АНАЛИЗ ГИДРОДИНАМИКИ БАЛЛОННОГО ШАССИ ЭКРАНОПЛАНА И ВОЗДУШНЫХ ПОДУШЕК С ПОМОЩЬЮ САПР «SOLIDWORKS»

​ANALYSIS OF HYDRODYNAMICS OF THE BALLOON LANDING GEAR OF THE EKRANOPLANE AND HOVERCRAFT USING CAD «SOLIDWORKS»

Vadim Korovin

student, Department of Shipbuilding and Aviation Engineering, Nizhny Novgorod State Technical University named after R.E. Alekseev,

Russia, Nizhny Novgorod

Nikita Rumyantsev

graduate student, Department of Shipbuilding and Aviation Engineering, Nizhny Novgorod State Technical University named after R.E. Alekseev,

Russia, Nizhny Novgorod

Nikita Gladyshev

graduate student, Department of Shipbuilding and Aviation Engineering, Nizhny Novgorod State Technical University named after R.E. Alekseev,

Russia, Nizhny Novgorod

Viktor Morozov

scientific supervisor, Candidate of Technical Sciences, Nizhny Novgorod State Technical University named after R.E. Alekseev,

Russia, Nizhny Novgorod

АННОТАЦИЯ

В статье производится анализ гидродинамики баллонов в САПР «SolidWorks». Кратко описана актуальность метода анализа, его преимущества и недостатки, приведены рисунки, таблицы, графики полученных результатов.

ABSTRACT

The article analyzes the hydrodynamics of cylinders in CAD "SolidWorks". The relevance of the analysis method, its advantages and disadvantages are briefly described, figures, tables, graphs of the results are presented.

Ключевые слова: САПР, SolidWorks, экраноплан, гидродинамика, баллонное шасси, судно на воздушной подушке, амфибийность, модельные испытание, буксировочные испытания.

Keywords: CAD, SolidWorks, ekranoplane, hydrodynamic, balloon landing gear, hovercraft, amphibiousness, model testing, towing tests.

Введение

В данной статье будет описана методика получения предварительных экспериментальных данных. Полученные результаты позже будут сопоставлены с буксировочными модельными испытаниями стенда, после чего можно будет сделать вывод о точности и достоверности полученных данных.

Большинство видов модельных испытаний являются дорогостоящими и недоступными для студентов, поэтому многие работы (которые связаны с проектирование транспортных средств) так и не могут получить хоть какого-то экспериментального подтверждения.

Эксперимент проводился в САПР «SolidWorks». Данный эксперимент является одним из многих, которые ещё будут проведены в рамках задачи оптимизации аэрогидродинамики речного экраноплана.

Разработчики методик расчёта ряда параметров экраноплана (сопротивлений в различных случаях эксплуатации, дальности полёта, потребной тяги, подъёмной силы, устойчивости на курсе, управляемости, тангажа и т.д.), что в момент зарождения тематики, что сейчас имеют значительную привязку к модельным испытаниям.

В работе [1] стоимость модельных испытаний на курс 2016 года доходила примерно до 100 млн. руб., а срок проведения всех видов испытаний на различных стадиях проектирования составлял около 2 лет. Альтернативой модельным испытаниям является работа в CFD (наиболее яркие представители данной области – SolidWorks, Ansys, Компас), но данное решение тоже имеет свою себестоимость. Работа четырёх человек полгода вместе с зарплатой (и налоговыми отчислениями) и купленными лицензиями на момент 2016 года обойдётся в 35 млн. рублей по расчётам автора работы [1].

В рамках предлагаемых грантов трудно найти компромисс требований и потребных задач проекта. С одной стороны, от команды требуется составить весьма подробный бизнес-план с заранее найденными инвесторами, но с другой несоразмерность выделяемых и потребных финансов.

Если выделить суть и отбросить множество фактов, то с одной стороны мы имеем крайне рискованную и малоизученную (и сильно засекреченную) для инвестирования отрасль, с другой – невозможность финансирования фондами в таких объёмах данной отрасли.

Так, например, стоимость постройки грузопассажирского аппарата грузоподъёмностью 10 тонн обходится примерно 0,3-0,5 млрд. рублей (без учёта других статей затрат). Стоимость строительства грузопассажирского аппарата грузоподъёмность 170 тонн обойдётся заказчику примерно около 1,7 млрд. рублей.

