Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка, верификация и внедрение в проектирование скоростных амфибийных судов с аэродинамической разгрузкой (АСВП с АР) суперкомпьютерных технологий вычислительного эксперимента в обеспечение задач аэрогидродинамики, мореходности и динамики движения, прочности, ресурса

Докладчик: Шабаров Василий Владимирович

Должность: ведущий научный сотрудник НИИМ Нижегородского университета, доцент, кандидат технических наук

Цель проекта:
1. Повышение качества проектных решений в части характеристик ходкости, мореходности, устойчивости и управляемости, прочности, ресурса. Снижение временных и финансовых затрат проектных разработок. 2. Конечный продукт  методический комплекс, который позволит расширить проектное поле исследований, поднять качество проектных решений, снизить финансовые и временные затраты на проектирование амфибийных скоростных судов. Использование методического комплекса в проектировании даст возможность обоснованно формировать аэрогидродинамические компоновки АСВП с АР и экранопланов из условий достижения максимального аэрогидродинамического качества на основных режимах движения и приемлемых характеристик устойчивости и управляемости на этих режимах; определять внешние нагрузки, действующие на АСВП с АР и экраноплан на различных режимах движения, в том числе в особых случаях; формировать конструктивно-силовую схему с учетом специфики АСВП с АР и экранопланов; формировать схему гибкого ограждения, узлы, материалы гибкого ограждения с учетом специфики АСВП с АР и природно-климатических условий Арктики и Сибири.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Создание методологии, основанной на суперкомпьютерных технологиях вычислительного эксперимента, ориентированной на решение принципиальных проектных задач АСВП с АР и экранопланов по моделированию аэрогидродинамики компоновок и элементов компоновок АСВП с АР и экранопланов; моделированию динамики движения и мореходности АСВП с АР и экраноплановна основных и ререходных режимах движения, в том числе в особых случаях движения; моделированию прочностных, частотных, ресурсных характеристик.
Экспериментально-расчетные исследования механических и физических свойств, применяемых композиционных материалов во всем эксплуатационном диапазоне нагрузок и особых случаях нагружения.
Валидация разработанных проектных методик результатами модельных испытаний, в том числе натурными испытаниями самоходных моделей.
Внедрение программного и методического обеспечения, разработанного на базе суперкомпьютеров и грид-технологий вычислительного эксперимента для решения задач аэрогидродинамики, мореходности и динамики движения, прочности, ресурса в проектные организации, специализирующиеся на создании амфибийных скоростных судов.
2. Разработанный методический комплекс позволит поднять качество проектных решений в скоростном амфибийном судостроении при снижении затрат на стоимость создания аэрогидродинамической компоновки и конструктивно-силовой схемы амфибийного скоростного судна не менее чем на 50% в сравнении с традиционными современными проектными технологиями.
3. В разрабатываемых полных постановках задачи аэрогидродинамики, аэрогидроупругости, динамики движения, мореходности и проходимости скоростных амфибийных судов ранее не решались.
4. Решение задач в планируемых постановках не отражено в доступных открытых печатных и электронных изданиях
5. Технологии численного моделирования будут, в основном, базироваться на типовых программных комплексах ANSYS Multiphysics, ANSYS CFX, ANSYS DYNA. Построение сеточных моделей будет осуществляться с использованием также типового программного комплекса ANSYS Meshing. Применение типовых «тяжелых» программных комплексов позволяет проектным организациям сразу по завершении ПНИ самостоятельно и оперативно отрабатывать аэрогидродинамические компоновки, конструктивно- силовые схемы, схемы гибких ограждений и трансмиссии скоростных амфибийных судов. Для помощи в освоении проектных технологий будет создан центр компетенций.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты будут использованы при создании скоростных амфибийных судов на воздушной подушке с гибким ограждением баллонетного типа, амфибийных судов на воздушной подушке с аэродинамической разгрузкой, экранопланов. Разработанный методический комплекс будет внедрен в проектирование. Системное применение разработанного методического комплекса позволит найти новые технические решения, и, с их использованием, приступить к разработкам конкретных перспективных амфибийных скоростных судов нового поколения, что, в краткосрочной перспективе позволит сформировать экономичный и надежный круглогодичный вид водного транспорта для труднодоступных регионов Севера и Сибири, а также на арктическом континентальном шельфе.

