Домашняя яхт-верфь.

Сайт создан для тех, кто мечтает построить яхту своими руками — яхту своей мечты…

От теории к практике: полутонник «ВИРАЖ».

2499452 - 00

Группа «Вираж» студенческого конструкторского бюро КИИГА — Киевского института инженеров гражданской авиации — в течение пяти лет занимается исследованием вопросов аэрогидродинамики парусных судов. Теоретические исследования ведутся силами студентов механического факультета.

Теория хорошо сочетается с практикой: в институте работает довольно мощная парусная секция, под флагом которой ходят шесть крейсерских яхт: три «Фолькбота», четвертьтонник «Гелиос», один «Таурус» и наконец — полутонник собственной конструкции, о проектировании и испытаниях которого мы и хотим рассказать.

По заказу Херсонской областной водноспортивной станции и Таллинской экспериментальной верфи спортсудостроения нашей группой «Вираж» проводились испытания моделей яхт в опытовом бассейне, а также испытания самоходных моделей под парусами и продувки моделей в аэродинамической трубе.

001

Закономерным итогом этих работ было проектирование крейсерско -гоночной яхты с
учетом полученных при их проведении результатов. В 1978 г. спущена на воду яхта полутонного класса «Вираж», построенная в Херсоне по проекту СКБ КИИГА. Постройка этой яхты, заложенной еще в 1974 г., шла очень медленно по вине верфи. Читать далее

20.09.2015 Posted by | проектирование | , , , , , , | Оставьте комментарий

Исследования динамики парусных яхт — история и современность.

С давних времен и до настоящей поры парусные суда являются одними из наиболее сложных и малоизученных объектов инженерной деятельности. С точки зрения динамики, парусное судно — это система гидро и аэрокрыльев, движущихся вблизи границы раздела водной и воздушной сред. Характерное отличие режимов эксплуатации парусных судов заключается прежде всего в их сложности: наличии ходовых углов дрейфа и крена, в необходимости иметь достаточную остойчивость для несения парусов, а также в широком диапазоне относительных скоростей движения. Работа парусного вооружения, представляющего собой движитель судна, аналогичным образом зависит от большого числа взаимодействующих факторов (рис. 1).

Наибольший толчок изучению динамики парусных судов дают хорошо финансируемые престижные гонки: на Кубок Америки, “Volvo Ocean Race”, “Around Alone” и т.д. В столь от ветственных соревнованиях разница в скорости лидеров и аутсайдеров зачастую не превышает 1—2%, поэтому требуется обеспечить высокую достоверность сравнения и оценки принимаемых проектных и тактических решений. Существующие способы прогнозирования мореходных качеств судов постоянно совершенствуются за счет накопленных экспериментальных данных, развития теоретических и компьютерных методов. Внедрение системы обмера IMS (и подобных ей) также потребовало от мерителей и яхтсменов соответствующей теоретической подготовки в вопросах ходкости парусных судов…

Читать далее

17.08.2011 Posted by | гидродинамика, теория | , , , , , , , , , , , , , , , , , , | Оставьте комментарий

Каким должен быть киль у яхты?

Кили современных парусных яхт проектируют на основании достижений гидро — и аэродииамики крыла конечиого размаха. Обычно отношение толщины поперечного сечеиия киля к eгo хорде принимается не более 10%. Это оправдано особенностями обтекания профилей на реальных скоростях движення яхт, которые характеризуются числом Рейнольдса:

где  v —  скорость хода, м/с;  b —  хорда профиля киля, м;  \—  коэффициент кинематической вязкостн.

О влиянии толщнны профиля на величииу максимальной подъемной силы, развиваемой килем, можно судить по графику, представленному на рис. 1 [2, 4]. Значения         чисел Рейнольдса для киля при средней скорости яхты в расчете на 1 м хорды лежат в пределах Re = 104 -:- 106.  При таких режимах обтекания оптимальны профили с относительной толщиной  t / b в пределах 10 — 12%. Однако окончательный выбор профиля киля определяется величиной гидромеханичеcкoгo качества:

(отношение подъемной силы Y к сопротивлению Х) и гидродинамическим моментом, который создается на профиле относительно eгo передней кромки. Этот момент фактически определяет положение центра бокового сопротивления яхты относительно миделя.

