Hargitai László Csaba
FOLYAMI ÁRUSZÁLLÍTÓ HAJÓK MANŐVERKÉPESSÉGÉT ELŐREJELZŐ MOZGÁS–SZIMULÁCIÓS MÓDSZER KIDOLGOZÁSA.
PhD tézisfüzet
Kutatóhely: Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Közlekedésmérnöki és Járműmérnöki Kar Kandó Kálmán Doktori Iskola Vasúti Járművek, Repülőgépek és Hajók Tanszék
Témavezető: Dr. Rohács Dániel
Budapest 2016
A kutatási téma aktualitása, célkitűzések A vízi közlekedés területén a hajók mozgásának tudományos vizsgálata a XIX. század közepére vezethető vissza. Az elméleti és kísérleti kutatások fő csapásiránya a hajók stabilitása, lengései, a propulzió, valamint a hajótestre ható hidrodinamikai erők meghatározása voltak. Az 1970-es években megjelenő mikroszámítógépek aztán lehetővé tették összetett dinamikai modellek megoldását is, melyek célja a hajók mozgásának leírása a tengerállósági és az irányíthatósági tulajdonságok vizsgálata érdekében. A kutatások a számítástechnikai lehetőségekkel együtt gyors ütemben fejlődnek, ugyanis eredményeik révén biztonságosabb és tengerállóbb hajókat lehet tervezni, valamint a különböző rendszerdinamikai modellekkel olyan eszközöket lehet fejleszteni, amikkel a hajótulajdonosok közvetlen anyagi előnyökre tehetnek szert (pl. az aktív lengéscsillapító növeli az utas kényelmet, és az automata kormányzó berendezésekkel az üzemanyag-fogyasztást és a személyzet létszámát lehet csökkenteni). A belvízi hajózásban a számítógépes mozgás–szimuláció jelenleg egy nagyon dinamikusan fejlődő tudományterület, jóllehet a tengeri hajózásban már évtizedek óta bevett gyakorlat. A belvízi hajózás „lemaradásának” oka, hogy gazdasági, áruszállítási és társadalmi jelentősége jóval kisebb, mint a tengeri kereskedelemé, ezért a kutatás-fejlesztés iránt is kisebb az igény. Ma már a szűkebb költségvetésű belvízi hajózás számára is elérhető a szimuláció technikai háttere. A tengeri hajózásból átvett elméleti hátteret azonban felül kell vizsgálni, mivel a hajózás jellegéből fakadóan a szimulációs igények és követelmények súlypontjai eltérőek. A belvízi hajók számítógépes mozgás–szimulációjára a vízi szállítás több területéről is megfogalmazódott igény: • Víziút -, illetve kikötő - karbantartási vagy építési munkáknál a vízterületre jellemző hajótípusok manőverképességének figyelembe vétele a szimuláció és a nautikai szakértő segítségével már a tervezés kezdeti fázisában megtehető. A szimulációval a speciális nautikai problémák elemezhetőek. • A belvízi hajók manőver – szimulációja lehetőséget ad a rendőrségnek és a balesetvizsgáló szervezeteknek hajózási balesetek, havariák rekonstrukciójára. • A megfelelő felhasználói környezet megteremtésével (hajó kormányállás szimulátor) a mozgás – szimulációs program alapja lehet a hajózó legénység kiképzésének. • A belvízi hajózás biztonsága növelhető a hajóvezetői tanácsadó rendszerrel, mely hajó várható útvonalát mozgás-szimulációval előrejelzi. • A hajómozgások előrejelzésének az európai nemzetközi víziutakon működő RIS (Folyami Információs Szolgáltatás) rendszerhez való csatolásával, a belvízi hajózásban tovább fokozható az élet- és környezetvédelem, valamint a vagyonbiztonság. • A hajó mozgásának szimulációjával már a tervezés kezdeti szakaszában meghatározhatók a hajó iránystabilitási és manőverező tulajdonságai, azaz az irányíthatóság előjelezhető. Kiválasztható a megfelelő kormánytípus, ezáltal a tervezés pontosabb és hatékony lehet. Egy konkrét hajó tervezése során pedig ki lehet választani azt a paraméterét a hajónak, amit változtatva a kívánt manőverező képesség a legolcsóbban elérhető. A disszertáció alapvető célja egy, a folyami önjáró áruszállító hajók manőverképességének előrejelzésére alkalmas szimulációs módszer és számítógépes program kidolgozása. A módszernek a hajótervezés során meghatározható vagy megbecsülhető paraméterekre kell támaszkodnia, mivel a számítógépes programmal már a tervezési fázisban kell meghatározni a hajó várható műveletképességi tulajdonságait. Ennek érdekében a szokásos rendszerdinamikai modellek helyett olyan alkalmas dinamikai modellre van szükség, amelyben a külső erőket a hajótervezői gyakorlatban alkalmazott eljárásokkal lehet számítani. Ezen számítási 2
