Delist.ru

Разработка методики оценки гидродинамического водейсвия на плавающие машины,входящие в прибойную зону (05.05.2009)

Автор: Малахов Дмитрий Юрьевич

Проведенные экспериментальные исследования позволили впервые выполнить количественную оценку силового воздействия прибойных волн на плавающую машину.

Практическая ценность

Впервые, наряду с изучением процесса разрушения волн прибойной зоны, выполнено наблюдение и осуществлена количественная оценка влияния силового воздействия прибойных волн на модель плавающей машины. В результате испытаний масштабной модели плавающей машины получен обширный экспериментальный материал, характеризующий параметры волнового воздействия на модель плавающей машины в зависимости от уклона берега в зоне разрушения волны, положения плавающего средства относительно разрушающейся волны, высоты и периода разрушающейся волны.

Результаты экспериментов могут быть использованы в качестве сравнительной базы для других исследований. С помощью предложенного комбинированного графика связанных между собой зависимостей можно выполнять оценку возможности входа плавающей машины в прибойную зону при различных по балльности волнениях и уклонах береговых склонов. На основании выводов исследования сформулирован ряд практических рекомендаций по преодолению плавающей машиной прибойной зоны.

Реализация результатов работы

Результаты работы используются в учебном процессе на кафедре "Тягачей и амфибийных машин" МАДИ (ГТУ), в научно-исследовательских институтах МО РФ и на предприятиях, связанных с проектированием, исследованием и изготовлением плавающих машин, в частности, при проведении ОКР "Бережок" и "Ракушка".

Апробация работы и публикации

Диссертационная работа рассмотрена и одобрена на заседании кафедры "Тягачей и амфибийных машин" МАДИ (ГТУ) в 2009 году.

Основные положения диссертационной работы заслушивались и обсуждались на IV Международном автомобильном научном форуме в 2006 году, докладывались на выставке "Научные достижения МАДИ (ГТУ)" в 2006 году, на 66 научно-методической и научно-исследовательской конференции МАДИ (ГТУ) в подсекции колесных и гусеничных машин высокой проходимости в 2008 году.

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ в сборниках научных трудов МАДИ (ГТУ) и ГНЦ РФ ФГУП "НАМИ", в журнале "Автомобильная промышленность".

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, заключения, списка использованных источников и литературы и приложений. Работа в целом содержит 166 страниц машинописного текста, 101 рисунок и фотографию, 25 таблиц, список литературы из 105 наименований и 24 страницы приложений, два акта внедрения.

На защиту выносятся основные положения и результаты расчетно-теоретических и экспериментальных исследований, связанных с качественной и количественной оценкой процесса взаимодействия между входящими в воду плавающими машинами и разрушающимися прибойными волнами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования.

В первой главе проведен анализ научно-исследовательских работ по тематике диссертационной работы. Теоретические и экспериментальные исследования, посвященные эксплуатации плавающих машин различного типа и назначения в прибойной зоне морских и озерных побережий, изучению волнения на прибрежном мелководье и процесса разрушения волн, а также воздействия волн на гидротехнические сооружения, нашли свое отражение в трудах М.Ю. Тимофеева, H. Iverson и R.Crooke, D. Patrick, А.П. Степанова, П.В. Аксенова и Ю.А. Кононовича, Н.Г. Давыдова, Д.Г. Егорова, Е.С. Цайтса и И.Я. Попова, В.Я. Кякка, Е.И. Левкевича и В.К. Панкратова, Д.Д. Лаппо, М.П. Кожевникова, В.С. Ермакова, Н.Н. Загрядской и др.

Анализ научно-исследовательских работ по взаимодействию плавающих машин с волнами прибойной зоны показывает, что этот процесс как при входе машин в воду, так и при выходе их из прибойной зоны на берег исследован явно недостаточно. Это не позволяет сформулировать хотя бы общие рекомендации, основанные на научных данных и исследованиях, по способам и правилам преодоления плавающими машинами прибойной зоны в условиях волнения значительной для плавающих машин балльности (4...5 баллов). Нет также рекомендаций по совершенствованию конструкции плавающих машин с целью обеспечения надежности преодоления прибойных зон.

В рассмотренных научных трудах, за исключением работы А.П. Степанова, а также работ ряда американских исследователей, не нашли отражения особенности взаимодействия плавающих машин с волнами прибойной зоны, поведение этих машин при контактах с разрушающимися волнами и, что является очень важным – в них нет оценки силового воздействия волн на машины.