Кроме выбора профиля, дизайнер яхты должен выбрать форму киля в плане. При этом следует исходить из положений теории равномернoгo установившегося движения или учитывать некоторые хорошо нзученные в настоящее время элементы нестационарного обтекання киля при килевой и бортовой качке в зоне активного воздействия внутриволнового течеиня. На спокойной воде наиболее эффективны кили с максимальным гидродинамическим удлинением:

где l —  высота киля от eгo подошвы до днища корпуса;  S —  площадь киля. Такие кили обладают минимальным индуктивным сопротивлением, однако при чрезмерном их удлинении у яхты возникает дополнительное сопротивление в процессе качки от изменения углов атаки по длине. Особенно ярко такое сопротивление проявляется на яхтах с узкими глубокими килями (например, типа «Конpaд – 24»)  на курсах галфвинд — бакштаг, когда избавиться от бортовой качки невозможно. Читать далее

14.07.2011 Posted by | Аэродинамика, гидродинамика, теория | , , , , , , , , , , , , , , , , | Оставьте комментарий

Что такое «Полярная диаграмма скоростей яхты» и для чего она нужна яхтсмену?

Альберт НАЗАРОВ

 Опубликовано в журнале «Шкипер» 3’2000

В настоящее время в мировой практике стало нормой использование яхтсменами-гонщиками полярных диаграмм скоростей яхты, что позволяет численно оценить тактические решения в гонке и существенно улучшить спортивные результаты. Особенно глубокими знаниями в области динамики парусного судна обладают штурманы и тактики экипажей лучших гоночных яхт: ситуация складывается так, что только досконально разбираясь в подобных «тонкостях» и просчитывая варианты, можно претендовать на победу в соревнованиях мирового уровня. Кроме того, полярные диаграммы скоростей — один из основных элементов описаний яхт и «серьезных» проектов в яхтенных журналах. Однако поскольку наши «Школа рулевого» и «капитана» соответствующие вопросы совершенно не затрагивают, а специальная литература труднодоступна и ориентирована прежде всего на специалистов, то в знаниях большинства отечественных яхтсменов существует своеобразный «пробел». Занимаясь в течение ряда лет исследованиями и расчетами гидроаэродинамики парусных судов, осмелюсь предложить обзор основных принципов построения полярных диаграмм скоростей яхт и их применения яхтсменами.

Что такое полярная диаграмма скоростей?
Полярная диаграмма скоростей яхты — это графическое представление скорости яхты в зависимости от курса относительно истинного ветра и его скорости. Она называется так потому, что строится «в полярной системе координат»: угол и расстояние. Принцип построения диаграммы ясен из Рис.1. Принято показывать только половину диаграммы — для одного из галсов, но для яхтсменов удобнее изображать ее «на оба борта».
Используя полярную диаграмму, можно легко определить скорость яхты при любых скорости ветра и курсе относительно ветра, и составить полное впечатление о ее ходовых качествах.

Несколько важных подробностей
В ряде пособий по парусному спорту «курсом относительно ветра» неправильно называется угол между ДП яхты и направлением истинного ветра: такое представление не учитывает наличия у яхты при движении угла дрейфа (Рис.2). По-видимому, это определение «перекочевало» из навигации, где под курсом понимается угол между северной частью меридиана и ДП, а аналогичный угол с направлением движения (т.е. путем) называется путевым углом. Необходимо иметь ввиду, что курс показывает компас (конечно, с учетом соответствующих поправок), а путь показывает приемник GPS. Разность между их показаниями — это угол дрейфа.
На правильно построенной полярной диаграмме скоростей яхты в качестве курса относительно ветра откладывается угол между направлением движения (т.е. вектором скорости яхты, путем) и направлением истинного ветра.
Только такую поляру можно использовать для навигации. К сожалению, на некоторых «самодельных» полярных диаграммах отмеченный нюанс, особенно существенный на острых курсах, не учитывается.
На всякой случай напомним: истинный ветер ощущается только неподвижным наблюдателем. Вымпельный ветер получается за счет наложения на истинный встречного потока при движении судна, именно его и показывает яхтенный анемометр на ходу.


Как построить полярную диаграмму?
Диаграмма может быть получена экспериментально — путем записи показаний приборов в ходе пробегов яхты. Правда в этом случае, как правило, наблюдается большой «разброс» значений, связанный с погрешностями измерений.
Наиболее часто применяется расчетный метод с использованием компьютерных программ типа VPP (Velocity Prediction Program — программа предсказания скорости). Программы доступны с виде «пользовательских версий» для яхтсменов за рубежом; многие яхтенные конструкторы разрабатывают собственные «профессиональные» версии для конкретных целей.
Практика показывает, что наиболее надежным методом является «расчетно-экспериментальный», когда результаты расчетов «привязываются» к результатам пробегов.