Если говорить про научно-исследовательские работы, то их стоимость, как уже описывалось выше, с целью прогресса отрасли, доходит до сотен миллионов рублей.

1. Исходные данные

В качестве исходных данных взят аванпроект выпускника НГТУ им. Р.Е. Алексеева, кафедры «КиАТ» Петрова И.Н. – грузопассажирский речной амфибийный экраноплан грузоподъёмностью 10 тонн или пассажировместимостью 102 человека. Общий вид представлен на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1. Общий вид грузопассажирского речного амфибийного экраноплана

В рамках студенческая гранта был разработан стенд шасси на воздушной подушке, который представлен на рисунке 1.2. Стенд показан в общих чертах, т.к. его размеры не играют роли в данной статье. Более подробно стенд будет описан в других статьях, где будет оцениваться сходимость полученных результатов.

В качестве справочной информации можно отметить, что длина стенда составляет примерно 1,2 метра.

а)

б)

Рисунок 1.2. Стенд шасси на воздушной подушке: а) – вид сбоку; б) – вид спереди

Данный стенд имитирует центральную часть шасси, т.е. подфюзеляжную. Получив кривые сопротивления, крена, дифферента подъёмной силы и др. можно по приближённым формулам получить значения для всего комплекса шасси (подфюзеляжных баллонов и концевых шайб, которые расположены на концах крыла).

Также отдельно от стенда будет прогоняться один баллон, т.е. отдельно от всего стенда. Результаты прогонов баллона будут сопоставлены с результатами из САПР «SolidWorks», после чего будут получены значения погрешностей и сделаны и выводы.

Стоит отметить, что наиболее точные результаты, что из работы [1], что ЦКБ по СПК им. Р.Е. Алексеева, обычно получали из САПР «Ansys».

Стоило бы отдать предпочтение САПР «Ansys», но САПР «SolidWorks» имеет важное преимущество, которое упрощает и ускоряет получение результатов – параметрическое исследование. Данная функция позволяет автоматизировать перебор интересующих нас параметров, т.е. мы задаем интересующие параметры среды (переменную скорость, размер какого-либо параметра твердотельной модели, угол движения и др.), после чего запускаем расчёт и ожидаем результат. Таким образом мы получим не одну расчётную точку, а несколько, например, несколько кривых сопротивления при конкретных условиях.

В САПР «Ansys» придётся вручную менять граничные условия и перестраивать как саму модель, так и её положение. Отдельно стоит отметить, что постройка модели в САПР «Ansys» является крайне непростой задачей, поэтому обычно строится в каком-либо другом САПР, а после конвертируется уже в сам САПР «Ansys» (например, стоится в том же самом САПР «SolidWorks»).

Можно долго и много писать о преимуществах и недостатках данных систем, но данная статья о другом, поэтому остановимся на том, что расчёты были проведены в САПР «SolidWorks» из-за удобства, т.е. наличия функции параметрического исследования.

2. САПР «SolidWorks»

2.1 Построение модели

В данном случае строилась модель баллона стенда шасси, который используется в подфюзеляжном шасси.

Если присмотреться к рисунку 1.2, то можно увидеть наплывы из резины (желтовато-прозрачные). Данные наплывы является реданами, которые играют роль подкрепления конструкции и способствуют снижению сопротивления при движении, увеличивают подъёмную силу.

Скорости, при которых будет прогоняться стенд, составляют 2; 4; 6; 8; 10 м/с или 7,2; 14,4; 21,6; 28,8; 36 км/ч. Если переводить на натуру, то данные значения увеличиваются в .

Различные виды и проекции баллона представлены на рисунке 2.1.

а)

б)

в)

г) д)

Рисунок 2.1. Общие виды баллона: а) – вид сбоку, сечение; б) – вид сбоку; в) – вид снизу; г) – вид спереди; д) – миделевое сечение баллона.

Всего ячеек в данном проекте примерно 500 тысяч. Границы расчётной области (баллон направлен вдоль оси X, в борт направлен ось Z, перпендикулярна данной плоскости ось Y) следующие: X ∈ [-5;1,5], Z ∈ [-2; 2], Y ∈ [-2; 0,5]. Малое число ячеек обусловлено ограниченностью вычислительными мощностями и малым временным промежутком. В качестве приближённой оценки данных результатов должно хватить.