Текущие результаты проекта:
Патентные исследования проведены не только для транспортных средств на воздушной подушке, в которых подушка создается за счет скоростного напора во время движения транспортного средства, но и для транспортных средств, у которых подушка ограждена, хотя бы частично, стенками. В такой постановке патентные исследования оказались достаточно масштабными, тем не менее, они полностью выполнены и привели к следующим основным результатам:
- основные конструктивные элементы амфибийных судов на воздушной подушке (АСВП) с гибким ограждением классического типа сформированы, описаны и проверены практикой. Методы проектирования гибких ограждений классического типа известны, получили подробное отражение в научно-технической литературе и используются в строительстве АСВП различного назначения;
- работы по АСВП с гибким ограждением баллонетного типа носят начальный характер, число заявок по этому направлению составляет не более 5% от общего числа заявок по АСВП; основные конструктивные элементы АСВП с гибким ограждением баллонетного типа, находятся в стадии формирования. Методы их проектирования разрабатываются, частично отражены в научно-технической литературе и используются в строительстве АСВП различного назначения;
- эффективность патентуемых решений по амфибийным судам на воздушной подушке с аэродинамической разгрузкой (АСВП с АР) остается проблемным вопросом, а сами АСВП с АР пока остаются объектами творческого поиска.
Обзорная часть работы выполнена, включает классификацию и критический анализ существующих и перспективных амфибийных скоростных судов, методы и алгоритмы решения задач аэрогидродинамики, аэрогидроупругости, динамики движения, прочности этих судов. Из обзора следует, что к настоящему времени центр тяжести в технологиях поисковых работ по скоростным судам начинает смещаться от стандартных классических технологий физического моделирования к технологиям математического и имитационного моделирования.
Методика моделирования аэродинамики амфибийного судна на воздушной подушке с
аэродинамической разгрузкой (АСВП с АР) содержит физическую и математическую постановку задач, описание препроцессорной подготовки к решению, алгоритм решения, рекомендации по модели турбулентности и способу моделирования экрана.
В рамках первого этапа методика верифицирована по результатам физических экспериментов в двух аэродинамических трубах на двух различных моделях: модели малого пассажирского экраноплана (МПЭ) и модели АСВП с АР. Сходимость расчетных и экспериментальных результатов вполне достаточна для использования разработанной методики в проектных исследованиях аэродинамики АСВП с АР.
Для исследования эффектов аэрогидроупругости гибких ограждений скоростных амфибийных судов Получателем субсидии фактически разработаны две методики определения нагрузок и формы гибкого ограждения.
Первая методика ориентирована на быстрые динамические процессы, а, в практическом плане, скорее на прочность гибких ограждений. Методика дает весьма ценную для предварительных стадий проектирования возможность обоснованного формирования требований к механическим характеристикам материалов гибких ограждений скоростных амфибийных судов. Практическая ценность этой методики определяется хотя бы тем, что в существующей практике проектирования выбор материала гибких ограждений АСВП осуществляется либо по прототипу, либо волевым образом. Проектант впервые получает возможность на основании требований ТЗ по водоизмещению, скорости, амфибийности, высоте преодолеваемых препятствий определять напряженно-деформированное состояние гибкого ограждения с учетом механических характеристик конкретных композиционных материалов гибких ограждений, выставлять обоснованные значения коэффициентов запаса, выбирать или же заказывать в разработку материал с требуемыми по результатам моделирования и коэффициентам запаса механическими характеристиками. Методика основана на явных схемах решения связанных задач аэрогидроупругости.