Сферы применения: для чего используются полярные диаграммы скоростей?
Проектирование яхт
Идея расчетов ходовых качеств и построения полярных диаграмм скоростей происходит именно из задач оптимизации и сопоставления вариантов проектов гоночных яхт; такие расчеты — неотъемлемая часть работы профессионального яхтенного конструктора. Обычно в этом случае в дополнение к ходкости VPP дополняется программой RMP (Race Modeling Program) для прогнозирования времени прохождения заданной дистанции при заданных метеоусловиях, основанной на вероятностном подходе.
Обмер яхт
Программа VPP применяется для обмера «крейсерско-гоночных» яхт в системе IMS. Система разработана и в Массачусетском Технологическом Институте (США) и существует довольно давно — первые варианты разработаны еще в середине 1970-х. Основная идея системы — от «геометрического» обмера (как, например, в IOR) перейти к «динамическому»: т.е. непосредственно расчитывать ходовые качества яхты и исходя из них уравнивать шансы на победу. Предполагается, что IMS справедлива потому, что полностью опирается на научную основу. Однако как бы не был изощрен обмер корпуса «мерительной машиной», на самом деле в математическую модель расчета гидродинамического сопротивления IMS входят лишь несколько общих величин; еще более условным выглядит обмер и расчет характеристик парусного вооружения… В результате оказалось, что яхты некоторых типов стабильно получали незаслуженное преимущество. Опыт применения IMS за рубежом вызвал многочисленные нарекания и разочарование яхтсменов, несмотря на постоянные попытки ее совершенствования. Наверное, выражу общее мнение, сказав, что идея «торжества справедливого обмера» недостижима на практике, в связи с чем наиболее перспективным направлением выглядит развитие свободных классов яхт.
Управление яхтой
Внедрение и совершенствование IMS, тем не менее, «познакомило» широкий круг яхтсменов с полярной диаграммой скоростей, ранее доступной лишь передовым конструкторам и ученым. В гонках яхт поляры нашли применение как эффективный инструмент для количественного анализа приемов управления судном. Круг решаемых задач на самом деле очень широк: в том числе оценка вариантов парусности, управление средствами противодействия дрейфу, определение оптимального количества водяного балласта и т.д.; мы рассмотрим более подробно лишь несколько наиболее простых примеров.

Как определить оптимальный лавировочный угол?
Общий подход: оптимальный курс на лавировке должен обеспечивать наибольшее продвижение яхты по генеральному курсу — оси лавировки. Скорость «продвижения на ветер» находится геометрическим построением (Рис.3) (по-английски эта скорость называется VMG — velocity made good).
Яхтсменам полезно также пронаблюдать, как изменяются оптимальные лавировочные углы в зависимости от скорости ветра (пунктирная линия на Рис.3.) Начиная с некоторого значения силы ветра прирост скорости на курсе крутой бейдевинд прекращается: сказывается крен судна, действие волнения и необходимость уменьшения парусности.
Необходимо отметить, что, например, для яхты с размерениями «однотонника», отклонение от оптимального лавировочного угла на 3° влечет «потерю высоты» 20 м на каждую милю дистанции. Причины этого явления во-первых в том, что вымпельный ветер «гасится» при движении судна; во-вторых, в перекрытии передних парусов задними.

Фордевинд или бакштаг?  Полярная диаграмма скоростей яхты позволяет легко оценить наилучший способ продвижения по ветру. Как можно заметить (Рис.4), чаще всего курс фордевинд невыгоден: более правильна тактика прохождения участка галсами в бакштаг. Особенно значительное преимущество этот способ имеет при слабых ветрах.

Какой курс самый быстрый?  При слабых ветрах наибольшая скорость яхты достигается на курсе полный бейдевинд, что связано с максимальным использованием эффекта вымпельного ветра. Это особенно справедливо для яхт, не имеющих спинакера, и также для катамаранов. С усилением ветра яхта развивает максимальную скорость на курсе бакштаг.

Тактика маршрутных гонок
Как построить гонку по известному маршруту, имея во-первых, достоверную полярную диаграмму скоростей; во-вторых, долгосрочный метеопрогноз: распределение ветров по скоростям и направлениям, а также параметры волнения и течений? В общем это сложная многомерная задача, наиболее точное решение которой можно получить с помощью спутниковых метеоданных, компьютера и специального программного обеспечения: именно так и работают навигаторы яхт в престижных океанских гонках. (До конца 1980-х такой возможности зачастую не было, и эту работу иногда выполняли «береговые штурмана».)
Но даже если вы ходите не на «Макси» и у вас нет бортового компьютера, полярная диаграмма скоростей вашей яхты окажет неоценимую помощь при выполнении прокладки в маршрутной гонке. Чтобы было меньше вычислений, для этой операции удобно иметь поляру, выполненную на кальке в масштабе карты; и сориентировать ее на карте по направлению ветра. Алгоритм должен выглядеть приблизительно так: проставить на карте в зоне маршрута направления и скорости ветра в соответствии с прогнозом и ожидаемым изменением. Определить, выгодно ли следовать генеральным курсом. Если есть, например, участки лавировки, то предусмотреть их прохождение более выгодным курсом и проложить остальные участки маршрута соответственно. Конечно, необходимо одновременно учитывать особенности «оперативного поля»: препятствия, волнение, достоверность прогноза и т.д… В общем, для экипажей крейсерских яхт открываются новые горизонты совершенствования мастерства.

