космической техники (РКТ) достаточно изучена, разработаны и широко используются математические модели, позволяющие расчетными методами определить значения этих нагрузок и провести их анализ.

В настоящее время в связи с расширением географии использования объектов отечественной РКТ возникают ситуации, приводящие к необходимости транспортирования блоков РН на большие расстояния из европейской части России на космодромы Южной и Северной Америк, Юго-Восточной и Восточной Азии, в районы запуска в Индийском Океане. В результате этого возникла необходимость использования морского транспорта для доставки оборудования и изделий РКТ в требуемую точку. Разработка материалов настоящей диссертации осуществлялась в рамках проведения работ по созданию ракетно-космического комплекса для РН «Союз-СТ» в Гвианском Космическом Центре.

В процессе транспортирования морским транспортом динамические воздействия на перевозимое изделие отличаются от динамических воздействий при транспортировании железнодорожным или автомобильным транспортом. Для случая морской перевозки возмущающие воздействия на объект транспортирования передаются посредством воздействия на судно морского волнения, определяемого высотой волн, скоростью их набегания, курсовым углом и другими параметрами.

Для определения динамических воздействий на судно отечественными учеными А. Н. Крыловым,В. В. Семеновым-Тянь-Шаньским, А. М. Васиным, Ю. В. Ремезом, Л. Л. Вагущенко,С. Н. Благовещенским, М. А. Бельговой, Р. В. Борисовым,А. Н. Малышевыми др. было разработано большое количество математических моделей, позволяющих определить его поведение под воздействием волнения воды. Однако модели, разработанные указанными авторами, не учитывают в совокупности динамические воздействия на транспортируемое изделие, зависящее от параметров морского волнения, динамических характеристик судна, упруго-диссипативных свойств транспортируемых изделий и средств крепления изделий на транспортном средстве. Вопрос определения нагрузок на перевозимых судном объектах в настоящее время изучен только для традиционных грузов, в то время как способы закрепления объектов РКТ на судне имеют свои отличия, обусловленные совокупностью конструктивных особенностей, большими габаритами, высокими требованиями по допустимым нагрузкам и другими причинами. В существующих моделях эти вопросы не учитываются, в связи с чем, требуется разработка новых математических моделей, позволяющих определять возникающие нагрузки на перевозимых морским транспортом объектах РКТ с учетом различных факторов, а также осуществлять их исследование, анализ и предъявлять требования к устройствам демпфирования этих нагрузок. Такая постановка задачи определяет актуальность темы настоящей диссертационной работы.

Цель диссертационной работы. Исследование динамических воздействий на объекты ракетно-космической техники, перевозимые морским транспортом, и разработка рекомендаций по их снижению.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- анализ математических моделей морского волнения, разработка и исследование моделей, описывающих перемещения судна при воздействии морского волнения;

- разработка математической модели, для расчета перемещении и ускорений точки размещения средств крепления на судне, возникающих при воздействии морского волнения;

- разработка математических моделей, устанавливающих взаимосвязь параметров движения изделия с кинематическими воздействиями со стороны судна, с учетом упруго-диссипативных свойств средств крепления изделия на транспортном судне;

- разработка обобщенной математической модели взаимосвязанной динамической системы «судно - транспортируемое изделие» для исследования динамических воздействий на транспортируемое изделие;

- разработка методики и исследование зависимости перегрузок на изделии от характеристик морского волнения, характеристик судна и средств крепления;

- определение динамических воздействий на конкретный объект транспортирования и сравнение полученных результатов с экспериментальными данными;

- разработка рекомендаций по снижению динамических воздействий на транспортируемое изделие.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы теоретической механики, математического анализа, методы теории колебаний механических объектов, теории автоматического

управления, экспериментальные методы исследования динамических процессов.

Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие основные научные результаты:

-разработана математическая модель для расчета возникающих при воздействии морского волнения перемещений и ускорений точки размещения элемента крепления изделия на судне, отличающаяся от существующих учетом места размещения транспортируемого изделия и особенностями его закрепления, что позволяет выбрать наиболее рациональное место размещения изделия на судне;

- разработана математическая модель, устанавливающая взаимосвязь параметров движения изделия с кинематическими воздействиями со стороны судна в отличии от других моделей, учитывающая упруго-диссипативные свойства транспортируемого изделия РКТ и средств его крепления;

- сформирована обобщенная математическая модель взаимосвязанной динамической системы «судно - транспортируемое изделие», функционально ориентированная на определение динамических воздействий на изделие и отличающаяся от существующих учетом в совокупности параметров морского волнения, характеристик судна, конструктивных особенностей средств крепления и транспортируемого изделия РКТ, что позволяет сформировать требования к демпфирующим свойствам средств крепления для каждого транспортируемого объекта;

- созданы новая методика исследования зависимости перегрузок на изделии от параметров стационарного морского волнения и новая методика формирования требований к параметрам амортизирующих элементов для каждого транспортируемого объекта.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

На основе разработанных математических моделей определены уровни воздействий на конкретный объект транспортирования и выработаны

рекомендации по снижению воспринимаемых изделием динамических нагрузок. Анализ сравнения расчетов с результатами экспериментальных исследований свидетельствует о работоспособности предложенных моделей и методик.