metódusokban meg kell határozni a dinamikai modell pontosságát legnagyobb mértékben befolyásoló paramétereket. A folyadékban változó sebességgel mozgó szilárd testeknél külön figyelmet kell fordítani a mozgás közben a folyadéknak átadott mozgásmennyiségre és mozgásmennyiség-nyomatékra, vagyis az ún. kapcsolt inerciákra. A modellbe mindezt úgy kell beépíteni, hogy a folyami hajózásra gyakran jellemző korlátozott nautikai környezet (sekély víz) hatásait is figyelembe vegye, mégse igényeljen különleges, a hajótervezői gyakorlattól eltérő számításokat. Az kutatás fő célja az alkalmas dinamikai modell alapján egy rugalmas felépítésű számítógépes program elkészítése, mellyel a folyami önjáró, egycsavaros hajók mozgás szimulációja megvalósítható. A szimulációs módszer és program alkalmasságát egy ismert manővertulajdonságú egycsavaros folyami önjáró áruszállító hajó szimulációs- és futópróba eredményein keresztül kell megvizsgálni. Ennek érdekében először fel kell mérni a hajók manőverképességének jellemzésére és mérésére alkalmazott kísérleteket, s meg kell határozni azokat a próbákat, amelyekkel a folyami hajók iránytartási és manőverképessége mérhető. Ugyan a mozgás szimulációs módszer elsősorban az egycsavaros folyami önjáró áruszállító hajók mozgásának előrejelzését szolgálja, azonban az elméleti háttér és a számítógépes program segítségével ezen hajók irányíthatóságának vizsgálati módszerei is bővíthetőek. A szimulációs módszer és program validációja egy ismert műveletezési képességű hajó programba integrálásával, valamint a valós hajón a futópróbákon is elvégzett, alkalmas manőver kísérletek virtuális végrehajtásával történt.
A kutatómunka bemutatása A kutatómunka első lépése az egycsavaros folyami önjáró áruszállító hajók mozgásformáinak vizsgálatával és dinamikai modelljének meghatározásával kezdődött.
1. ábra: Hajómozgások értelmezése a hajóhoz kötött vonatkoztatási rendszerben
A kutatás során a merev test hat szabadságfokú mozgásegyenlet-rendszerét három szabadságfokú, síkmozgássá egyszerűsítettem. Az egyszerűsítés a folyami áruszállító hajók mozgásjellemzőinek vizsgálatával történt. Józan megfontolások, a hajósok tapasztalatai, és modellkísérleti eredmények alapján a 70~130m hosszú, 8~11,6m széles, 2,5~2,7m tervezési merülésű, 1200~3700 m3 vízkiszorítású belvízi áruszállító hajókra a következő megállapítások tehetők: • A vízfelszín hullámzása elhanyagolható befolyással van a hajó mozgására, mivel a Dunán 5% valószínűséggel előforduló, legnagyobb hullámmagasság 0,6m, illetve a hullámhossz legfeljebb 4~5m (a nagy vízfelületű Al-Dunán). A hullámok amplitúdójukat, periódusidejüket és energiatartalmukat tekintve csak csekély mértékű gerjesztést jelentenek a hajó nagy tömegű lengőrendszere számára. Továbbá a hajót 10~30 hullám vesz körül, így a hajó egyes szegmenseinél lokálisan fellépő 3
•
•
•
•
vízkiszorítás növekedés és csökkenés összességében nem változtatja a teljes vízkiszorítást. A hullámzás okozta lengőmozgások tehát nem figyelhetők meg a belvízi önjáró áruszállító hajóknál. Ballasztmeneti állapotban a hajócsavar vízfedése érdekében = 1,6~2 farmerüléssel közlekednek, miközben az orrmerülés = 0,4~1 értékű. A hajók trimmje tehát legfeljebb = 1,4 (ez elméleti maximum, gyakorlatban kisebb!), ami a vizsgált hajóhosszak alapján = 0,6~1,1° trimmszöget jelent. Ilyen kis szögeknél a hajó vízbemerült része alig tér el a vízszintesen úszó, azonos tömegű hajóétól, így a hidrostatikai, hidrodinamikai, stabilitási és manőverképességi jellemzőik között sincs jelentős különbség. Azaz