«Выбить» паруса или взять риф?
Ответ на этот вопрос проиллюстрируем, немного углубившись в «механизм» VPP. «Внутри программы» существуют два фактора R — рифление и F — «уплощение» парусов, которые по-разному влияют на ходовые качества.
Рифление вызывает понижение центра парусности в R раз, площадь парусности уменьшается в R2, силы парусах также уменьшается в R2 раз.
«Выбивание» парусов никак не влияет на высоту центра парусности, подъемная сила (основная составляющая тяги паруса на острых курсах) уменьшается в F раз, в то время как сила сопротивления паруса (т.е. практически сила дрейфа) уменьшается в F2 раз.
Таким образом, если позволяет остойчивость яхты, выгоднее попытаться уменьшить пузо паруса, чем брать рифы.

О полярных диаграммах, приведенных в статье
На иллюстрациях статьи проследим, как конструкторы используют полярные диаграммы скоростей при разработке проектов яхт для конкретных условий гонок: соответственно выбираются размеры и форма корпуса, тип парусного вооружения и т.д.
Поляры на Рис.3 относятся к яхте «Кубкового класса» для гонок на Кубок Америки (IACC). Это очень характерный пример яхты для гонок «по треугольнику»: очевидно, что предпочтение отдается лавировочным качествам. Характеристики яхты оптимизированы на слабые ветра.
На Рис.4 показаны полярные диаграммы типичного «круизер-рэйсера», ориентированного на обмер по IMS: LOA = 12.0 м, LWL= 9.9 м, B= 3.81 м, DISPL= 5.53 т, SA= 75.8 м2. Как следует из поляр, яхта универсальная, предназначена для широкого диапазона курсов и скоростей ветра: гонки как маршрутные, так и «вокруг буев».

Перспективные направления исследований ходовых качеств яхт
Совершенно справедливо связывать развитие VPP с прогрессом в яхтостроении: ведь эти расчетные программы используются при разработке новых судов. Сегодня основные усилия зарубежных специалистов — разработчиков VPP сосредоточены на уточнении влияния морского волнения на сопротивление (параметры волнения очень сильно зависят от акватории), а также на совершенствовании математической модели аэродинамики парусов.
Однако возможны и другие перспективные направления, предоставляющие возможности значительного совершенствования характеристик парусных яхт. Например, в матчевых гонках поворот оверштаг является важным элементом ходовых качеств на лавировке; оценки показывают, что в гонках Кубка Америки яхта проходит в нестационарном режиме (торможение, поворот, разгон) около 8…12 % дистанции…
К настоящему времени под руководством автора статьи разработана и совершенствуется принципиально новая программа, названная SCD (Sail Craft Dynamics), позволяющая рассчитывать не только прямолинейное (как в VPP) движение яхты, но и моделировать маневры: возможно в реальном времени исследовать повороты, действие перекладки руля, изменение направлений и скорости ветра и т.д, с учетом всех особенностей гидроаэродинамики. На базе программы SCD в Севастопольском Государственном Техническом Университете создаются также компьютерные тренажеры для судоводителей.

Конечно, некоторые из рассмотренных приемов управления интуитивно знакомы яхтсменам. Но экипажи лучших крейсерско-гоночных яхт применяют полярную диаграмму скоростей своего конкретного судна для обоснованного принятия тактических решений; в короткой гонке поляра позволяет заранее продумать стратегию. К сожалению, многие наши ведущие спортсмены на самом деле не склонны к анализу ситуации на дистанции, а скорее действуют «по шаблону»… Опыт тренерской работы показывает, что даже само знание закономерностей полярной диаграммы яхты способно значительно повысить результативность яхтсмена независимо от класса, в котором он выступает.

23.05.2011 Posted by | проектирование, расчет, теория | , , , , , , , , , , , , , , , , , | Оставьте комментарий

Современные методы и технологии проектирования парусных яхт.


Назаров А.Г.
 (Севастопольский Государственный Технический Университет)

В статье содержится обзор основных этапов и современных методов исследования и проектирования парусных яхт, рассмотрено применяемое программное обеспечение и экспериментальное оборудование, затрагиваются пути совершенствования яхт.

