Способ контроля остойчивости судна в условиях экстремального волнения

Изобретение относится к способу контроля остойчивости судна в условиях экстремального волнения. Для контроля остойчивости судна измеряют период бортовой качки, рассчитывают метацентрическую высоту определенным образом, рассчитывают характеристики ударного воздействия разрушающихся волн на основе анализа частотного спектра волнения, скорости ветра и течения, определяют фактические показатели динамики взаимодействия судна с внешней средой и возможность опрокидывания судна в момент удара экстремальной волны и при развитии стремительного дрейфа от ее удара. 6 ил.

 

Изобретение относится к судостроению, в частности к способам контроля остойчивости судна в условиях эксплуатации, и может быть использовано при создании бортовых интеллектуальных систем (ИС).

Цель изобретения - повышение безопасности плавания судна путем повышения достоверности оценки остойчивости судна при воздействии экстремальных волн (волны-убийцы), высота которых значительно превышает вертикальные размеры судна вместе с надстройками.

Наиболее близким техническим решением является патент №2455190 от 10.07.2012 «Способ контроля остойчивости в условиях разрушающегося волнения», основанный на измерении периода бортовой качки и определении расчетом метацентрической высоты, при вычислении которой дополнительно измеряют осадки судна носом и кормой, «кажущийся» период волны, курсовой угол и скорость судна на нерегулярном волнении, угловую скорость при бортовой качке, глубину воды под килем судна и параметры деформируемого на мелководье волнения, на основании чего рассчитывают характеристики ударного воздействия разрушающихся волн, определяют фактические показатели динамики взаимодействия судна с внешней средой и возможность опрокидывания судна в момент удара разрушающейся волны путем сопоставления кинетической энергии удара волны и запаса потенциальной энергии судна в момент удара, а также опрокидывания судна при развитии стремительного дрейфа от удара разрушающейся волны путем сопоставления кренящего момента от дрейфа с восстанавливающим моментом судна, при этом величина потенциальной энергии в момент удара волны устанавливается по диаграммам статической или динамической остойчивости, а при дрейфе судна - по диаграмме статической остойчивости.

Недостатком этого способа является отсутствие учета влияния на остойчивость экстремальных волн, формирование которых принципиально отличается от разрушающихся волн, а динамика взаимодействия при ударе волны связана с полным погружением судна в набегающую волну, а при возникновении стремительного дрейфа от удара - с интенсивным заливанием палубы, что в целом приводит к резкому ухудшению остойчивости.

Технический результат достигается тем, что в случае экстремального волнения дополнительно измеряют скорость течения и скорость ветра в заданном районе эксплуатации, на основании чего устанавливают причинно-следственные связи между измеренными параметрами внешней среды и динамикой взаимодействия при ударе экстремальной волны.

На фиг. 1 представлена обобщенная структурная схема устройства, реализующая предлагаемый способ.

Устройство содержит измерительный блок 1, включающий датчик угловых скоростей 2 и перемещений 3 при бортовой качке, датчик курсового угла волны 4, датчики линейных перемещений 5 и 6, определяющие осадки судна носом и кормой, датчик скорости судна 7, датчик глубины воды 8, датчик волнения (волнограф) 9, датчик скорости ветра 10, датчик скорости течения 11 выходы которых соединены с модулем преобразования измерительной информации 12, включающим коммутатор 13, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 14 и стандартный интерфейс 15, сигналы от которого поступают на вычислительный блок 16, реализующий алгоритм преобразования информации при оценке остойчивости, результаты работы которого выводятся на экран дисплея 17 и документируются с помощью принтера 18.

Способ контроля остойчивости судна на экстремальном волнении осуществляют следующим образом.

Измеряют угловые перемещения θ при бортовой качке, осадки судна носом TH и кормой TK, «кажущийся» период волны τK, курсовой угол волны ϕK и скорость судна на нерегулярном волнении V, глубину воды HW, параметры волнения, дополнительно измеряют скорость течения Vo и скорость ветра W.