Полученные результаты позволяют обоснованно подходить к выбору и проектированию технических средств, применяемых в процессе морского транспортирования механических объектов РКТ, а также могут быть использованы при проведении проверочных прочностных расчетах блоков РН и разработке испытательных комплексов для экспериментальных исследований динамических воздействий на механическое оборудование в процессе транспортирования.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научно-практических и научно-технических конференциях:

-1 международной научно-технической конференции имени Д.И.Козлова «Актуальные проблемы ракетно-космической техники», г. Самара, 2009 г.;

- X международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», г. Санкт-Петербург, 2010 г.;

- VI Всероссийской конференции-семинара с международным участием «Научно-техническое творчество: Проблемы и перспективы», г. Сызрань, 2011

г.;

- II международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космической техники» (ПКозловские чтения), г. Самара, 2011 г.

Реализация результатов работы. Разработанные в диссертации методики, положения и выводы использованы при разработке технологии транспортирования блоков ракет-носителей «Союз-СТ» в Гвианский космический центр.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, в том числе, 3 работы в изданиях, определенных перечнем ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из72 наименований. Основной текст диссертации изложен на 114 страницах, диссертация содержит 52 рисунка, 10 таблиц.

Положения, выносимые на защиту:

- обобщенная математическая модель взаимосвязанной динамической системы «судно - транспортируемое изделие», позволяющая определить динамические воздействия на изделие с учетом параметров морского волнения, характеристик судна и упруго-диссипативных свойств средств крепления изделия на транспортном судне;

- методика и результаты исследования зависимости перегрузок на изделии при стационарном морском волнении для конкретного объекта транспортирования и методика выявления требований к параметрам амортизирующих элементов;

- результаты исследования влияния характеристик судна и упруго-диссипативных свойств средств крепления изделия на динамические нагрузки и рекомендации по их снижению.

1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

После завершения производства ракет-носителей на заводе-изготовителе цикл их дальнейшей эксплуатации по крупному включает в себя следующие этапы:

- транспортировка их составных частей в ЭО;

- сборка и испытания РКН в ЭО;

- запуск РКН.

Среди этих трех этапов этап транспортирования характеризуется тем, что в большинстве случаев его приходится осуществлять в горизонтальном положении (из-за больших продольных размеров) уже собранных блоков ракет-носителей или двигательных установок РН.

С целью выполнения главной своей задачи — выведения полезной нагрузки с максимальной массой, для ракет-носителей или их составных частей при определении прочностных характеристик объектов основным расчетным случаем нагружения является полет во время запуска в космос космических аппаратов, при котором основные нагрузки действую в продольном направлении вдоль оси полета и довольно короткий промежуток времени.

Этап транспортирования является же случаем, требующим применения дополнительных конструктивных мероприятий обеспечивающих восприятие помимо перегрузок действующих на ракету в полете (вдоль продольной оси) также и довольно значительных перегрузок, действующих на блоки РН при транспортировании (вдоль поперечных осей).

Проблема сохранения эксплуатационных характеристик механических объектов РКТ в процессе транспортирования может решаться двумя способами. Либо усилением конструкции, что снижает массу выводимого полезного груза, либо ограничением допустимых перегрузок при транспортировании. Для обеспечения заданных полетных характеристик механических объектов РКТ

более целесообразно реализовывать второй вариант, соответственно не увеличивая массу объекта РКТ, для обеспечения возможности осуществлять запуски максимальной массы полезной нагрузки. Вместе с тем исторически сложилось, что ранее транспортировка в нашей стране осуществлялась железнодорожным транспортом или автомобильным. Для транспортирования этими видами транспорта данная задача достаточна исследована и для существующих объектов решена различным способами для разных объектов исходя из решаемых задач и экономических факторов. Однако в настоящее время в связи с всемирной глобализацией все чаще и чаще возникают ситуации, приводящие к необходимости транспортирования изделий отечественной ракетно-космической техники на большие расстояния из европейской части России на космодромы Южной и Северной Америк, Юго-Восточной и Восточной Азии, в районы запуска в Индийском Океане. При этом исходя из возможностей существующих транспортных средств для межконтинентальной перевозки транспортирование осуществляется в горизонтальном положении. Так в последнее время к транспортированию морским транспортом возникла необходимость при выполнении таких международных проектов, как «Морской старт», «Союз в ГКЦ», создание стартового комплекса в Южной Корее.

Случай транспортирования морским транспортом применительно к механическим объектам РКТ требует дополнительной детальной проработки в части определения возможных воздействий на объекты.

Морская транспортировка механических объектов ракетно-космической техники обычно осуществляется следующим образом. Изготовленное изделие устанавливается в специальный контейнер и закрепляется в нем с помощью специализированных опор с замками. Данные опоры могут быть как с элементами демпфирования, так и жесткими. Весь объект, включающий в себя спецконтейнер и установленное в нем изделие устанавливается на стандартную промежуточную платформу на пневмоходу, которая затем доставляется на

судно и закрепляется там. Схема установки объект на судне приведена на рисунке 1.1.

Контейнер

Передвижная платформа

Рисунок 1.1

Анализируя схему транспортирования можно определить, что в процессе формирования перегрузки на перевозимом изделии участвуют следующие составные части объекта:

- непосредственно само средство транспортирования - судно;

- стандартная передвижная платформа, на которой устанавливается спецконтейнер;

- опоры спецконтейнера;

- перевозимое изделие.

