|
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.
 Рис.3
Пример применения CFD для расчета гидродинамики яхтенного киля
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.
 
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.
Продолжение статьи.
|