По данным измерений устанавливают:

1. Частотный спектр волнения путем статистической обработки волнограммы в виде составляющих ветрового волнения SWIND(ω) и зыби SSWELL(ω) с учетом угла ϕ между генеральным направлением распространения этих составляющих:

2. Высоту волны 3%-ной обеспеченности hW.

3. Водоизмещение судна D, фактическую метацентрическую высоту h и аппликату центра масс (ЦМ) ZG так же, как и по патенту №2455190.

4. Ординаты диаграмм статической остойчивости судна в исходном состоянии нагрузки судна D и ZG:

и при полном погружении в экстремальную волну:

где IФ(θ)=f(D) - плечо остойчивости формы; Zc - аппликата центра величины полностью погруженного судна вместе с надстройками в момент удара.

5. Осуществляют проверку условий возникновения экстремальной волны при выполнении следующих условий:

- наличие в спектре волнения двух близких пиков в одном диапазоне частот (фиг. 2);

- расположение пиков частот в двухчастотном спектре под углом около 30 градусов к генеральному направлению распространения волн;

- снижение высоты волны после уменьшения скорости ветра:

где hW и hW0 - значительные высоты волн, определенные как 1/3 наиболее высоких волн при обработке волнограмм (исходной hW и после уменьшения скорости ветра hW0); ε1=K1(hW/hW0) - критериальное значение для приращения ΔhW;

- наличие течения и резких различий в глубине воды в рассматриваемой акватории:

где V0 и HW - измеренные значения скорости течения и глубины воды; V0* и HW* -значения скорости течения и глубины воды во время предыдущего измерения; ε2 и ε3 - критериальные значения для приращений ΔV и ΔHW: ε2=K2(V0/V0*) и ε3=K3(HW/HW*) - критериальные значения для приращений ΔV и ΔHW.

6. При выполнении условий (4)-(6) с учетом данных измерений K1≈0,15, K2≈K3≈0,20 определяют возможность опрокидывания судна при ударе экстремальной волны в зависимости от отношения hmax/H, где hmax=2,4hW - высота экстремальной волны; Н - общая высота судна вместе с надстройками. При этом рассматривают две ситуации в зависимости от условия hmax/H:

- при hmax/H<1 динамика взаимодействия соответствует ситуации удара разрушающейся волны и опрокидывание судна наступает при условии:

где K - кинетическая энергия качающегося судна в момент удара волны; Td - запас потенциальной энергии;

- при hmax/H ≥ 1 опрокидывание судна характеризуют неравенством:

где MD - динамический кренящий момент от удара экстремальной волны;

где PD=PvAv - сила удара; Pv=103 кг/м2 - давление воды при ударе волны; Av - площадь парусности судна вместе с надстройками; ZD - аппликата точки приложения силы PD, соответствующая центру парусности судна; MC - опрокидывающий момент во время удара, величину которого устанавливают с учетом качки судна на основе стандартных построений по диаграмме остойчивости.

7. В случае невыполнения условия (7), (8) судно выдерживает удар экстремальной волны и наклоняется на угол динамического крена (θ)max, соответствующий равенству работ кренящего TD и восстанавливающего Т(θ) моментов на диаграмме остойчивости:

8. Проверяют условие опрокидывания судна в процессе развития стремительного дрейфа от удара экстремальной волны:

где М(θ) - восстанавливающий момент, определенный с учетом влияния воды на палубе, при этом поправка на влияние жидких грузов рассчитывается в предположении, что наличие жидкого груза приводит к изменению характеристик остойчивости с учетом влияния свободной поверхности жидкости в палубном «колодце»; M(t) - кренящий момент, возникающий при дрейфе судна, величину которого устанавливают по формуле:

где Qη - поперечная горизонтальная сила неинерционной природы:

где η, μηθ, Cq - скорость дрейфа, присоединенный статический момент и коэффициент сопротивления при дрейфе, величины которых устанавливают по справочнику по теории корабля; So≈LT* - площадь проекции подводной части корпуса судна на диаметральную плоскость; L - длина судна; Т* - осадка судна с учетом массы воды, влившейся в палубный «колодец»; zq - аппликата точки приложения силы Qη, величина которой определяется с использованием соотношения: zq=zq*T*, zq*=Iq/cosθ-T*;

где X1=L/B-5,5; X2=B/T*-2,0; X3=0,85-δ; X40; при угле крена θ0, превышающем угол θd входа кромки палубы в воду θ0≥θd, следует принимать θ0d.