Основная плоскость пересекает сечение мидель-шпангоута баллона (без учёта реданов) в точке с координатами [0;0;0]. От данной точки откладывается осадка, которая (предположительно и по приближённым расчётам) будет у стенда в режиме воздушной подушки – 15 мм.

Осадка в данном случае важна, т.к. в задаче используется свободная поверхность при расчёте. Свободная поверхность разделяет между собой какие-либо среды, в данном случае – воду и воздух. В случае прогона баллона можно было бы пренебречь воздушной средой, но в случае прогона всего стенда воздушная среда могла бы оказать более существенное влияние.

Стоит ещё раз отметить, что проектируемый экраноплан является амфибийным, т.е. может эксплуатироваться в различных средах и на различных площадках (вода, снег, лёд, грунт, аэродром и др.). Амфибийность обеспечивается за счёт реализации воздушной подушки под фюзеляжем. Спроектированный и построенный стенд отражает все основные параметры шасси на воздушной подушке натурного экраноплана.

Примерные размеры баллона – длина х ширина х высота: 1140 х 140 х 90 мм. Диаметр баллона составляет 140 мм.

Эксперимент проводился при следующих переменных параметрах: переменные скорости от 0 до 2 с шагом 0,5 и от 2 м/с до 10 м/с с шагом в 1 м/с, переменный угол дифферента от 0 до 3 градусов с шагом 1,5 градуса.

В данной математической модели изучалось всего три параметра модели – силы по осям X и Y, момент действующий вдоль оси X.

Движение модели сонаправлено с осью X.

В заключение данного раздела стоит вспомнить снова о САПР «Ansys». В данном САПР можно решить двумерные задачи, а в SolidWorks нет (если мы говорим про аэрогидродинамику).

При решении задач на аэрогидродинамику Ansys примерно требовал 1 Гб оперативной памяти на 1 млн. расчётных ячеек. Т.е. при имеющихся 16 Гб ОЗУ спокойно можно было бы обсчитывать модель с 10-15 млн. ячеек (что и делалось). В SolidWorks при тех же мощностях можно было обсчитывать модель только с 2,5-4 млн. ячеек.

Характеристики ноутбука: процессор - 11th Gen Intel(R) Core(TM) i5-11400H @ 2.70GHz, ОЗУ - 16 Гб, видеокарта – NVIDIA GeForce RTX 3050.

2.2 Результаты продувок

Таблица 2.1.

Сопротивления (Н) при различных скоростях (м/с) и углах дифферента

Таблица 2.2.

Подъёмная сила (Н) при различных скоростях (м/с) и углах дифферента

Не вызывающими доверия получились результаты момента, действующего вдоль оси X. В качестве примера будут приведены значения момента при 0 дифференте.

Таблица 2.3.

Момент, действующий вдоль оси X при различных скоростях и углах дифферента

Ниже приведены графики сил и моментов (рисунок 2.2).

а)

б)

в)

Рисунок 2.2. Зависимости сил и моментов от скорости и угла дифферента: а) зависимость сопротивлений от скорости и угла дифферента; б) зависимость подъёмной силы от скорости и угла дифферента; в) зависимость момента вдоль оси X от скорости и угла дифферента

Полученные данные говорят о том, что дифферент положительно влияет на гидродинамику баллона (в плане уменьшения сопротивления и подъёмной силы). При скоростях от 3 м/с сопротивления баллонов с 1,5 и 3 градусами дифферента становится меньше сопротивления с 0 дифферентом.

На основании полученных данных можно сделать вывод, что дифферент экраноплана при взлёте и посадке (обычно лежит в диапазон 0-6 градусов) положительно сказывается на гидродинамике аппарата:

1. Можно производить взлёт с поверхности воды (часто является самым энергетически затратным режимом в плане потребной тяги) при меньшей тяговооружённости;
2. При одинаковых скоростях дифферент обеспечивает большую подъёмную силу и меньшее сопротивление, что при фиксированной тяге обеспечивает большие скоростибольшую подъёмную силуменьшую осадкуменьший прирост сопротивлений и больший прирост подъёмной силы и т.д.