При этом отличительной особенностью морской перевозки, по сравнению с используемыми ранее традиционными железнодорожным и автомобильным способами доставки объектов, является внешнее воздействие, вызванное морским волнением и то, как преобразуется это волнение перевозящим судном и передается на транспортируемый объект.

Исходя из изложенного, при исследовании представленного выше процесса необходимо рассматривать вопросы влияния морского волнения на судно и транспортируемый им объект.

В исследованной литературе посвященной морскому транспорту вопрос нагружения перевозимого груза представлен следующим образом.

Существует большой объем литературы, посвященный определению законов воздействия морского волнения непосредственно на само судно, однако в этой литературе вопросы воздействия на перевозимый груз затронуты частично и не в каждом источнике.

Закономерности, описывающие движения плавательного средства (судна, корабля) в зависимости от воздействия на него морского волнения, изучаются дисциплиной, называемой теория качки корабля.

Первым Российским и Советским ученым, посвятившим один из своих многочисленных трудов этому вопросу, был Алексей Николаевич Крылов (1863-1945). В 1898 году он опубликовывает книгу «Общая теория качки корабля на волнении», где описывает основные уравнения движения судна в зависимости от морского волнения. В 1938 году Военно-морской академией издается его книга «Качка корабля», где уже объединены все его труды, касающиеся данного вопроса. Особенностью его подхода к изучению качки плавательных средств было «приложение математики к различным вопросам морского дела». В ходе рассмотрения вопроса изучения качки корабля Алексей Николаевич впервые стал применять аппарат математического анализа в полной мере, а когда возникла необходимость и развивать его дальше, внеся также свой вклад и в развитие прикладной математики. Результатом его трудов стало то, что: «...кораблестроение преобразилось из искусства в строгую точную науку.»

В трудах А.Н.Крылова впервые были составлены системы уравнений движения для бортовой качки, килевой качки и рыскания. С помощью данных уравнений можно определить движение судна, идущего с заданной скоростью, по системе правильных волн с заданным углом к гребню волны. В данных уравнениях описывались закономерности движения судна с учетом моментов сопротивления воды колебательным движениям судна, размеров судна, его веса и моментов инерции судна. Также большая часть трудов была посвящена

описанию способов нахождение тех или иных коэффициентов уравнений и даны справочные материалы.

В дальнейшем во второй половине 20-го века на базе исследований А.Н.Крылова данная дисциплина была развита учеными В.В. Тянь-Шанским, А.М.Басин, Ю.В.Ремез, Л.Л. Вагущенко.

Так в работах [56] приводятся подробные описания для каждого вида колебания судна от морского волнения. В этой книге колебания судна подразделяются на следующие виды:

- вертикальная качка - поступательные колебания в вертикальном направлении;

- бортовая качка - вращательные колебания около продольной горизонтальной оси, связанной судном;

- килевая качка - вращательные колебания около поперечной горизонтальной оси.

Кроме приведенных выше видов качки также упоминаются два вида поступательных колебаний - горизонтально-продольные и горизонтально-поперечные.

Для каждого вида качки приводятся упрощенные уравнения для расчетов движения судна исходя из регулярного морского волнения.

Упрощенные уравнения строятся исходя из того, что качку судна можно рассматривать, как и обычный колебательный процесс, в виде совокупности гармонических колебаний типа:

у = ут втСю/ + 8Х), ИЛИ у = ут сое ((У/ + 52),

где ут - амплитуда колебания (качки);

юу - частота колебаний;

д], 52 - начальная фаза, характеризующая положение колеблющегося судна в начальный момент времени.

Далее уравнения формируются исходя из условия сохранения равновесия: возмущающие воздействия равны парирующим силам, возникающим в объекте.

При этом для упрощения применяются следующие допущения:

- различные виды качек протекают независимо и не влияют друг на друга;

- учитываются только гидростатические силы, но не учитываются гидродинамические силы, зависящие от ускорения и скорости, а также поправки к силам плавучести, обусловленные разницей в распределении давлений колеблющейся и покоящейся жидкостей.

Таким образом [56] типовое уравнение качки принимает вид

Jx& + Dh0$ = Dh0a0 sin cot,

где

Jx - момент инерции судна относительно продольной оси;

D - вес судна;

& - перемещение точки судна;

h0- начальная метацентрическая высота;

а0 - максимальный угол наклона волны;

со - частота волны.

Здесь приводится уравнение бортовой качки, где в правой части возмущающая составляющая, зависящая от параметров судна и величины волнения, а в левой части парирующая составляющая, зависящая от характеристик судна.

На базе упрощенных уравнений [56] формируются более сложные зависимости, учитывающие нерегулярное морское волнение, неравномерное движение судна, движение лагом к волне и взаимное влияние видов качки одного на другое.

В работах Басина A.M. [5] тоже приводятся упрощенные уравнения движения судна и более сложные зависимости, учитывающие различные факторы. В частности в дополнение к [56] приводятся зависимости с учетом влияния поперечного размера судна относительно его длины, с учетом скорости хода судна и курса судна, с учетом качки большой амплитуды.

Также в работе Басина A.M. [5] приводятся практические методы расчета видов качек, приводится справочный материал по необходимым в расчетах коэффициентам. Затронуты вопросы определения передаточной функции судна и его колебательных характеристик и расчета вероятностных характеристик качки судна.