Функциональная схема, реализующая способ контроля остойчивости судна на разрушающемся волнении, работает следующим образом.

Данные измерений от блока датчиков 1, включающего измеритель 2 линейных перемещений при бортовой качке, датчик курсового угла волны 3, датчики осадок судна носом и кормой 4 и 5, датчик скорости судна 6, датчики скорости течения 7 и глубины воды 8, датчики волнения 9, датчик ветра 10, поступают для предварительной обработки в модуль преобразования измерительной информации 12, где производится их коммутация 13 и обработка с помощью аналого-цифрового преобразователя 14, выход которого с помощью стандартного интерфейса 15 соединен со входом вычислительного блока 16, где на основе выражений 1-14 производятся операции по анализу исходной информации и оценке возможности опрокидывания судна в момент удара экстремальной волны и в условиях стремительного дрейфа, причем результаты работы вычислительного блока 16 демонстрируются на дисплее 17 и документируются с помощью принтера 18.

Реализацию последовательности процедур 1-8 осуществляют на основе динамической модели катастроф в виде следующих преобразований:

где F(Int) - функция интерпретации поведения судна вследствие удара разрушающейся волны на различных стадиях эволюции; f(t0) и fn(tn) - функции, определяющие динамику судна в момент удара t0 и в процессе развития стремительного дрейфа tn, которые определяют на основе выражений (1)-(14).

Преобразование (15) используют при компьютерном моделировании воздействия экстремальных волн. Исходной информацией при генерации сценариев возникновения и нелинейных механизмов взаимодействия ветроволновых полей является алгоритм формирования экстремальной волны (фиг. 3), позволяющий определить фактическое значение отношения hmax/hw и уточнить результаты оценки остойчивости по формулам (7)-(14). Последовательность процедур этого алгоритма учитывает сильное течение, переменную глубину, неоднородный и усиливающийся ветер, изменяющий направление, наличие зыби и встречного течения. Эти условия определяют на основе гидродинамических моделей прогноза ветра и давления Hirlam, моделей волнения SWAN и WaveWatch, моделей уровня и течений BALT-P (модель Гидрометцентра), а также моделей BSM, NEMO, COSMO.

Как показывают результаты моделирования, экстремальная волна - это трехмерный объект, включающий границу двух сред с динамическими потоками (ветром и течением). Основными механизмами возбуждения динамических процессов при возникновении экстремальных волн являются пространственное перераспределение волновой энергии и появление областей ее концентрации, а также модуляционная неустойчивость. Нелинейное уравнение Шредингера и его обобщения - основная модель описания этого феномена. Причем прибрежные экстремальные волны более опасны и более разрушительны, чем глубоководные. Параметры прогноза позволяют определить условия возникновения экстремальных волн и оценить их воздействие на судно в соответствии с процедурами 1-14.

В качестве практического примера рассмотрим приложение способа контроля остойчивости на основе динамической модели катастроф при анализе взаимодействия судна с экстремальной волной, высота которой превосходит вертикальные размеры судна вместе с надстройками.

Применим типичную для рассматриваемого случая взаимодействия катастрофу сборки для двух сценариев развития ситуации:

- удар экстремальной волны при полном погружении судна, которое можно рассматривать как подводное судно с необычной формой корпуса и использовать модель взаимодействия, изображенную на фиг. 4;

- стремительный дрейф вследствие удара экстремальной волны (фиг. 5), в процессе развития которого результирующая нагрузка от гидродинамических сил образует кренящий момент относительно центра масс (ЦМ) системы; величина этого момента непрерывно возрастает в процессе развития дрейфа, что приводит к возникновению катастрофического крена или опрокидыванию судна.