Вторая методика ориентирована на задачи аэрогидроупругости для крейсерских режимов амфибийных скоростных судов. С практической точки зрения эта методика является инструментом для выбора схемы и конструкции гибкого ограждения исходя из минимизации аэрогидродинамического сопротивления АСВП на эксплуатационных режимах. Методика базируется на неявных схемах решения задач аэрогидроупругости гибких ограждений скоростных амфибийных судов.
Обе методики решают задачи аэрогидроупругости гибких ограждений в связанной постановке с учетом пространственного характера деформирования гибких ограждений, композиционной структуры их материалов, пространственного обтекания и фрагментарного глиссирования гибких ограждений, учета зон повышенного от воздушной подушки давления. В таких постановках задачи аэрогидроупругости гибких ограждений ранее не решались.
В плане методики моделирования прочностных и частотных характеристик АСВП с АР, а также их элементов разработаны две ее компоненты.
Первая компонента касается моделей и алгоритмов моделирования процессов упруговязкопластического деформирования конструкций в геометрически нелинейной постановке. Возникновение и развитие обратимых и необратимых деформаций трактуется как накопление меры поврежденности материала, которая, в свою очередь выражается уменьшением доли площади контакта между микрочастицами сплошной среды. Этот эффект исследуется наряду с эффектами пластичности и ползучести. Сформулированы новые характеристики материала, которые могут быть получены экспериментально для материалов гибкого ограждения, трансмиссии АСВП.
Вторая компонента содержит структуру и алгоритмы реализации составной иерархической модели поврежденного материала. Она, по сути, является продолжением предыдущей компоненты в плане ее численной реализации. Используется подход пошагового внешнего нагружения. На каждом шаге с помощью канонических уравнений разработанной составной модели поврежденного материала определяются приращения напряжений и деформаций. Траектория нагружения представляется в виде кусочно-ломаной линии в пространстве параметров нагружения с линейной интерполяцией значений полей в пределах отдельных шагов.
Моделирование аэродинамики АСВП с АР на полетных режимах проведено с использованием разработанной в рамках темы методики моделирования аэродинамики АСВП с АР. Индустриальным партнером предоставлены Получателю субсидии проектные проработки перспективного АСВП с АР, выполненные на предпроектной стадии  начальный вариант аэрогидродинамической компоновки АСВП с АР. Рассмотрены актуальные для Индустриального партнера задача повышения аэродинамического качества на полетных режимах перспективного АСВП с АР при сохранении основных размерений компоновки и задача исследования влияния обдувки струй маршевых двигателей на аэродинамические характеристики компоновки.
Проведено математическое моделирование семи измененных вариантов компоновки: два варианта с изменением геометрической крутки и V-образности центроплана, пять вариантов с различными консолями при сохранении размаха крыла. Полученные аэродинамические характеристики вариантов перспективного АСВП с АР показывают, что модификация консолей и установка на них винглетов, поднимает аэродинамическое качество всей компоновки АСВП с АР на крейсерских вторых режимах движения с 20 до 29 единиц. Это высокий результат в экранной аэродинамике, показывающий, пока только модельно, практические возможности разработанной методологии.
Сформированы требования к контрольно-измерительной аппаратуре для проведения испытаний, комплекс аппаратуры отлажен и апробирован. Разработаны программы и методики испытаний АСВП с АР, самоходных моделей АСВП с гибким ограждением баллонетного и классического типов. Индустриальными партнерами изготовлены четыре самоходных модели: две модели с гибким ограждением баллонетного типа и две  с гибким ограждением классического типа.
В целях валидации разрабатываемых методик: проведены натурные ходовые испытания АСВП с АР для определения скоростных характеристик, характеристик маневренности при различных водоизмещениях и центровках на режиме хода на воздушной подушке; проведен цикл натурных ходовых испытаний самоходных моделей АСВП с гибким ограждением баллонетного и классического типа на водной и ледовой опорных поверхностях.