В трудах Ремеза Ю.В. [54] теория качки корабля и уравнения его движения на нерегулярном волнении рассмотрены с учетом методов гидромеханики и теории случайных процессов. Определен характер колебания контура на поверхности жидкости и вычислены присоединенные массы и коэффициенты демпфирования. Определены статистические характеристики качки на нерегулярном волнении, описаны особенности нелинейной теории качки на тихой воде, регулярном и нерегулярном волнении, рассмотрены принципы стабилизации корабля. Основные теоретические результаты доведены до расчетных методик, графиков и алгоритмов

В исследованиях Вагущенко JI.JI. [16] приводятся основные сведения о бортовых автоматизированных системах для оценки, прогноза и оптимизации мореходности, предназначенные для обеспечения безопасности судов в процессе эксплуатации. В его трудах также приводятся данные по характеристикам регулярного и нерегулярного морского волнения. Уравнения движения судна в [16] дополняются передаточными функциями для каждого вида качки. Задача определения движения судна и управления им сводится к задачам теории автоматического управления, где само судно рассматривается как колебательное звено и с помощью передаточных функций определяется амплитуда качки корабля, используя в качестве входной величина амплитуду качки.

В работах Благовещенского С.Н. и Холодилина А.Н. [9] в краткой форме приводятся основные уравнения движения судна. Эти уравнения дополняются подробными данными по применяемым для различных расчетных случаев коэффициентами, определенными статистически, экспериментально или

применением прикладных программ. Приводится материал, посвященный гидродинамическому воздействию на судно во время движения.

В работах Бельговой Л.А. [7] и Левицкого Б.А. [40] приводятся теоретические материалы по определению нагрузок на судно при возникновении удара днища судна о волну.

Помимо описанных выше теоретических трудов существуют работы, посвященные практическому судостроению, такие как работы Борисова Р.В. и Малышева А.Н. [14], [43]. В этих трудах приводятся методы определения различных характеристик судна, таких как остойчивость, непотопляемость и т.п., кроме того, даются четкие определения как геометрических так и динамических параметров судна и приводятся зависимости этих величин.

В перечисленных выше работах вопрос влияния морского волнения и характера движения судна на нагрузки на транспортируемый груз рассматривается только [16], [14], [43] при этом в контексте влияния на судно. В другой исследованной литературе вопрос определения нагрузок на транспортируемый груз также широко не рассматривается.

Однако существует много литературы, посвященной колебаниям механических объектов, без привязки к конкретным типам возмущающих колебаний, рассматривающей вопросы демпфирования, определения жесткости конструкций и влияния этих параметров на характер колебаний и величину и значения параметров этого процесса. Достаточно широко этот вопрос раскрыт в работах Пановко В.Г. [47], [48], [49].

Кроме того, существует ряд работ по теории управления, таких как работы Гальперина М.В. [23], в которых рассматриваются характеристики колебательных звеньев, к которым можно отнести и механические объекты, подверженные колебаниям, рассматриваемые в настоящей работе.

Анализируя исследованную литературу можно определить, что существуют теоретически сформулированные уравнения движения точек судна в зависимости от характера морского волнения. Также существуют уравнения,

описывающие величину нагрузок на механическом объекте в зависимости от величины и характера воздействующей на объект возмущающей силы. Исходя из последних тенденций развития технических наук, эти вопросы все более часто рассматриваются с применением теории управления, принимая механические объекты в виде отдельных звеньев.

Исходя из описанного выше, можно сформулировать следующие задачи применительно к рассматриваемому вопросу определения перегрузок на транспортируемых морем механических объектах ракетно-космической техники и выработки рекомендаций по их снижению:

- анализ математических моделей морского волнения, разработка и исследование моделей, описывающих перемещения судна при воздействии морского волнения;

- разработка математических моделей, устанавливающих взаимосвязь параметров движения изделия с кинематическими воздействиями со стороны судна с учетом упруго-диссипативных свойств средств крепления изделия на транспортном судне;

- разработка обобщенной математической модели взаимосвязанной динамической системы «судно - транспортируемое изделие» для исследования динамических воздействий на транспортируемое изделие;

- разработка методики и исследование зависимости перегрузок на изделии от характеристик морского волнения, характеристик судна и средств крепления;

- определение динамических воздействий на конкретный объект транспортирования и сравнение полученных результатов с экспериментальными данными;

- разработка рекомендаций по снижению динамических воздействий на транспортируемое изделие.

Для решения описанных выше задач необходимо использовать:

- уравнения движения из теории качки судна;

- уравнения движения механических объектов из теории механических колебаний;

- методы и закономерности применяемые в теории автоматического управления;

методы теоретической механики, математического анализа, экспериментальные методы исследования динамических процессов.

С применением полученной математической модели необходимо определить максимальные возможные перегрузки, возникающие на транспортируемом изделии и сравнить с допустимыми. В случае превышения величин перегрузок выше допустимых определить мероприятия по их снижению.

2 РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ОБЪЕКТ

В этой главе разрабатывается математическая модель объекта, описывающая зависимость перегрузок на транспортируемом изделии от характеристик морского волнения для случая воздействия на судно непосредственно колебания морской поверхности.

Морское волнение представляет собой процесс колебания морской поверхности и является основным возмущающим воздействием на исследуемую динамическую систему.