Как видно из фиг. 4, в первом случае происходит полная перестройка картины катастрофы сборки. Характерные точки этой катастрофы центр масс G, кривая центров величины С(θ), метацентр m0, точка сборки Р и область бифуркационного множества В(θ) изменяют свое положение. Затененная область GZ0(θ) соответствует изменению восстанавливающего момента M(θ)=Dh0sinθ, который создается за счет положительной величины h0=(zC-zG) в выражении (3).

Если судно выдерживает удар экстремальной волны, то возникает ситуация, описанная в следующем сценарии. В этом случае снова происходит перестройка картины катастрофы сборки (фиг. 5). ЦМ системы располагается в G0* и множество GZ0(θ)*, отображающее динамическую среду взаимодействия, в процессе развития дрейфа непрерывно изменяется и в момент потери остойчивости (опрокидывания) приобретает вид светлой области внутри кривой GZ0(θ)*. Остойчивости М(θ) в этих условиях ухудшаются за счет влияния неблагоприятных факторов и в первую очередь влившейся на палубу воды от разрушения волны после удара.

При реализации интерфейса оператора бортовой ИС на экран дисплея 16 выводится фрагмент района возникновения экстремальной волны (фиг. 6), где указывается район плавания в текущий момент времени 1, области возникновения экстремальных волн 2 и положение судна 3 в выделенном районе. На основании этих данных оператор принимает решение по выходу судна из опасной зоны.

Источники информации

1. Бухановский А.В., Лопатухин Л.И., Рожков В.А. Физика и статистика необычных морских ветровых волн // Изв. Русского географ. общ-ва, 2005. Т. 137, вып. 6, с.19-28.

2. Бухановский А.В., Иванов С.В., Нечаев Ю.И. Контроль поведения судна под воздействием экстремальных волн при функционировании интеллектуальной системы «Мореходность». - Системы искусственного интеллекта в интеллектуальных технологиях XXI века. - Санкт-Петербург, 2011, с. 174-188.

3. Куркин А.А., Пелиновский Е.Н. Волны-убийцы: факты, теория моделирования. Нижний Новгород, 2004.

4. Нечаев Ю.И. Моделирование остойчивости на волнении. Современные тенденции. Л.: Судостроение, 1989, с. 38-42, 218-222.

5. Нечаев Ю.И. Теория катастроф: современный подход при принятии решений. Санкт-Петербург, 2011.

Способ контроля остойчивости судна в условиях экстремального волнения, основанный на измерении периода бортовой качки и определении расчетом метацентрической высоты, при вычислении которой дополнительно измеряют осадки судна носом и кормой, «кажущийся» период волны, курсовой угол и скорость судна на нерегулярном волнении, угловую скорость при бортовой качке, глубину воды под килем судна и параметры деформируемого на мелководье волнения, на основании чего рассчитывают характеристики ударного воздействия разрушающихся волн, определяют фактические показатели динамики взаимодействия судна с внешней средой и возможность опрокидывания судна в момент удара разрушающейся волны путем сопоставления кинетической энергии удара волны и запаса потенциальной энергии судна в момент удара, а также опрокидывания судна при развитии стремительного дрейфа от удара разрушающейся волны путем сопоставления кренящего момента от дрейфа с восстанавливающим моментом судна, при этом величина потенциальной энергии в момент удара волны устанавливается по диаграммам статической или динамической остойчивости, а при дрейфе судна - по диаграмме статической остойчивости, отличающийся тем, что при оценке остойчивости судна на экстремальном волнении в заданном районе плавания для текущего состояния нагрузки судна дополнительно измеряют скорость течения и скорость ветра, на основании чего устанавливают причинно-следственные связи между измеренными параметрами и динамикой взаимодействия при ударе экстремальной волны путем построения частотного спектра волнения и проверки условий возникновения экстремальных волн, определения наличия в спектре волнения двух близких пиков в одном диапазоне частот и расположения пиков в двухчастотном спектре под углом около 30 градусов к генеральному направлению распространения волн, а также при уменьшении высоты волны в случае снижения скорости ветра и наличии резкого расхождения в данных измерений глубины воды в акватории, при реализации указанных условий с использованием критериальных соотношений определяют фактические показатели остойчивости судна в момент удара экстремальной волны и при возникновении стремительного дрейфа, причем в момент удара в зависимости от отношения высоты экстремальной волны к общей высоте судна вместе с надстройками рассматривают ситуации путем сопоставления кинетической энергии от удара и потенциальной энергии качающегося судна и кренящего момента от удара с величиной восстанавливающего момента полностью погруженного судна, а при дрейфе судна путем сравнения кренящего момента от удара с опрокидывающим моментом от дрейфа с учетом влившейся воды.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может найти применение в составе бортовых систем управления общесамолетным или вертолетным оборудованием.