a hajó nem végez bukdácsoló, vagy jojózó mozgást a hullámok miatt. A hajók merülése menet közben nem változik gyorsan, merülő lengésekre (jojózás) tehát nem kell számítani. Azonban a sebesség növekedésével jelentősen változhat a merülés (squat), különösen sekély víz esetén. A farrésznél a merülés-változás elérheti a tervezési merülés 9~10%-át is. Ez azonban lassú változás, mely lengéseket nem okoz, de a hajó ellenállásának meghatározásánál és a medersúrolás veszélyének előrejelzésénél figyelembe kell venni. A belvízi áruszállító hajók hossz-szélesség aránya = 8~12, vízvonalterületük közel téglalap alakú, és vízkiszorításuk a korlátozott merülésük miatt relatív (tengeri hajókhoz képest) kicsi. Így hosszirányú kezdeti metacentrikus sugaruk = = 190~580 , ami nagy hosszirányú stabilitást jelent. Vagyis nincs bólintó mozgásuk. A hajók oldaldőlése normál üzemi körülmények között még manőverezés közben (a kormány és a keresztirányú ellenállás okozta billentő nyomaték hatására) sem jelentős. A mérési eredmények és a hajózási tapasztalat szerint > 5° oldaldőlés csak rendkívüli esemény (pl. rakomány megcsúszás, zátonyra futás, stb.) bekövetkeztekor jön létre. Ezért az oldaldőlés és a dülöngélő mozgás a hajó manőverképességének vizsgálatakor elhanyagolható.
Eszerint normál üzemi körülmények között a folyami áruszállító hajóknál a hajókra általában jellemző mozgásformák közül jó néhány elhanyagolható és a következő egyszerűsítések tehetők a mozgásegyenletekben: • A hajónak nincs dülöngélő mozgása =0 → •
=
̇=
=0
=0 → ̇ =
=0
A hajónak nincs bólintó mozgása =0 →
•
=0 →
=
A hajónak nincs merülő lengése =
= 0 és
̇ =
=0
Így a folyami önjáró áruszállító hajók mozgását leíró mozgásegyenlet rendszer: ∑X = ( + ) ̇− A hossztengely irányú eredő erő: + ∑Y = ( + ) ̇+ A keresztirányú eredő erő: + ̇+ ∑ =( + A csellengő nyomaték: ) ̇+ + ̇+ Az egyenletekben, a tömeg és tehetetlenségi nyomaték mellett megjelennek a ; ; kapcsolt inerciatényezők. Ugyanis a hajó mozgása során a külső erőknek és nyomatékoknak 4
kell fedezniük a hajótest mozgásmennyisége és mozgásmennyiség-nyomatéka mellett a folyadék-ellenállásból adódó kapcsolt mozgásmennyiséget és a kapcsolt mozgásmennyiségnyomatékát (folyadékban mozgó szilárd test impulzus és perdület tétele). A kutatásom során megvizsgáltam a belvízi hajók kapcsolt inercia számítási módszereit, és a mozgás szimuláció programozásában egyszerűbben használható kapcsolt inercia számító módszert kerestem, s fejlesztettem ki. Ennek elvi alapja, hogy a folyadékban mozgó test csak a közvetlen környezetében lévő folyadék mozgásmennyiségét változtatja meg, mert a távolabbi folyadék részecskék sebességére nincs hatással. Vagyis a folyadéknak átadott ún. kapcsolt mozgásmennyiségnek elméletem szerint a mozgásmennyiség-kiszorítási vastagsággal kell arányosnak lennie. A kiszorítási vastagságot pedig a síklapokon végzett kutatások alapján a síklap súrlódási tényezőjével is lehet számolni, illetve a hajótest menti nyomáselosztás hatását a nyomási ellenállás (vagy maradék ellenállás) tényezőjével lehet figyelembe venni. Így a kapcsolt inerciatényezők számításához a hajótervezés közben meghatározott súrlódási és maradék ellenállási tényezőkre van szükség, s nem kell a gyakorlattól eltérő számításokat végrehajtani. ≅− ≅−
8 8
(5,14
+
5,14
+
)
≅
2 További előnye a számítási módszernek, hogy az ellenállási tényezőkön keresztül a sekélyvíz hatás is figyelembe vehető a kapcsolt inerciák számításánál. Számítási eljárásom helyességét egy belvízi áruszállító hajón elvégzett saját és más kutatók által megadott módszerekkel történő számítások összehasonlításával ellenőriztem. A dinamikai modellhez a kutatás során meghatároztam a hajóra ható külső erők, és az általuk kifejtett nyomatékok számítási módját, melyek a hajótervezői gyakorlatban alkalmazott eljárásokra és empirikus paraméterekre épülnek.