Выделяют следующие виды реакции судна на волнение [5], [56]:

- колебательные движения корпуса судна во всех шести степенях свободы;

- меняющиеся с частотой волнения напряжения элементов корпуса;

- вибрации корпуса и его элементов;

- изменения, имеющие постоянный характер (снижение скорости хода, увеличение нагрузки на двигатель, дрейф и т.п.);

- неблагоприятные явления, такие как слеминг, заливаемость, оголение винта, брочинг и т.д.;

В настоящей работе рассматривается реакция судна на морское волнение в виде колебательных движений судна - качки, так как остальные реакции судна (за исключением неблагоприятных явлений) оказывают на перевозимый груз на несколько порядков меньшее воздействие по сравнению с качкой. Неблагоприятные явления типа слеминга, борчинга и др. и также не принимаются в данной работе как расчетные, поскольку являются исключительными для данного типа судов и возникают на них в основном из-за некорректного судовождения.

Вызываемая волнением качка судна (рисунок 2.1) подразделяется на шесть видов:

Бортовая - вращательные колебания около продольной оси X, лежащей в диаметральной плоскости судна (поперечный крен на правый и левый борт);

Килевая - вращательные колебания около поперечной оси судна У, параллельной плоскости мидель шпангоута (дифферент судна то на нос, то на корму);

Вертикальная - колебания вдоль вертикальной оси судна Ъ\

Продольно-горизонтальная - колебания вдоль продольной оси судна X;

Поперечно-горизонтальная - колебания вдоль поперечной оси суднаУ;

Рыскание - вращательные колебания вдоль вертикальной оси Z.

Рисунок 2.1

При движении судно может осуществлять колебания во всех направлениях и вокруг всех осей, поэтому характер движения точек судна не линеен и зависит от множества факторов, таких как взаимное влияние продольной, поперечной и бортовой качек, направление движения судна, характер волнения и т.п. Методы, учитывающие все факторы достаточно сложны, в связи с этим существует множество моделей расчетов движения судна учитывающих в полной мере только те или иные факторы.

При расчетах перемещений судна основными видами качки считают бортовую, килевую и вертикальную, продольно-горизонтальные, поперечно-горизонтальные и рыскание судна относят к дополнительным видам качки, поскольку при установившемся морском волнении они на порядки меньше основных видов качки.

При рассмотрении угловых колебаний судна также рассматривается смешанная бортовая с килевой качки, который возникает при косух курсовых углах волнения. Однако амплитуда качки при это меньше чем при прямых курсовых углах (килевая качка) или расположения судна лагом к волне (бортовая качка) и данный случай в судостроении интересен для расчета изгибных колебаний судна и на перевозимый груз оказывает меньшее влияние чем основные виды качки.

В связи с изложенным для решения поставленной в данной работе задачи определения максимальных перегрузок на транспортируемом изделии рассматриваются только основные виды реакции судна на морское волнение -бортовая, килевая и вертикальная качки.

При проведении исследований рассматривалась типовая схема морской транспортировки объектов PKT. Изделие РКТ устанавливается в спецконтейнер, который, в свою очередь, закрепляется на платформе на колесном ходу. Платформа фиксируется на судне с помощью стяжных приспособлений. Упрощенную схему объекта можно представить в виде, изображенном на рисунке 2.2

изделие

морское волнение

Рисунок 2.2

Для разработки математической модели целесообразно провести декомпозицию объекта управления, представив его в виде взаимосвязанных подсистем (процессов), показанных на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3

Рассмотрим силы и моменты, воздействующие на судно со стороны морского волнения на примере бортовой качки. Схема сил и моментов, воздействующих на судно приведена на рисунке 2.4

Рисунок 2.4

При бортовой качке на судно воздействуют следующие моменты внешних

сил:

Мв - восстанавливающий момент; Мк - кренящий момент; Ми - инерционный момент; Мд - демпфирующий момент. На рисунке 2.3

hsK— поперечная метацентрическая высота, ав - угол изменения положения поверхности волны; о-сбк ~ угол наклона судна; G - центр масс судна; С - центр давления судна.

Восстанавливающий момент Мв - обусловлен входящими в воду и выходящими из нее клиновидными объемами aob и ао1э при накренении судна относительно невозмущенного уровня моря. Этот момент при угле крена асБК определяется формулой [9]

МВ = ~тБК Sin асБК * тБКасБК (2Л)

Знак минус в формуле (2.1) берется потому, что восстанавливающий момент противоположен по знаку углу наклонения асБК и действует в сторону его уменьшения. Допущения, что метацентрическая высота ЪБК постоянна и sin аСБк = а-сБк, используемые в линейной модели бортовой качки, применимы для малых углов крена судна относительно его размеров и могут быть приемлемы для решения поставленной в настоящей работе задач.

Демпфирующий момент Мд в линейной теории качки считается пропорциональным скорости изменения угла крена асБк

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Широков, Сергей Витальевич

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ существующих математических моделей морского волнения и обоснован выбор для решаемой задачи модели стационарного морского волнения.

2. Разработаны математические модели для расчета перемещений, скоростей и ускорений точек размещения на судне устройств крепления для различных видов качки с учетом массо-габаритных характеристик судна.

3. Созданы математические модели, устанавливающие взаимосвязь параметров движения изделия с кинематическими воздействиями со стороны судна с учетом упруго-диссипативных свойств средств крепления изделия на транспортном судне.