На фоне многовековой истории паруса, за последние десятилетия достигнут небывалый прогресс в проектировании и постройке парусных яхт, во многом благодаря применению компьютерных технологий и научных достижений космического века в этой, казалось бы, консервативной области. Сегодня конструктор яхты координирует ход проектных работ, а на отдельных этапах привлекаются узкие специалисты из смежных отраслей, обладающие необходимыми знаниями, экспериментальной базой и программным обеспечением.
Проектирование гоночных яхт — это своего рода соревнование, и многие регаты выигрываются еще «на чертежной доске». Толчок развитию парусных судов дают, в первую очередь, престижные кампании гонок на Кубок Америки, Volvo Ocean (бывший WRWR) и т.д., финансируемые солидными спонсорами или «богатыми сумасбродами», которые ради победы готовы вложить немалые средства в научные исследования и разработки. В то же время нельзя отрицать и существование эффективных «малобюджетных» методов проектирования.

Основные характеристики яхты

С точки зрения конструктора яхт, проект любого парусного судна — это взаимосвязь нескольких первостепенных характеристик, определяющих его ходовые качества: длины L, водоизмещения DSPL, парусности SA и начального восстанавливающего момента RM. Их безразмерные соотношения:

— относительная длина, характеризует гидродинамическое сопротивление корпуса, и

— относительная энерговооруженность парусами, характеризует располагаемую «мощность» парусов.

Начальный восстанавливающий момент RM характеризует возможность

реализовать эту «мощность» — т.е. способность к несению парусов, и в целом определяет тип парусного судна и способ противодействия крену: швертбот с разными видами откренивания, килевая яхта с постоянным либо перемещаемым балластом, многокорпусное судно и т.д.
Перечисленные выше характеристики обусловливают концепцию проекта и подлежат обоснованию в первую очередь. Такие параметры, как ширина BWL, осадка корпусом Tс, коэффициент продольной полноты CP, абсцисса центра величины LCB, удлинение киля, руля и парусов и т.д. — являются менее значимыми и уточняются на последующих этапах [4].

Подходы к обоснованию характеристик

Для гоночной яхты требуется «вписаться» в класс, обеспечить выгодный обмер по определенной системе и выдержать требования к обитаемости и оборудованию. Изначально системы обмера создаются для классификации яхт и уравнивания шансов на победу. Каждая обмерная формула или система — IOR, IMS, IRM и т.д. — накладывает собственные ограничения и диктует архитектуру яхт и соотношения размерений, поощряя или штрафуя те или иные технические решения. В качестве примера, на рис.1 показаны базовые величины для морских гоночных яхт по новым правилам IRM (IR2000). Зачастую на данном этапе задача конструктора превращается в поиск «лазеек» в обмерной системе, чтобы «заставить яхту ходить быстрее, чем думают правила»; чем сложнее и изощреннее обмер, тем больше здесь скрытых и подчас неожиданных возможностей.

Рис.1 Схема обмера и базовые величины для морских гоночных яхт по правилам IRM (кликните рисунок, чтобы увеличить).

Системы обмера, тем не менее, позволяют в пределах класса «поиграть» с основными характеристиками, и подобрать их по критерию наилучших ходовых качеств: гоночная яхта «программируется» на конкретные условия соревнований. Общий подход заключается в генерировании на основе правил обмера нескольких вариантов проекта, из которых в дальнейшем предстоит выбрать оптимальный, обеспечивающий победу в гонке на заданной дистанции и при заданных метеоусловиях.

Для круизной яхты выбор основных характеристик осуществляется «от обитаемости»: на стадии эскизирования решается задача комфортного размещения пассажиров и удобств в мореходном корпусе экономичных размерений.

Автоматизированное проектирование формы корпуса и программное обеспечение

Проектирование формы корпуса яхты с использованием систем CAD (Computer Aided Design) имеет неоспоримые преимущества и позволяет решать следующие задачи [2]:

  • Построение трехмерной модели и сглаживание поверхности корпуса корпуса. Наибольшее распространение получили сплайн — поверхности NURB (Non Uniform Rational B-spline).
  • Вывод проекций теоретического чертежа, таблицы ординат и плазовых шаблонов.
  • Построение разверток листов наружной обшивки для остроскулых судов.
  • Встроенные возможности для расчетов плавучести и остойчивости.
  • Визуализация — наглядное представление формы корпуса.
  • Обмен данными с другими CAD/CAM-системами и расчетными программами: LPP, CFD, FEM.