В то же время из выполненного обзора видно, что достаточно большой объем информации о функционировании объектов в прибойной зоне накоплен в смежных областях инженерной деятельности. Многие результаты исследований как параметров волн и волнений, так и их воздействия на сооружения, официально рекомендованы для расчета гидротехнических сооружений и сведены в СНиП 2.06.04-82*, который, в частности, содержит рекомендации по определению нагрузок от воздействия волн (глубокой воды, разрушающихся и прибойных) на гидротехнические сооружения вертикального и откосного профиля, а также на вертикальные обтекаемые преграды и сквозные сооружения.

В конце главы на основании результатов анализа научно-исследовательских работ сформулированы задачи, которые необходимо решить для достижения поставленной цели исследования:

1. Проведение теоретических исследований, направленных на изучение основных факторов, оказывающих влияние на процесс входа плавающей машины в воду прибойной зоны.

2. Подготовка и проведение экспериментов, моделирующих процесс прохождения плавающей машины от берега через зону разрушающихся волн. Наблюдение за характером разрушения волн, описание характера силового воздействия волн на модель плавающей машины в зависимости от уклонов прибрежного дна и положения машины относительно уреза воды.

3. Экспериментальная оценка величины фронтального воздействия разрушающихся волн на плавающую машину, входящую в воду прибойной зоны.

4. Экспериментальная оценка величины разворачивающего момента, действующего на плавающую машину при отклонении ее курса от нормали по отношению к фронту разрушающихся волн.

5. Изучение и оценка влияния угла наклона приурезового дна на процесс взаимодействия плавающей машины с волнами в условиях повышенной балльности (4….5 баллов).

6. Проверка применимости существующей методики расчета гидротехнических сооружений к определению силового воздействия волн на плавающую машину в прибойной зоне.

Вторая глава посвящена теоретическим основам процесса входа плавающих машин в воду прибойной зоны, гидродинамического воздействия на них.

Способность плавающей машины работать в прибойной зоне определяется рядом ее конструктивных параметров и эксплуатационных характеристик, степень влияния которых различна. Именно в совокупности эти параметры и характеристики обуславливают возможность плавающей машины входить в воду прибойной зоны, двигаться по взволнованной поверхности воды под различными курсовыми углами по отношению к фронту распространения волн и выходить на берег при волнении различной балльности.

Существенное влияние на возможность успешной работы плавающих машин в прибойной зоне оказывают соотношение размеров амфибии и волны. Чем больше эти соотношения, тем выше мореходность плавающих машин.

Выполненные теоретические исследования позволили установить, что при оценке процесса входа плавающей машины в волны прибойной зоны целесообразно береговой пляж и прибрежную морскую зону разбивать на 4…5 участков, специфических по условиям движения (рис. 2).

Движение плавающей машины на всех этих участках можно описать дифференциальными уравнениями (1-6), которые характеризуют возможность преодоления этих участков:

первый участок

второй участок

третий участок

Рис. 2. Схема характерных участков прибойной зоны:

1Р – первое разрушение волны; ПР – последнее разрушение волны

четвертый участок

Анализ этих уравнений показывает, что на большинстве участков, особенно тех, на которых происходит взаимодействие разрушающихся прибойных волн с плавающей машиной, весь процесс взаимодействия является сложным многофакторным, нестабильным динамическим процессом, параметры которого быстро изменяются.

Основным препятствием при входе плавающей машины в прибойную зону является череда разрушающихся волн, кинетическая энергия которых определяется размерами волн и скоростью их перемещения. С теоретических позиций наилучшим местом входа в воду прибойной зоны являются участки, имеющие малые углы наклона прибрежного дна, на которых скорости волн и их кинетическая энергия минимальны.

Расчеты показывают, что с увеличением балльности при прочих равных условиях (расстояние от берега, уклоны дна) скорость плавающей машины существенно уменьшается. Так, при волнении в 3 балла скорость уменьшается по сравнению со скоростью на свободной воде на 30%, при волнении в 4 балла - на 41%, а при волнении в 5 баллов – на 59%. Увеличение угла берегового склона приводит к увеличению скорости плавающей машины, но с разной интенсивностью. При волнении в 3 и 4 балла интенсивность роста скорости плавающей машины более высокая, чем при волнении в 5 баллов. При 5-балльном волнении угол уклона по существу мало влияет на изменение скорости плавающей машины. Скорость волны в несколько раз больше скорости плавающей машины в водоизмещающем режиме на волнении. По мере удаления от берега скорости плавающей машины и волн увеличиваются, но в разной степени. Следовательно, для оценки возможности входа плавающей машины в воду прибойной зоны при различной балльности волнения необходимо знать кроме скорости волн также величину силового воздействия волн на корпус плавающей машины.

загрузка...