2. ábra: A síkmozgást végző hajóra ható erők
Az erőrendszer módszerrel (vagy szintetikus módszerrel) meghatározott erők: • Hidrodinamikai erők ( , ) A hosszirányú hidrodinamikai erő (tolóerő igény) számításának alapja a hajótest hosszirányú ellenállásának ellenállási tényezőkkel, majd a tolóerőigény szívási tényezővel történő meghatározása: X =
1 (c 1−t
+c )
5
ρ í Su 2
A keresztirányú hidrodinamikai erő számításának alapja a hajótest egyes szeleteiben (10 db. szelet) a keresztirányú ellenállás ellenállási tényezőkkel történő meghatározása az egyes szeleteknél lévő keresztirányú sebesség alapján, majd az eredő keresztirányú erő és annak támadáspontjának numerikus integrálással történő (Simpson módszer) meghatározása: = x = •
í
3
∆x ∑
∆
+2
α β c
∑
α c
Aerodinamikai erők (
B + 2T + ∑
v
B + 2T + ∑
v ,
+ α β c α c
v
v T
T
−
L 2
)
A hajótestre ható aerodinamikai erőket így a relatív szélirány, és a szélsebesség ismeretében a hajótervezésben szokásos módon határoztam meg, a hossz-, és keresztirányú aerodinamikai ellenállási tényezőkkel és a hajó szélnek kitett felületeivel: 1 ) =− + + ő ( 2 1 Y = sign(v )c ρ +v ) A cos β + A sin β ő (u 2 •
Kormányerők (
,
)
A kormányerőket a szárnyprofil elmélet szerint a kormányon, vagy kormánylapátrendszeren ébredő hossz-, és keresztirányú erő az erőtényezővel, a jellemző kormányfelülettel, a víz sűrűségével és az átlagos megfúvási sebességgel számítható. A megfúvási sebességnek a hajócsavarról leáramló víz sebességének vettem, ami a propeller által leadott tolóerőből számítható. = = •
í
2 í
2
Tolóerő ( ) A tolóerő meghatározás alapjául a hajócsavarok hagyományos nyíltvízi jelleggörbéi helyett az ún. négynegyedes nyíltvízi jelleggörbéket, amelyek lefedik a hajócsavar mind a négy lehetséges üzemállapotát (előre vagy hátra haladó, és előre vagy hátra forgó hajócsavar). A hajócsavar azonban a hajótest környezetében, a nyíltvízi állapothoz képest megváltozott áramlási viszonyok mellett fejti ki a tolóerőt. Ezt a tolóerő számításában a hajótervezésben bevett módon, az effektív sodortényezővel vettem figyelembe. 1 ∗ (1 − ) ) = + (0,7 í 2 4
•
Orrsugár kormány erő (
)
Az orrsugár kormányt a tervezők az eszköz által kifejtett tolóerő alapján választják ki, s építik a hajóba. Ezért a dinamikai modell az orrsugár kormány által kifejtett legnagyobb erő haladási sebességtől függő karakterisztikáját (a programban meg kell adni) közvetlenül használja.