Анализ мирового опыта позволяет выделить наиболее популярные судостроительные и заимствованные из других отраслей CAD, нашедшие применение для проектирования корпусов яхт: AutoSHIP, Maxsurf, MultiSurf, Prolines 98, ProSurf, ShipShape, FastShip и некоторые другие. Специально для проектирования остроскулых фанерных и металлических корпусов предназначены системы Plyboat, BtDzn, Carene 40/50, Carlson Design и т.д. Существуют отдельные программы для проектирования формы яхтенных килей: LOFT97, FOIL97, WINGS. Успешно используются также CAD-системы общего назначения: AutoCAD (и специализированные приложения Baseline II, Atalanta), Pro/Engineer, Solid Edge, 3D Eye и др.
К приведенному списку «яхтенного софта» можно добавить также комплекс YachtCAD, [7] разработанный под руководством автора статьи и имеющий аналогичные возможности.Полученные с применением YachtCAD трехмерная модель и теоретический чертеж яхты «Зарница 1250» показаны на рис.2.

Рис.2 Трехмерная модель корпуса яхты и теоретический чертеж, построенные в CAD-системе

Гидро- и аэродинамика элементов яхты

Знание гидро- и аэродинамических характеристик отдельных элементов быстроходной яхты необходимо для моделирования ее движения и оптимизации проекта по критерию ходовых качеств; при проектировании гидроаэродинамика заслуженно рассматривается как приоритетное направление.
Особенность движения парусных яхт заключается в том, что они ходят с углами крена и дрейфа, вследствие чего полное сопротивление яхты принято представлять как [1, 3]:

где Ru — «прямое» (upright) сопротивление при движении без крена и дрейфа, характерное для традиционных типов судов; Ri и Rh — индуктивное и креновое сопротивление; Raw — дополнительное сопротивление на волнении.
Основная «интрига» гидродинамики яхты — в уменьшении сопротивления корпуса и выступающих частей (киля и руля), при одновременном обеспечении остойчивости и противодействия дрейфу. Поэтому помимо сопротивления, интерес представляет поперечная сила, создаваемая в основном на киле и руле, а также на корпусе. Используется как раздельное рассмотрение корпуса и выступающих частей, так и совместное — для учета их взаимодействия.

Гидродинамика корпуса
Основные методы, применяемые в исследовании гидродинамики корпуса:

Систематические серии
Самый доступный, но наименее точный метод определения гидродинамических характеристик корпуса — использование LPP (Lines Processing Program). Эта компьютерная программа предназначена для представления формы корпуса, расчетов гидростатики и оценки гидродинамики по результатам испытаний систематических серий. В настоящее время наибольшее распространение получила основанная в 1970-х систематическая серия из 39 моделей корпусов яхт Дэльфтского Университета (Нидерланды) [1]. На начальных этапах проектирования выполняется параметрический анализ формы корпуса и намечаются перспективные направления дальнейшего конструкторского поиска. 

Модельные испытания в опытовых бассейнах
Если в 1950-60-е годы испытываемые в бассейнах 1…2 -метровые модели яхт были подвержены сильному влиянию масштабного эффекта, то современные модели имеют длину 3…5 м и даже до 8 м и водоизмещение до нескольких тонн, что позволяет получить достоверные результаты. Для таких испытаний длина опытового бассейна должна составлять 100…400 м. Дороговизна модельных испытаний яхт обусловлена также необходимостью использовать специальное оборудование, позволяющее задавать движение модели с креном и дрейфом (отсюда и увеличенное число пробегов) и регистрировать сопротивление, поперечную силу и момент рыскания трехкомпонентным датчиком. Как правило, модельные испытания проводятся для ответственных проектов на завершающей стадии, и ограничиваются 1…2 моделями с изменяемыми обводами.

Численное моделирование динамики жидкости (CFD)
CFD (Computer Fluid Dynamics) это группа методов расчета гидро- и аэродинамических характеристик, основанных на компьютерном моделировании свойств жидкости. В настоящее время для исследования сопротивления корпуса нашли применение два основных типа CFD: для моделирования вязкостного сопротивления (решение уравнений Навье-

Стокса и теория пограничного слоя) и волнового сопротивления.
Преимущества CFD — в относительной дешевизне и доступности; они позволяют расчетным путем получить полную картину обтекания тела, удобны для сопоставления вариантов и задач оптимизации. Недостатки — сравнительно небольшой опыт применения и возможные погрешности, в результате чего требуется осуществлять «привязку» расчетов к экспериментальным данным для каждого нового типа судов и объектов. Поэтому зачастую выполнение расчетов поручаются самим создателям программ; из наиболее популярных в яхтостроении CFD можно назвать SPLASH, AeroLogic, ShipFlow и т.д. 

