Оптимизация пропульсивных систем с крыльевыми элементами

• Автор: Картузов, Евгений Ильич
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 313 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМА ОПТИМИЗАЦИИ ДВИЖЕНИЯ КОЛЕБЛЮЩИХСЯ В ЖИДКОСТИ ОБЪЕКТОВ И ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1. Анализ существующих методов вычисления пропульсивной силы
1.2. Современное состояние вопроса оптимизации
закона движения
1.3. Математическое моделирование и оптимизация эксплуатационных характеристик плавникового движителя
ГЛАВА 2. ОПТИМИЗАЦИЯ ВНЕШНЕЙ НАГРУЗКИ, ВОЗБУЖДАЮЩЕЙ ПОПЕРЕЧНЫЕ КОЛЕБАНИЯ УПРУГОГО ПЛАВНИКА
2.1. Описание физической модели и постановка
задачи
2.2. Приведение задачи оптимального управления
к стандартному виду
2.3. Необходимые условия экстремума функционала
2.4. Сведение краевой задачи принципа максимума к системе интегро-дифференциальных уравнений
2.5. Определение оптимальной фазовой траектории и поперечной возбуждающей нагрузки
2.6. Коэффициент полезного действия упругого плавникового движителя
2.7. Анализ численных результатов расчета оптимального режима движения
ГЛАВА 3. КОМПЛЕКСНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ АБСОЛЮТНО ЖЕСТКОГО УПРУГО ЗАКРЕПЛЕННОГО КРЫЛА
3.1. Формулировка задачи комплексной оптимизации

3.2 Сведение задачи оптимального конструирования к
нелинейной системе алгебраических уравнений
3.3. Оптимизация жесткости упругих связей
3.4. Оптимизация внешнего силового воздействия
ГЛАВА 4. СОВМЕСТНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ЗАКОНА
РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МАСС И ПОПЕРЕЧНОЙ НАГРУЗКИ
4.1. Постановка задачи и условия оптимальности
4.2. Определение оптимального закона движения и тяги
4.3. Обсуждение результатов численного эксперимента
ГЛАВА 5. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОПТИМИЗАЦИИ
ПРОПУЛЬСИВНЫХ СИСТЕМ ПЛАВНИКОВОГО ТИПА
5.1. Оценка эффективности оптимизации по основному критерию (КПД)
5.2. Особые режимы оптимального движения
5.3. Влияние учета упругих свойств плавника на эксплуатационные характеристики в оптимальном режиме движения
5.4. Последовательная оптимизация пропульсивных систем плавникового типа
5.5. Сопоставление значений коэффициента упора и КПД с полученными ранее теоретическими
и экспериментальными данными
5.6. Сравнение результатов для абсолютно жесткого крыла, полученных различными математическими методами
5.7. Использование предельных переходов для оценки достоверности результатов
6. Заключение
7. Приложение
8. Приложение
9. Литература

ВВЕДЕНИЕ
Решение многих вопросов в судостроении связано с расчетом движения тел в окружающей среде, как например, качка корабля, сопротивление его движению, управляемость, слеминг, швартовка, вопросы погружения и всплытия глубоководных аппаратов и так далее. Как правило, основные трудности, возникающие в процессе расчета, связаны с определением реакции окружающей среды, которая вызвана перемещением самого объекта и зависит от характера его движения.
Эволюционный путь развития методов решения этой проблемы отмечен четко выраженными этапами. Для наиболее ранней стадии характерно разделение задачи о движении тела в среде на две независимые задачи. Первая ставит вопрос о внешних силах, действующих на тело со стороны окружающей среды и решается методами гидродинамики и аэродинамики, а вторая относится к вопросу определения закона движения тела под действием сил, включающих и силы, приложенные со стороны окружающей среды.
Искусственное разделение этих задач на два независимых этапа расчета разрывало естественную взаимосвязь между силовыми факторами и характером движения объекта. Хотя такой подход и упрощал решение, а порой и был единственным, тем не менее в ряде случаев он приводил к существенным погрешностям, а иногда и вообще был неприемлемым для описания явления. Так например, при расчете изгибно-крутильного флаттера крыла самолета или судна на подводных крыльях отмеченная выше связь играет первостепенную роль и ее игнорирование принципиально не позволяет сформулировать задачу о критической скорости движения крыла. Список этого типа задач можно продолжить, дополнив его задачами о дивергенции крыла, панельном флаттере, баффтинге, слеминге судна и так далее.
Последующее уточнение физических моделей и совершенствование математических методов привело к постановке так называемых гидроупругих и аэроупругих задач более точно отражающих механизм движения тел в окружающей среде. При формулировке этих задач безусловно учитывалась связь между характером движения тела и реакцией среды, что позволило получить теоретические

Длительный опыт, накопленный человеком при движении в жидкой среде, подсказывает, что только приобретение определенных навыков, связанных с координацией движения, позволяет пловцам достичь определенных успехов. Эти навыки есть ни что иное, как установление определенной связи между мышечными усилиями человека и деятельностью его нервной системы. По существу хороший пловец вырабатывает в процессе тренировок комплекс условных рефлексов, позволяющих ему двигаться, не затрачивая больших энергетических ресурсов. Это и ряд других обстоятельств наводят на мысль, что в основе эффективности движительного аппарата гидробионта лежит взаимодействие его мышечной массы и нервной системы, которая решает конкретные задачи, связанные с обеспечением жизнедеятельности всего организма. Например, если хищный гидробионт стремиться настичь добычу, то не считаясь с энергетическими затратами, он пытается развить максимальную скорость движения. В период поиска добычи он движется в режиме патрулирования, позволяющем экономить энергетические ресурсы и т. п. Сформулированная выше идея и легла в основу принципов проектирования управляемых искусственных движителей плавникового типа. Приведенные ниже расчеты полностью подтвердили правильность выбранного пути по созданию энергетически эффективных движи-тельных комплексов.
Математическая теория оптимального управления представляет собой достаточно мощный аппарат исследования процесса движения тел. Используя ее основные положения, попытаемся с общих позиций подойти к описанию движения плавникового движителя и установить основные каналы связи, которые в дальнейшем можно будет использовать для управления. Первый вопрос, который возникает при формулировке задачи оптимального управления плавниковым движителем, связан с выбором параметров управления. В свою очередь, характер и число этих параметров зависит от типа физического тела, реализующего волнообразное движение плавника.
Прежде чем переходить к рассмотрению возможных математических моделей, используемых для оптимизации