После буксировочный испытаний стенда в бассейне результаты прогонов будут сопоставлены с данными значениями, как уже говорилось выше.

С увеличение скорости баллон выходит на глиссирование, чем объясняется уменьшение сопротивления и увеличение подъёмной силы. Если бы баллона имел плоское днище, то как у крыла он имел бы обратную струю. С помощью толщины обратной струи (как у подводных крыльев и пластин) с помощью 2 тома ЦАГИ можно было бы теоретически рассчитать сопротивление и подъёмную силу.

Визуализация гидродинамики представлена на рисунках 2.3-2.4.

а)

б)

в)

Рисунок 2.3. Визуализация гидродинамики баллона №1: а) вид сверху; б) вид сбоку; в) вид спереди (на шкалу слева и подпись к ней можно не обращать внимание)

а)

б)

в)

Рисунок 2.4. Визуализация гидродинамики баллона №2: а) вид сзади; б) вид на носовую часть баллона и его борт; в) вид снизу (под водной поверхностью на днище баллона)

Заключение

С помощью данного метода можно предсказать поведение баллона (его осадку, сопротивление, подъёмную силу и др.).

С помощью данного метода можно получить за один расчёт массив данных (необходимый для прогнозирования поведения какой-либо модели) в САПР «SolidWorks» за счёт функции «параметрическое исследование».

Например, поиск реальной осадки баллона при увеличении скоростей. Возьмём упрощенный случай – зададимся углом дифферента, например, 3 градуса и пусть он будет постоянным. После задаём параметрическое исследование, где создаём таблицу скоростей, а в качестве искомых параметров выбираем нужные (в данном примере выберем подъёмную силу и сопротивления). Можно было бы задать зависимость изменения осадки баллона (например, от скорости), но можно и с помощью пошагового приближения.

Спроектированный стенд в полной нагрузке имеет массу около 43 кг, следовательно, на один баллон давит 21,5 кг или 210,9 Н. Вентилятор обеспечивает полную разгрузку стенда.

Предположим, что средняя осадка во время движения составляет 15 мм (из-за волнений и дифферента). За счёт того, что баллон имеет угол дифферента, то он будет иметь какую-то подъёмную силу. Т.е. при какой-то скорости и начальной осадке баллон будет иметь избыток подъёмной силы, т.е. не будет равенства между весом аппарата с одной стороны и воздушной подушкой + гидродинамической подъёмной силой + архимедовой силой с другой стороны. Осадка баллона будет уменьшаться, чтобы привести в равновесие между собой суммарные противоположные силы.

Вес аппарата (mg) в данном исследовании – постоянный, подъёмная сила от воздушной подушки (f₁) – примем за константу, архимедова сила при фиксированной осадке (f₂) – постоянная, гидродинамическая подъёмная сила (f₃) – изменяется при меняющейся скорости баллона.

Для равенства сил должно выполняться условие: mg= f₁ + f₂ + f₃, т.е. mg – f₁ – f₂ = f₃

Логично, что если правая и левая части равны, то осадка постоянна. Если левая часть больше правой, то осадка баллона увеличивается, если наоборот, то уменьшается.

Если f₁ и f₂ приближённо можно найти из [2] и [3], то f₃ мы находим из результатов параметрического исследования. Таким образом, пошагово меняем осадку до равенства левой и правой части.

Данный пересчёт помогает найти более достоверное сопротивление и подъёмную силу, что в первом приближении помогает определить потребную тягу аппарата, т.е. помогает выбрать силовой комплекс экраноплана.

Список литературы:

1. А.И. Февральских Разработка методики проектирования аэрогидродинамической компоновки амфибийного судна на воздушной подушке с аэродинамической разгрузкой на основе численного моделирования: дис. канд. кораблестроение наук: 05.08.01 и 05.08.03. - Нижний Новгород, 2017. - 175 с.
2. Г.Ф. Демешко Проектирование судов. Амфибийные суда на воздушной подушке в 2-х книгах. - Санкт-Петербург: "Судостроение", 1992. - 269 с.
3. В.А. Зуев Выбор основных характеристик морских транспортных судов на начальной стадии проектирования: учеб. Пособие / В.А. Зуев, Н.В. Калинина, Ю.И. Рабазов; Нижегород. гос. техн. ун-т. – Нижний Новгород, 2007. – 225 с.