Гидродинамика выступающих частей
Киль и руль яхты представляют собой несущие поверхности — консольные гидрокрылья, для их исследования и расчетов широко привлекаются методы теории крыла. Учитывается взаимодействие выступающих частей с корпусом яхты: влияние корпуса на гидродинамические характеристики эквивалентно присутствию твердого экрана, что вызывает рост эффективного удлинения по сравнению с геометрическим. Близость или пересечение свободной поверхности, в свою очередь, снижает эффективность крыльев. Все это заставляет применять для их исследования весь комплекс средств: CFD-методы, испытания как в аэродинамических трубах, так и в бассейнах.
Форма и взаимное расположение выступающих частей отличается многообразием. Киль и руль современной гоночной яхты — это узкие профилированные плавники с высоким удлинением; киль может снабжаться на задней кромке триммером (закрылком), а на нижней кромке бульбом и крыльями в разных конфигурациях. Поэтому при проектировании и доводке уже построенной гоночной яхты рассматриваются и испытываются целые серии килей.

 

Рис.3 Пример применения CFD для расчета гидродинамики яхтенного киля.

 Аэродинамика парусного вооружения

Аэродинамика парусной яхты с точки зрения практических расчетов менее разработана. При испытаниях в аэродинамических трубах возникают проблемы с моделированием сложных условий работы реального парусного вооружения: градиента ветра по высоте, изменению профиля и взаимного положения парусов, деформируемости ткани, влияния качки и т.д. Практическое применение расчетных CFD-методов ограничивается острыми курсами. На сегодняшний день основной источник информации об аэродинамических характеристиках парусного вооружения — метод Дэвидсона, заключающийся в «выделении» аэродинамических сил из результатов натурных пробегов при известной гидродинамике яхты.

Ходовые качества яхты.

Предсказание скорости яхты (VPP)
Гидро- и аэродинамические характеристики отдельных элементов используются в компьютерных программах предсказания скорости яхты VPP (Velocity Prediction Program). Общий принцип работы многочисленных версий VPP заключается в решении системы алгебраических уравнений, описывающих установившееся движение яхты под действием равновесия гидродинамических и аэродинамических сил при заданных курсе относительно истинного ветра y и его скорости [3, 6]:

Неизвестными в этих уравнениях являются скорость яхты v, углы дрейфа и крена; по результатам расчета строятся полярные диаграммы скоростей яхты, дающие полное представление о ее ходовых качествах в диапазоне курсов и скоростей ветра (см. рис).

Рис.4 Полярные диаграммы скоростей яхты класса IRM 12.5 м

В настоящее время VPP является не только незаменимым инструментом при проектировании и оптимизации проектов, но также применяются для обмера яхт по системе IMS и решения задач судовождения.

Компьютерное моделирование гонки (RMP)
Для оценки времени прохождения дистанции используется RMP (Race Modelling Program), в которую вводится формируемая на основе вероятностного подхода дистанция: каждому курсу относительно ветра и каждой скорости ветра назначается вероятность, исходя из данных многолетних наблюдений и известного распределения курсов.

Аналогично учитываются параметры волнения; наличие течений приводит к фактическому удлинению одних и укорочению других этапов.
Умножив скорости с поляры v на соответствующие вероятности p курсов y и скоростей ветра во всем их диапазоне, можно после их суммирования получить среднюю скорость и определить время t прохождения предполагаемой дистанции S:

Например, короткая гонка по треугольной Олимпийской дистанции состоит из 55% лавировки, 26% бакштага и 19% фордевинда; скорость ветра назначается как наиболее вероятная. В маршрутных гонках доля полных курсов выше — до 80% и более. Таким образом, используя VPP и RMP и определяя время прохождения дистанции t, обоснованно выбираются характеристики проектируемой яхты.

«Масштабное плавание» 
Так можно перевести английское «scale sailing», означающее полунатурные испытания самоходных моделей яхт. Настоящий «бум» этого метода пришелся на кампанию Кубка Америки 1992 года, когда его использовали практически все участвующие синдикаты. Построить и испытать такую 4…7-метровую самоходную управляемую яхту-модель несомненно дешевле и быстрее, чем настоящую яхту.

Натурные испытания яхт
Анализ испытаний яхт — наиболее полный источник информации о ходовых качествах и работоспособности конструкций, необходимый как для совершенствования уже построенной яхты, так и для создания новых проектов и разработки VPP. Метод натурных испытаний часто используется для окончательного выбора формы и расположения выступающих частей, с учетом их работы в условиях качки судна: киль набирается из блоков, собираемых наподобие детского конструктора, и испытывается в разных комбинациях.
При натурных пробегах используются приборы, объединенные в интегрированную систему через бортовой компьютер: от вертушечного лага и анемометра до GPS и полицейского радара. Для контроля профиля парусов применяются нанесенные на них специальные полосы, форма которых фиксируется видеокамерами.

