Сотни лет тому назад благодаря многочисленным трудам ученых возникшая гидродинамика судна смогла превратиться в такой эффективный теоретический аппарат, что позволила успешно спрогнозировать судовые характеристики. Но к концу XIX века методы, основанные только на теории, стали недостаточно эффективными. Поэтому для уточнения результатов, выполненных при помощи расчетов, потребовались данные, полученные во время экспериментальных исследований. Во многих странах, следуя идеям Д. Тейлора из США, отца и сына Фруда из Англии и Э. Бертена из Франции, начали создаваться опытовые бассейны. Основная задача этих экспериментальных установок заключалась в том, чтобы определить сопротивление движения корпуса судна. Данные опытовые бассейны стали основой для создания в различных странах научно-исследовательских центров.
В современном мире, техника и технологии достигли такого уровня, что обеспечивают выполнение миссий судами с минимальными рисками и издержками. Однако цена решений, которые принимаются на этапах проектирования, изготовления и натурной эксплуатации судна, учитывая его стоимость и ценность груза, который судно перевозит, безопасность людей на нем, настолько высока, что необходимо применить максимально возможные способы прогнозирования и изучения судовой динамики во время реальной эксплуатации, особенно в экстремальных и аварийных ситуациях. Очевидно, что проведение полномасштабных экспериментов с судном в экстремальных ситуациях, экономически невыгодно
техническим объектом, а также это связано еще и с существенными рисками.
Вероятность возникновения таких событий реально существует и требует тщательного и всестороннего изучения при различных режимах эксплуатации суд-
на. При всем том, что формирование аварийной ситуации тивариантный процесс, оценночный анализ известных раннее происшествий позволяет определить условия, которые способствуют их появлению, например, такие как захват судна волной (брочинг) [1], параметрические резонансы разной природы [2] и потеря управляемости на гребне волны. Также развитие каждой из ситуаций, перечисленных выше, может затрудняться за счет внутренних факторов (затопление отсеков, смещение груза, обледенение и пр.). В результате чего, множество и неоднозначность влияния экстремальных условий
эксплуатации уменьшает возможности постановки экспериментов в опытовых бассейнах. Поэтому в настоящее время для исследований таких ситуаций активно разрабатываются виртуальные морские полигоны. Главное преимущество использования такой информационно-вычислительной системы перед физическим опытовым бассейном состоит в том, что эксперименты проводятся в реальном временном и пространственном масштабе, т.е. судна и океанские волны имеют реальный размер, и на персональном компьютере где нет необходимости доступа к дорогостоящему и высокотехнологичному оборудованию.
Виртуальный полигон океанские волны, ветер, движение корабля и затопление отсеков. Одной из особенностей этой программы является то, что она визуализирует физические явления кадр за кадром в процессе моделирования.
Разрабатываемая информационно-вычислительная система предназначена для
• прямого моделирования качки судна на взволнованной морской поверхностью, учитывая воздействия природных и техногенных процессов;
• прямого моделирования качки судна в режиме реального времени с изменением параметров моделирования в реальном времени на основе показаний датчиков и вручную, учитывая воздействия природных и техногенных процессов.
Немаловажной задачей является верификация данного Виртуального полигона, чему и будет посвящена данная выпускная квалификационная работа. Данная процедура может позволить использовать Виртуальный полигон для проведения испытаний и исследований в виртуальной среде, которые нерационально и экономически невыгодно проводить в реальной среде: эксперименты с поврежденным морским объектом для изучения его динамики движения, эксперименты с затоплением отсеков для изучения их влияния на качку суда и др. Также после верификации Виртуальный полигон можно будет использовать для пополнения базы знаний систем поддержки принятия решений, помогающая бороться за живучесть судна в аварийных и экстремальных ситуациях.
Для решения поставленной задачи были созданы масштабные модели судов из базы данных, а также написаны вспомогательные программы. Масштабные модели были выполнены с помощью технологий 3D печати. Данная технология позволила использовать трехмерное описание геометрии корпуса непосредственно из базы данных судов Виртуального полигона, т.е. получилось в точности воссоздать виртуальную модель судна в реальности. Для сбора синхронных записей параметров качки масштабных моделей судов, таких как угловое ускорение, угловая скорость положение в пространстве и др., были написаны программы для операционной системы Android, которые используют показания датчиков, встроенных в сам смартфон. Во время испытаний с масштабной моделью судна, смартфон располагался в центре масс судна и запускалась одна из программ. После завершения эксперимента выходные файлы программы с данными отправлялись на компьютер для последующей обработки.
В первой главе данной выпускной квалификационной работе аспиранта подробно рассмотрен состав программы динамики морских объектов — Виртуальный полигон: генератор волнистой поверхности, моделирование отражения и излучения волн, моделирование ветра с помощью модели АРСС и аналитической модели, моделирование затопление отсеков, модель двигателя и руля судна.
Вторая глава посвящена технологиям с помощью которых была реализована самоходная масштабная модель судна.
В третьей главе рассказывается о вспомогательных программах для управления моделью судна и сбора параметров качки, а также о процессе верификации Виртуального полигона.
В рамках проведенной работы были выполнены все поставленные задачи:
• реализована самоходная масштабная модель судна;
• написаны вспомогательные приложения для операционной системы
Android, с помощью которых производилось управление масштабной моделью и сбор параметров качки данной модели;
• проведен натурный эксперимент с моделью на воде и собраны необходимые данные;
• проведен аналогичный эксперимент в среде Виртуального полигона, и
были сравнены полученные данные с натурным экспериментом.
• проведенное исследование показало сходство в полученных данных.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