4. Разработана обобщенная математическая модель взаимосвязанной динамической системы «судно - транспортируемое изделие», позволяющая определить динамические воздействия на изделие с учетом параметров морского волнения, характеристик судна и средств крепления изделия.

5. На основе обобщенной математической модели динамической системы «судно - транспортируемое изделие» сформирована методика и проведено исследование зависимости перегрузок на изделии от характеристик морского волнения, характеристик судна и средств крепления.

6. Предложена методика формирования требований к параметрам амортизирующих элементов из условия обеспечения снижения динамических воздействий на транспортируемое изделие до допустимого уровня.

7. Определены величины динамических воздействий на блоки РН "Союз-СТ" при заданных конкретных условиях транспортирования.

8. На основе сравнения полученных расчетным способом величин динамических воздействий на блоки РН "Союз-СТ" при заданных конкретных условиях транспортирования с полученными экспериментально замерами в реальных условиях показана работоспособность предложенных моделей и методик.

9. Полученные результаты работы могут использоваться при проектировании средств транспортирования изделий РКТ для расчетного случая морской транспортировки, а также при проведении проверочных расчетов на величину нагружения изделий РКТ для этих расчетных случаев, что подтверждено актом об использовании результатов настоящей кандидатской диссертации, составленным научно-технической комиссией и утвержденным генеральным конструктором ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Широков, Сергей Витальевич, 2012 год

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Абакумов, A.M. Теория автоматического управления: учебно-методическое пособие/А.М. Абакумов. - Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2001. -74 с.

2. Абакумов, A.M. Курган В.П., Мильхевич В.Н. Идентификация технологических процессов механической обработки на металлорежущих станках: Учебное пособие/. A.M. Абакумов, В.П.Курган, В.Н. Мильхевич. -Самара: Самар. политехи, ин-т, 1991. - 118 с.

3. Абакумов, A.M. Анализ динамических воздействий на объекты морской транспортировки/ А.М.Абакумов, C.B. Широков // Международный сборник научных трудов - Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Выпуск 38. - ДонНТУ, г. Донецк, 2009 г. - С. 3 - 9.

4. Анхимюк, В.Л. Теория автоматического управления/ В.Л.Анхимюк, О.Ф. Опейко, H.H. Михеев. - Минск: Дизайн ПРО, 2002. - 352 с.

5. Басин, A.M. Качка судов/ A.M. Басин. - М.: Машиностроение, 1969. - 278 с.

6. Батуев, Г.С. Инженерные методы исследования ударных процессов/ Г.С. Батуев, А.К. Ефремов, Ю.В. Голубков. - М: Машиностроение, 1976. - 296 с.

7. Бельгова, М.А. Изгибающие моменты для судов внутреннего плавания на волнении/ М.А. Бельгова - Л.: Судостроение, 1966. - 208 с.

8. Биргер, И.А. Прочность, устойчивость, колебания/ И.А. Биргер, Я.Г. Пановко. - М: Машиностроение, 1968. - 567 с.

9. Благовещенский, С.Н. Справочник по статике и динамике корабля. В двух томах. Изд. 2-е, переработанное и дополненное. Том 2. Динамика (качка) корабля/С.Н. Благовещенский, А.Н. Холодилин. - М. 1976 г. - 176 с.

10. Благодатских, В.И. Введение в оптимальное управление (линейная теория)/ В.И. Благодатских. - М: Высшая школа, 2001. -239 с.

11. Божко, А.Е. Оптимальное управление в системах воспроизведения вибраций/ А.Е. Божко. - Киев: Наукова думка, 1977. - 218 с.

12. Бойцов Г.В., Кноринг С.Д. Прочность и работоспособность корпусных конструкций. JL: Судостроение, 1972. - 264 с.

13. Болотин, В.В. Случайные колебания упругих систем/ В.В. Болотин. -М: Наука, 1979.-335 с.

14. Борисов, Р.В., Статика корабля: учебное пособие/ Р.В. Борисов, В.В. Луговский, Б.В. Мирохин - СПб.: Судостроение, 2005. - 256 с.

15. Бородай, И.К. Мореходность судов/ И.К.Бородай, Ю.А. Нецветаев. -Л.: Судостроение, 1982. - 288 с.

16. Вагущенко, Л.Л. Бортовые автоматизированные системы контроля мореходности/ Л.Л. Вагущенко, А.Л. Вагущенко, С.И. Заичко. - Одесса.: Фешкс, 2005. - 274 с.

17. Вентцель, Е.С. Теория случайных процессов и ее инженерные приложения/ Е.С. Вентцель, A.A. Овчаров.- М.: Наука, 1991. - 384 с.

18. Вибрации в технике: справочник. В 6-ти т./ ред. совет: В.Н. Челомей (пред). М.: Машиностроение, 1981. - Т.6. защита от вибраций и ударов/ под ред. К.В. Фролова. 1981. - 456 с.

19. Власов, В.Г. Статика корабля// Собр. Соч. Т VI, VII. - Л: Судостроение, 1961. - 730 с.

20. Воеводин, Н.Ф. Изменение остойчивости судов/ Н.Ф. Воеводин. - Л: Судостроение, 1973. - 263 с.

21. Вольперт, Э. Г. Динамика амортизаторов с нелинейными упругими элементами/ Э.Г. Вольперт. - М: Машиностроение, 1972. - 136 с.