Конструкция и прочность корпуса и парусного вооружения

Задача конструкторов несколько облегчается тем, что для морских гоночных яхт категорий 0, 1 и 2 спецправила ORC требуют соответствия конструкции правилам ABS (American Bureau of Shipping) или RCD (Recreational Craft Directive). Так, автором статьи разработана программа, использующая чтение графической базы данных трехмерного чертежа для расчета конструкции (по ABS), весовых и инерционных характеристик корпуса.
Недавние случаи разрушения яхты «Young America», катамарана «Team Philips» и т.д. заставляют уделять особое внимание прочности и надежности сверхлегких скоростных экстремальных судов, построенных из современных композиционных материалов и испытывающих нагрузки, близкие к критическим. Например, для океанских яхт класса OPEN60 в подверженных слемингу районах корпуса установленные из практики расчетные напоры для обшивки, стрингеров и рамных шпангоутов составляют 30, 15 и 6 м соответственно. В борьбе за снижение веса конструкции, прочностные расчеты корпуса и вооружения гоночных яхт выполняются с использованием метода конечных элементов FEM (Finite Elements Method). Исследования свойств армированных пластиков и FEM-расчеты выполняются с привлечением компаний соответствующего профиля.

Рис.6 Трехмерный вид яхты класса IRM 12.5 м «Зарница 1250»

Вопросы дизайна

Высокая конкуренция на рынке плавсредств для спорта и отдыха предъявляет особые требования к дизайну и художественному проектированию этой специфической судостроительной продукции, ориентированной на массового потребителя. Покупатель яхты или катера зачастую недостаточно подготовлен в «технических вопросах», и на передний план выходит критерий внешней привлекательности судна.
На стадии дизайнерских проработок и представления проекта потенциальному заказчику незаменимо фотореалистичное изображение — компьютерная визуализация, полученная с использованием тонирования трехмерной модели. В качестве примера на рис.6 показана «трехмерка» яхты класса IRM 12.5 м (проект автора статьи).

Говоря о дальнейших перспективах яхтостроения, следует отметить развитие средств активного противодействия крену; резервы скрыты и в совершенствование парусного вооружения [5]. Требует внимания надежность конструкций: многие гонки проигрываются из-за поломок. Существуют «белые пятна» и в динамике яхты: анализ показывает, что, например, в матчевой гонке яхта проходит в нестационарном режиме (торможение, поворот, разгон) значительную часть дистанции. Автором статьи разработана и совершенствуется компьютерная программа SCD (Sail Craft Dynamics), позволяющая моделировать маневрирование яхты, проводятся экспериментальные работы по исследованию нестационарных гидродинамических характеристик.
И все же, как и сто лет назад, проектирование яхт нуждается в творческом подходе и во многом остается искусством, а высокотехнологичные проекты вовсе не гарантируют победу. Конструктор яхты руководствуется не только расчетом, а помимо всего опытом и интуицией, его мастерство — в правильном применении и интерпретации достижений технологии. В реальности задача ученых, как правило, сводится к количественному усовершенствованию параметров яхт, отработке, обкатке деталей — и это обеспечивает требуемый результат… до появления качественно новых идей.

Литература

  1. Gerritsma J., Keuning J.A., Versluis A. Sailing Yacht Performance in Calm Water and in Waves. // Eleventh Chesapeake Sailing Yacht Symposium. 1993. pp.233-246.
  2. Hollister S.M. The Design Spiral for Computer Aided Boat Design. 1994.
  3. Larsson L., Eliasson R. Principles of Yacht Design. Adlard Coles Nautical. London, 1994.
  4. Mills M. The State of Yacht Design. // Yachts & Yachting, June, 1997.
  5. Marchaj C.A. Sail Performance. Adlard Coles Nautical. London, 1994.
  6. Король И.Э., Назаров А.Г. Практические расчеты ходовых качеств парусных яхт. // Вестник СевГТУ, Вып.6. Севастополь, 1997. С.32-36.
  7. Назаров А.Г. Вопросы адаптации и применения CAD-систем для автоматизированного проектирования малотоннажных судов // Моделирование и исследование сложных систем. Труды международной научно-технической конференции. Том 1. Москва: МГАПИ, 2000. С.99-101.
05.09.2003

16.05.2011 Posted by | CAD-проектирование, проектирование, теория | , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , | Оставьте комментарий

   

profiinvestor.com

Инвестиции и заработок в интернет

SunKissed

мое вдохновение

The WordPress.com Blog

The latest news on WordPress.com and the WordPress community.

Домашняя яхт-верфь.

Сайт создан для тех, кто мечтает построить яхту своими руками - яхту своей мечты...

Twenty Fourteen

A beautiful magazine theme