بخشی از مقاله
چکیده
قابلیت فرمان و مانورپذیری جزء ویژگیهای اساسی شناورها محسوب میگردد و در مراحل ابتدایی طراحی تخمین مناسبی از مانورپذیری شناور ضروری میباشد. زیرا محدودیت آبراههها و ترافیک تردد در بنادر مسئله مانور کشتی را پر اهمیت کرده است. دقت مدلهای توسعه داده شده برای مانور کشتی تا حد زیادی وابسته به کیفیت اطلاعات ورودی آن است. وجود یک مدل کاربردی جهت بررسی تاثیر پارامترهای کشتی بر مانور که از سطح دقت کافی برخوردار باشد در دفاتر طراحی کشتی ضروری است.
در این مقاله مدل ریاضی مبتنی بر روش MMG مختص شناورهای تجاری با پروانه و سکان از مانور کشتی توسعه داده شده و تاثیرات نیروهای هیدرودینامیکی بدنه، پروانه و سکان در آن در نظر گرفته شده است. کد تهیه شده قابلیت مدلسازی انواع مانورهای معمول شناور را دارد. کد تهیه شده با نتایج آزمایشگاهی موجود مورد صحتسنجی قرار گرفته است و کارایی مدل تهیه شده تایید گردیدهاست.
مقدمه
مانور شناورها موضوعی جدید در معماری کشتی محسوب می گردد. اولین فعالیتها در زمینه مدلسازی مانور شناورها توسط داویدسون در سال 1946 انجام گرفت و معادلات کامل مانور استخراج گردید و وابستگی پیچیده توانایی دور زدن و حفظ مسیر در مانور به پارامترهای شناور نشان داده شد.[1] روابط داویدسون پایه و اساس تئوریهای امروزی مانور میباشند. در دهه 50 و 60 با رونق مجدد کشتیرانی و افزایش سایز شناورها و ورود کانتینربرها به بازار حمل و نقل قابلیتهای مانوردهی بیشتر مورد توجه قرار گرفت.
در این دوره دو تئوری اساسی ارائه شد که هماکنون نیز بسیار پر کاربرد می باشند . تئوری آبکویتز و . MMG1 پروفسور آبکویتز از موسسه دریایی دانمارک یکی از پیشگامان در زمینه مانور شناورها میباشد. تئوری وی مشتمل بر برآورد نیروهای وارد بر کشتی به عنوان تابعی از مشخصات حرکتی شناور و انتگرال گیری از معادلات حرکت جهت بدست آوردن مسیر حرکت شناور در طی مانورهای معمول است . [2]
در سال های اخیر شبیهسازیهای ریاضی و تکنیک های تجربی در بررسی مانور شناورها پیشرفتهای چشمگیری داشته است. روشهای نوین در حل معادلات حرکت از دهه 1970 با معرفی پردازشگرهای پرسرعت مورد توجه قرار گرفته است. به طوریکه از دهه 1970 شبیهسازیهای کامپیوتری جایگزین آزمایش با شناورهای واقعی شده است. در دهه هشتاد توسعه حلگرهای معادلات حرکت بر مبنای دادههای جمع آوری شده از روشهای تجربی از زمینههای فعال تحقیق بوده است .[3]تستهای مدل مقید و تستهای مدل خودرانش بانک اطلاعاتی مناسبی در تحلیل مسائل غیرخطی مانور ایجاد می کند که از آنها میتوان در توسعه نرم افزار شبیه ساز مانور بهره جست.
در سال های اخیر در زمینه مدلسازی عددی و تجربی مانور شناورها پیشرفتهای قابل ملاحظهای مشاهده شده است. به طور مشخص در مقالات ادا و کرین 1965 روشهای حل معادلات مانور مورد بررسی قرار گرفته هرچند روش های به کار رفته در این مقالات تقرباًی با هم مشابه میباشد 4]و.[5 در دهه 1970 با ورود کامپیوترها به بازار برای اولین بار امکان شبیهسازی حوزه زمان فراهم شد. در دهه 1980 نیز طراحان کشتی به دلیل کاهش هزینهها شبیهسازیهای کامپیوتری را به تست شناورها ترجیح دادند و این مسئله نقش بزرگی در پیشرفت شبیهسازیهای عدد ی داشته است.
مقالات متعددی در این زمینه منتشر شده است که میتوان به نتایج دوئرفر [6] 1980، میلر [7] 1984 و بیانکاردی [8] 1988اشاره نمود. در تمامی این شبیهسازیها بانک اطلاعاتی در خصوص ضرایب هیدرودینامیکی مانور و آثار محیطی از تستهای مدل مقید، خودرانش و تستهای میدانی شناورهای واقعی بدست آمده است. در این دوره علاوه بر حل معادلات معمول مانور، برخی از محققین نیز تلاشهایی در خصوص ارتقای معادلات دینامیکی داشتهاند و می توان به کارهای هیرانو [9] 1981، اینوئه [10] 1981، پورزنجانی [11] 1990 و نیشیموتو 1995 اشاره کرد .[12]
با پیشرفت و توسعه رایانههای پر سرعت، شبیهسازی به عنوان راه حلی ساده به سرعت جایگزین تستهای مدل شد. با توسعه رایانهها ، تحولی عظیم نیز در کاربرد تئوریهای کنترل برای حرکات مانوردهی شناورها مشاهده شد. تحقیقات وبستار [13] 1992، بار [145] 1993 و فوسن [15] 2000 در این زمینه قابل ذکر است. تا به حال مدلهای ریاضی مختلفی جهت شبیهسازی مانور کشتی پیشنهاد شده است که با توسعهی کدهای محاسباتی بر مبنای آنها مانورهای مختلف قابل شبیهسازی میباشد و هر کدام از این مدلهای ریاضی برای شبیهسازی بخصوصی معتبر میباشند. یوشیمورا 2005، مدلهای ریاضی شبیهسازی مانور و به خصوص مدل MMG که در سالیان اخیر بسیار مورد توجه بوده است را مورد بررسی قرار داده است .[16]
روش استاندارد MMG ، روشی مناسب جهت احتساب نیروهای هیدرودینامیکی در معادلات حرکت است. در این روش فرض میشود که نیروهای وارد بر شناور شبه دائمی هستند. علاوه بر این سرعت عرضی در مقایسه با مولفه طولی سرعت کوچک است. سرعت کشتی نیز کم فرض شده تا بتوان از تاثیرات موجسازی صرفنظر کرد. در مرحله بعد با فرض ارتفاع متاسنتریک بزرگ از حرکت رول القایی حین مانور نیز صرفنظر خواهد شد. سرعتی که ضرایب هیدرودینامیکی بر اساس آن بدون بعد میشوند، برآیند سرعت جانبی و طولی شناور در نظر گرفته میشود. در محاسبات ضرایب کاهش تراست نیز جهت سادگی معمولا ثابت در نظر گرفته میشود.