Дистанционная резервированная система автоматизированного модального управления в продольном канале маневренных пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов содержит ручку пилота/задатчик тангажа, вычислитель автопилота угла тангажа, сервопривод, датчик угла тангажа, ограничитель предельных режимов, датчик угловой скорости тангажа, блок балансировки, вычислитель алгоритма модального управления (ВАМУ), систему воздушных сигналов, датчик линейных ускорений, идентификатор угла атаки, соединенные определенным образом.

Изобретение относится к устройству определения неправильного распознавания в группе параметров движения транспортного средства, используемых для управления вождением транспортного средства.

Система автоматизированного модального управления в продольном канале летательного аппарата (ЛА) содержит ручку пилота/задатчик тангажа, вычислитель автопилота угла тангажа, сервопривод, датчик угла тангажа, ограничитель предельных режимов, датчик угловой скорости тангажа, блок балансировки, вычислитель алгоритма модального управления (ВАМУ), система воздушных сигналов, соединенных определенным образом.

Система управления в продольном канале пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов содержит радиовысотомер малых высот, систему воздушных сигналов, бесплатформенную инерциальную навигационную систему в составе датчика нормальной перегрузки, датчика угловой скорости тангажа и датчика положения ручки летчика, цифровую систему траекторного управления и модальную систему дистанционного управления, электрогидравлический привод.

Изобретение относится к управлению технологическим процессом. Полевое устройство для мониторинга технологического параметра текучей среды промышленного процесса содержит технологический компонент, который представляет относительное движение в зависимости от технологического параметра, устройство захвата изображения, которое изменяется вследствие относительного движения технологического компонента, и процессор обработки изображения, соединенный с устройством захвата изображения.

Группа изобретений относится к способу и системе управления для управления аэродинамическими средствами летательного аппарата и летательному аппарату, содержащему такую систему.

Изобретение относится к системам повышения безопасности транспортного средства. Система помощи при вождении содержит модуль получения информации операций вождения, модуль переключения состояния вождения, модуль уведомления.

Техническое решение относится к области железнодорожной автоматики для управления железнодорожным депо. Система управления депо для управления железнодорожными вагонами, покрытыми ячеистой вагонной сетью, и составами поездов, покрытыми ячеистой поездной сетью, содержит ячеистую сеть депо с одним или несколькими приводными беспроводными шлюзами, размещенными в указанном депо в качестве сетевых узлов; при этом указанная система выполнена с возможностью выполнения следующих функций: (a) логического формирования составов поездов; (b) валидации сформированных составов поездов; и (c) логического роспуска составов поездов.

Изобретение относится к автоматическому управлению транспортным средством. Система автономного управления транспортным средством выполнена с возможностью переключения состояния управления транспортным средством.

Изобретение относится к области измерительной техники. Способ определения дисперсии погрешности измерения двухмерного спектра волнения инерциальным измерительным модулем волномерного буя, заключается в том, что определение погрешности производится путем сравнения характеристик, задаваемых стендом, с характеристиками, воспроизводимыми инерциальным модулем.