22. Воробьев, Ю.Л. Гидродинамика судна в стесненном фарватере/ Ю.Л. Воробьев. - Л.: Судостроение, 1992. - 224 с.

23. Гальперин, М.В. Автоматическое управление/ М.В. Гальперин. - М.: ФОРУМ:ИНФРА-М, 2004. - 224 с.

24. Гальперин, M.B. Электронная техника/ M.B. Гальперин. - M.: ФОРУМ:ИНФРА-М, 2003. - 304 с.

25. Герман-Галкин, С.Г. MATLAB&SIMULINK Проектирование мехатронных систем на ПК/ С.Г. Герман-Галкин - СПб.: КОРОНА-Век, 2008. -368 с.

26. Демин, С.И. Управление судном/ С.И. Демин, Е.И. Жуков, H.A. Кубачев. - М: Транспорт, 1991. - 359 с.

27. Егоров, К.В. Оснвы теории автоматического управления/ К.В. Егоров. - М: Энергия, 1967. - 648 с.

28. Елисеев, C.B. Динамические гасители колебаний/ C.B. Елисеев, Г.П. Нерубенко. - Новосибирск: Наука. 1982. - 144 с.

29. Ерофеев. A.A. Теория автоматического управления. 2-е издание/ A.A. Ерофеев. - СПб: Политехника, 2002. - 387 с.

30. Зинченко, В.И. Шум судовых двигателей/ В.И. Зинченко. - JI: Судостроение, 1957. - 271 с.

31. Зинченко, В.И. Некоторые средства виброизоляции на современных судах/ В.И. Зинченко, А.Г. Ельник. - Судостроение за рубежом, 1975, № 1. -С. 64 - 74.

32. Келим, Ю.М. Типовые элементы систем автоматического управления/ Ю.М. Келим. - М.: ФОРУМ:ИНФРА-М, 2002. - 384 с.

33. Клюкин, И.И. Борьба с шумом и звуковой вибрацией на судах/ И.И. Клюкин. - Л: Судостроение, 1971. - 416 с.

34. Коловский, М.З. Автоматическое управление виброзащитными системами/ М.З. Коловский. - М: Наука, 1976. - 480 с.

35. Конофеев, Н.Т. Транспортировка ракет/ Н.Т. Конофеев. - М.: Воениздат, 1978. - 150 с.

36. Коренев, Б. Г. Динамические гасители колебаний/ Б.Г. Коренев, Л.М. Резников. - М: Наука, 1988. - 304 с.

37. Кочетков, E.C. Теория вероятностей и математическая статистика/ Е.С. Кочетков, С.О. Смерчинская, В.В. Соколов. - М.: ФОРУМ:ИНФРА-М, 2003.-240 с.

38. Курбатова, Е.А. MATLAB 7. Самоучитель/ Е.А. Курбатова. - М.: Издательский дом «Вильяме», 2006. - 256 с.

39. Куропаткин, П.В. Теория автоматического управления/ П.В. Куропаткин. - М: Высшая школа, 1973. - 528 с.

40. Левицкий, Б.А. Расчет прочности судовых конструкций и механизмов/ Б.А. Левицкий, Н.Ф. Сторожев. - Новосибирск, 1986 г. - 176 с.

41.Маделунг, Э. Математический аппарат физики/ Э. Маделунг. - М. 1968.-620 с.

42. Макаров, И.М. Линейные автоматические системы/ И..М. Макаров, Б.М. Менский. - М.: Машиностроение, 1977. - 464 с.

43. Малышев, А.Н. Плавучесть и остойчивость промысловых судов/ А.Н. Малышев. - М.: Мир, 2003. - 272 с.

44. Муру, Н.П. Прикладные задачи плавучести и остойчивости судна/ Н.П. Муру. - Л: Судостроение, 1985. - 273 с.

45. Нашиф, А. Демпфирование колебаний/ А. Нашиф, Д. Джонс, Дж. Хендриксон. - М.: Мир, 1988. - 448 с.

46. Нечаев, Ю.И. Остойчивость судов на попутном волнении/ Ю.И. Нечаев. - Л: Судостроение, 1978. - 271 с.

47. Пановко, Я.Г. Введение в теорию механических колебаний/ Я.Г. Пановко. - М.: Наука, 1971.-240 с.

48. Пановко, Я.Г. Основы прикладной теории колебаний и удара/ Я.Г. Пановко. - Л.: Политехника, 1990. - 272 с.

49. Пановко, Я.Г. Устойчивость и колебания упругих систем/ Я.Г. Пановко, И.И. Губанова. - М.: Наука, 1987. - 352с.

50. Петров, Ю.П. Оптимизация управляемых систем, испытывающих воздействие ветра и морского волнения/ Ю.П. Панов. - Л.:Судостроение, 1973. -216 с.

51. Писаренко, Г.С. Вибропоглащающие свойства конструкционных материалов/ Г.С. Писаренко, А.П. Яковлев, В.В. Матвеев. - Киев: Наукова думка, 1971. - 376 с.

52. Попов, И.И. Основы алгоритмизации и программирования/ И.И. попов, О.П. Галицина. - М.: ФОРУМ:ИНФРА-М, 2003. - 432 с.

53. Ривкин, С.С. Стабилизация измерительных устройств на качающемся основании/ С.С. Ривкин. - М. Наука, 1978. - 320 с.

54. Ремез, Ю.В. Качка корабля/ Ю.В. Ремез. - Л.: Судостроение, 1983. -

328 с.