علاوه بر این، با توجه به تغییر فاکتور ویک حین مانور، روابطی برای اصلاحات آن بر اساس زاویه جریان ورودی به پروانه پیشنهاد میشود. این روابط تابعی از زاویه دریفت شناور و نرخ چرخش سر کشتی است. همچنین بر اساس نتایج تجربی تغییرات نیروی سکان و اندرکنش آن با بدنه حین مانور نیز با روابط ریاضی شبیهسازی میگردد. نرخ تغییرات سکان نیز در مدل مانور شناور در نظر گرفته میشود .[17]
یکی از محاسن روش شبیهسازی MMG امکان تعمیم آن به شرایط مختلف پروانه و سکان است. همچنین یک مدل ریاضی برای کشتیهای مجهز به دو سکان و یک پروانه توسعه داده شده که مبتنی بر تست مدل مقید و تست مدل خودرانش است و نشان داده شده است که با تغییر طراحی سکان میتوان سطح مانورپذیری شناور را تا حد زیادی افزایش داد .[18] ضرایب اندرکنش پروانه، سکان و بدنه نیز با استفاده از نتایج تست مدل خودرانش قابل ارزیابی است. از دیگر مزایای مدل ریاضی MMG این است که با تغییر کوچک روی ضرایب به سادگی میتوان در مورد شناورهای مختلف از آن استفاده کرد .[19]
برای تعیین ضرایب هیدرودینامیکی از تستهای حرکت صفحهای میتوان بهره جست. به عنوان مثال در یک طرح تحقیقاتی در کره مانور شناور کانتینربر بزرگ با دو پروانه و دو سکان به این روش بررسی شده است. مدل ریاضی چهار درجه آزادی با احتساب حرکت رولینگ استفاده شده و سیستم HPMM مجهز به سنسورهای اندازهگیری ممان رولینگ نیز بوده است و در نهایت معادلات حرکت از حالت معمول یک پروانه و یک سکان به حالتی که دو پروانه و دو سکان وجود دارد تعمیم داده شده است. به جز چهار معادلهی درجات آزادی شناور یک معادلهی دینامیکی نیز جهت تعیین دور آن در شرایط بارگذاری مختلف در نظر گرفته شده است.
جهت شبیهسازی مانورهای استاندارد فرض میشود که دور پروانه ثابت باقی میماند .[20] در این تحقیق سعی شده است تا معادلات حاکم بر مانور شناور به روش MMG در قالب یک نرمافزار کدنویسی گردد و سپس دقت حل معادلات و نتایج حاصل با نتایج آزمایشگاهی موجود مورد ارزیابی و صحت سنجی قرار گرفته است. در نهایت نرمافزار تهیه شده میتواند در بررسی پارامترهای تاثیرگذار شناور بر مانور مورد استفاده قرار گیرد.
دستگاه مختصات و معادلات حرکت
اساس تحلیل دینامیکی مانور و حفظ مسیر کشتی ها، معادلات حرکت نیوتن است. این معادلات، ابتدا در مختصات متصل به زمین و سپس در مختصات متصل به کشتی قابل تعریف هستند. شکل 1 دو مختصات فوق را برای یک کشتی در حال مانور نمایش می دهد. مسیر مرکز ثقل کشتی معمولاً به عنوان مسیر حرکت در نظر گرفته میشود و جهت آن، زاویه محور طولی کشتی با یکی از محورها ثابت در نظر گرفته میشود - زاویه گردش - . اختلاف بین زاویه سر کشتی و مسیر حرکت اصلی - یا جهت بردار سرعت در مرکز ثقل - زاویه دریفت، نامیده میشود. بنابراین وقتی که کشتی در مسیر منحنی حرکت میکند، زاویه دریفت، اختلاف بین جهت و مماس بر مسیر حرکت مرکز ثقل خواهد بود.
شکل 1 یک دستگاه مختصات 0 0 راستگرد را که نسبت به سطح زمین ثابت شده است نمایش می دهد. برای کشتی در آب ساکن می توان گفت که مسیر حرکت در صفحه افقی 0 0 واقع خواهد شد. جهت مثبت 0 در جهت حرکت کلی کشتی در نظر گرفته میشود. جهت مثبت 0 به سمت پایین - به داخل صفحه کاغذ - در نظر گرفته میشود و جهت مثبت 0 به سمت راست شناور2 فرض می گردد. حرکت کشتی بعد از لحظه ای مانند = 0 بطور کامل با مختصات و و زاویه گردش قابل تعریف است. از آنجا که 0 به سمت پایین مثبت است، زاویه نشان داده شده در شکل 1 منفی خواهد بود.