Изобретение относится к способу оперативного контроля остойчивости судна в чрезвычайных ситуациях. Для осуществления способа генерируют варианты функциональной и организационной структуры системы управления (СУ) бортовой интеллектуальной системой (БИС), моделируют режимы функционирования СУ БИС на основе репозитория сервисов, принципов обработки информации в мультипроцессорной вычислительной среде и методов теории катастроф, производят проверку соответствия параметров состава и структуры СУ БИС заданным критериям и входным характеристикам, при этом при несоответствии корректируют входные характеристики СУ БИС и повторяют процесс проектирования, а при соответствии разрабатывают техническую документацию и производят общую оценку информационной эффективности принятого решения, реализуют оценку остойчивости судна в чрезвычайных ситуациях на основе нечеткой формальной системы, основанной на динамической теории катастроф, осуществляют генерацию альтернативных решений и практических рекомендаций, производят оценку риска принимаемых решений.

Изобретение относится к области транспортного машиностроения, а именно к способам определения технических параметров транспортного средства, в частности его центра масс.

Изобретение относится к области судостроения и касается вопроса создания технических средств контроля остойчивости судна. В заявленной системе кренования судна рабочее тело выполнено в виде размещенного в расположенной поперек диаметральной плоскости судна трубе-цилиндре поршня, имеющего на своих торцах демпферы-фиксаторы, под которые в торцах трубы-цилиндра образованы ответные фиксирующие гнезда, расположенные с возможностью обеспечения зазора между торцом поршня-рабочего тела и внутренним торцом трубы-цилиндра.

Изобретение относится к области судостроения. Способ контроля непотопляемости судна заключается в том, что в измерительном блоке (1) осуществляют измерения угловых перемещений 2 и ускорений (3) судна относительно продольной и поперечной центральных осей, линейных перемещений (4) и (5), определяющих осадки судна носом и кормой, «кажущегося» периода бортовой качки судна (6), курсового угла волны (7), скорости судна (8), линейных перемещений и ускорений (9) относительно вертикальной центральной оси, уровней жидкости в затопленных отсеках (10).

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к устройствам для определения угла наклона к горизонту подвижных объектов. .

Изобретение относится к водному транспорту и может быть использовано для безопасной швартовки швартующегося судна к объекту швартовки. .

Изобретение относится к судостроению, в частности к способам контроля остойчивости судна на разрушающемся на мелководье волнении. .

Изобретение относится к области судостроения, в частности создания устройств для измерения угла крена или дифферента плавучих средств при всех эксплуатационных ситуациях.

Изобретение относится к области оперативного контроля остойчивости и скорости судна в условиях заливания палубы при движении судна на попутном волнении. .

Группа изобретений относится к области автоматического управления, в частности, к способам управления двухколесной тележкой с противовесом. Для управления двухколесной тележкой с противовесом выявляют тип препятствия впереди любого из колес. Если препятствие относится к типу непреодолимое препятствие, управляют двухколесной тележкой с противовесом для торможения и защищают компонент управления поворотом. Устройство управления двухколесной тележкой с противовесом имеет два параллельных колеса и компонент управления поворотом и содержит выявляющий и управляющий модули. Двухколесная тележка с противовесом содержит чип управления, память для хранения инструкций, компонент управления поворотом. Достигается повышение безопасности использования тележки. 3 н. и 18 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к способу контроля остойчивости судна в условиях экстремального волнения. Для контроля остойчивости судна измеряют период бортовой качки, рассчитывают метацентрическую высоту определенным образом, рассчитывают характеристики ударного воздействия разрушающихся волн на основе анализа частотного спектра волнения, скорости ветра и течения, определяют фактические показатели динамики взаимодействия судна с внешней средой и возможность опрокидывания судна в момент удара экстремальной волны и при развитии стремительного дрейфа от ее удара. 6 ил.

Наверх