55. Ротенберг, Р.В. Подвеска автомобиля/ Р.В. Ротенберг. - М.: Машиностроение, 1972. - 392 с.

56. Семенов-Тянь-Шанский, В.В. Качка корабля/ В.В. Семенов-Тянь-Шанский. - Л.: Судостроение, 1969. - 324 с.

57. Сизов, В .Г. Теория корабля/ В.Г. Сизов. - Одесса: Феникс, 2003. - 284

с.

58. Скучик, Е. Простые и сложные колебательные системы/ Е. Скучик. -М: Мир, 1971.-558 с.

59. Смирнов, В.И. Курс высшей математики, том III. Часть I/ В.И. Смирнов. -М., 1974. 324 с.

60. Смирнов, В.И. Курс высшей математики, том I/ В.И. Смирнов. - М., 1974. 480 с.

61. Солодовников, В.В. Статистическая динамика линейных систем автоматического управления/ В.В. Солодовников. - М: Гос. Издательство физико-математической литературы, 1960. - 656 с.

62. Техническая кибернетика. Теория автоматического управления. Кн.1/ Под ред. В.В. Солодовникова. - М: Машиностроение. 1967. - 770 с.

63. Тимошенко, С.П. Колебания в инженерном деле/ С.П. Тимошенко, Д.Х. Янг, У. Уивер. - М: Машиностроение, 1985. - 472 с.

64. Успенский, И.Н. Проектирование подвески автомобиля/ И.Н. Успенский, A.A. Мельников. - М.: Машиностроение, 1976. - 168 с.

65. Филин, А.П. Введение в строительную механику корабля: Учебное пособие для вузов/ А.П. Филин. - СПб.: Судостроение, 1993. - 640 с.

66. Широков, C.B. Анализ характеристик нагружения блоков ракет-носителей «Союз-СТ» в местах их опирания при морской транспортировке/ C.B. Широков// Вестник СГАУ им. С.П.Королева. Выпуск № 1(17). - г. Самара, 2009 г.-С. 61-67.

67. Широков, C.B. Исследование динамических воздействий на объекты морской транспортировки при бортовой качке/ C.B. Широков// Вестник СамГТУ, серия «Технические науки». Выпуск № 1 (29). - г. Самара, 2011 г.. - С. 59 - 63.

68. Широков, C.B. Исследование влияния характеристик средств транспортирования на перегрузку при морской перевозке/ C.B. Широков// Вестник СамГТУ, серия «Технические науки». Выпуск № 3 (31). - г. Самара, 2011 г.-С. 49-53.

69. Широков, C.B. Исследование влияния килевой качки судна на величину перегрузок на транспортируемом изделии/ C.B. Широков// Материалы II международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космической техники» (II Козловские чтения). - ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс», г. Самара, 2011 г. - С. 533 - 534.

70. Широков, C.B. Исследование перегрузок на объектах морской транспортировки в зависимости от величины морского волнения/ C.B. Широков// Материалы VI Всероссийской конференции-семинара с международным участием - Научно-техническое творчество: Проблемы и перспективы. - г. Сызрань, 2011 г. - С. 164 - 168.

71. Широков, C.B. Определение требуемых динамических параметров средств транспортирования изделий РКТ для случая морской перевозки/ C.B.

Широков// Материалы I международной научно-технической конференции имени Д.И.Козлова - Актуальные проблемы ракетно-космической техники. -ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс», г. Самара, 2009 г. - С. 158 - 159.

72. Юревич, Е.И. Теория автоматического управления/ Ю.В. Юревич. -М: Энергия, 1969.-375 с.

УТВЕРЖДАЮ Первый заместитель генерального директора

аРИН =^неральный конструктор ( ^Шш "ДСКБ-Прогресс"

Р.Н.Ахметов

АКТ

об использовании результатов кандидатской диссертации Широкова Сергея Витальевича на тему "Исследование динамических воздействий на объекты ракетно-космической техники при морской транспортировке"

Научно-техническая комиссия в сосщве:

Председатель: Ткаченко С.И. - Заместитель Генерального конструктора по научной работе, д.т.н., профессор.

Члены комиссии:

Новиков В.Н. - Главный конструктор, начальник отделения; Сократов С.И. - Главный конструктор, начальник отделения; Ромашкин В.М. - Начальник отдела

составила настоящий акт в том, что результаты диссертационной работы

Широкова C.B., а именно:

- обобщенная математическая модель взаимосвязанной динамической системы "судно - транспортируемое изделие", позволяющая определить динамические воздействия на изделие с учетом параметров морского волнения и характеристик судна;

- методика определения величины перегрузок на транспортируемом морем изделии;

- методика исследования зависимости перегрузок на транспортируемом морем изделии в зависимости от характеристик морского волнения, характеристик судна и средств крепления;

- методика выявления требований к параметрам амортизирующих элементов из условия снижения динамических воздействий на транспортируемое изделие до допустимого уровня, -

представляют практический интерес и могут быть использованы на начальных этапах проектирования средств транспортирования изделий РКТ для расчетного случая морской транспортировки, а также при проведении проверочных расчетов на величину нагружения изделий РКТ для этих расчетных случаев.

Председатель: Члены комиссии:

Ткаченко С.И.

бвиков В.Н. Сократов С.И. Ромашкин В.М.

г