6
Mint látható a külső erőket kifejező egyenletek mindegyike tartalmaz tapasztalati vagy kísérleti úton, esetleg közelítő számítással meghatározott paramétereket, amelyek a hajó aktuális mozgásállapotától függenek. Így a hajómozgás leírásának pontossága nem csak a mozgásegyenletekkel (benne az erőmodellekkel) leírt dinamikai modell és a valóságos hajó közötti hibától, hanem az empirikus erőmodell-paraméterek pontosságától is függ. Az egyes tényezők fontosságának megállapításához végrehajtottam a kidolgozott mozgásmodell paraméter-érzékenység vizsgálatát. A vizsgált tapasztalati tényezők: • sodortényező • szívási tényező • hajótest hosszirányú teljes ellenállási tényezője = + • hajótest keresztirányú teljes ellenállás tényezője = + • •
hosszirányú légellenállási tényező keresztirányú légellenállási tényező
• •
hosszirányú kormányerő tényező keresztirányú kormányerő tényező
Rel. du/dt változás [100%]
13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 0,5 -2 -3
w t CR x 0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
Rel. paraméterváltozás [100%] 3. ábra: A hosszirányú gyorsulás változása a paraméterértékek változásának hatására
Rel. dv/dt változás [100%]
2,8 2,6 2,4 2,2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2
w CRy CAAy CTy
0,5
0,6
0,7
0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 Rel. paraméter váltoás [100 %]
1,4
1,5
4. ábra: A keresztirányú gyorsulás változása a paraméterértékek változásának hatására
7
Rel. dr/dt változás [100 %]
2,8 2,6 2,4 2,2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0
w CR y
0,5
0,6
0,7
0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 Rel. paraméter változás [100 %] 5. ábra: A szöggyorsulás változása a paraméterértékek változásának hatására
A paraméterérzékenység vizsgálat alapján kijelenthetem a folyami önjáró áruszállító hajókra vonatkozóan, hogy a dinamikai modell érzékenysége a hajótest hosszirányú teljes ellenállási tényezőre ( ), a hajótest keresztirányú teljes ellenállási tényezőre ( ), valamint a kormányerő tényezők ( é ) érzékenysége jelentős. Illetve a dinamikai modell érzékenysége nem jelentős a sodortényező ( ), a szívási tényező ( ), és a légellenállási tényezők ( é ) tekintetében, ezért a modellnél a mérnöki gyakorlatban alkalmazott becslések elegendőek. A dinamikai modell alapján elkészítettem egy rugalmas felépítésű hajómozgás szimulációs programot, ami a külső erőket és azok nyomatékait a hajótervezésben szokásos számításokkal határozza meg. Az erőmodellek empirikus paraméterei, a víziút sajátosságai (sodrás, vízmélység) és az uralkodó szélviszonyok változtathatóak a szimuláció megkezdése előtt, így tetszőleges hajót tetszőleges navigációs környezetben lehet vizsgálni a programmal.
6. ábra: A szimulációs program adatbeviteli felülete
8
A program a dinamikai modell mozgásegyenleteit a felhasználó által megválasztott időlépésben, az Euler-féle vagy a negyedrendű Runge-Kutta módszerrel oldja meg, s határozza meg a hajó következő időpillanatbeli pozícióját és irányszögét. A hajót a virtuális környezet térképén egy, a hajóval arányos méretű téglalap jelképezi, amely a térkép kis méretaránya miatt jól közelíti a hajó valóságos felülnézeti képét. A szimuláció közben a hajót, a gyakorlati hajóvezetéshez hasonlóan, a kormánykitérítési szög, az orrsugár kormány tolóerejének szabályozásával, valamint a főgép töltés állításával lehet irányítani, melyek aktuális értékéről a hajóvezető számszerű visszajelzést kap.
7. ábra: A szimulációs képernyő
A grafikus megjelenítés mellett, az oldal sávban megjelenik a hajó pozíciója, útiránya, a holtvízi sebesség adatok, a folyósodor adatok, illetve a szél sebessége és iránya. A kutatás során a dinamikai modell alkalmasságát, és a mozgás szimulációs program hitelesítését a MAHART Hajójavítóban tervezett Duna-Európa toló-önjáró egycsavaros áruszállító hajótípus 1977-ben épült prototípusával végeztem el.
forrás: www.hajoregiszter.hu 8. ábra:A DET1 toló-önjáró hajó hegymenetben, mellévett alakzatú kötelékben
9
A hajó tervdokumentációja, kisminta- és manőver kísérleti eredményei ugyanis rendelkezésemre állnak, így az erőmodellek paramétereit a szimulációs programban a tervdokumentáció alapján tudtam meghatározni, illetve a tervezőktől átvenni. A virtuális és a valós hajó manőverképességét a futópróbákon és szimulációval elvégzett hullámmanőver próba elvégzésével hasonlítottam össze.
A hajó manőverpróbái Szimulációs modell
Hajó sebesség [km/h]
Kormánykitérítés [°]
Irányvált ozási szög [°]
Max. fordulási szögsebesség [°/perc]
Túllendülési szög [°]
Max. oldalirányú kitérés [m]
7.20
20
10
30
6
35
7.19
20
10
34
9
42
9. ábra: A valóságos és a virtuális DET-1 hullámmanőver próba
Az összehasonlítás alapján kijelenthetem, hogy a dinamikai modell és a szimulációs program alkalmas az egycsavaros folyami önjáró áruszállító hajók mozgás szimulációjára. Kutatásom következő állomása a hajók irányíthatóságának ellenőrzési lehetőségeinek áttekintése, illetve a belvízi hajóknál szokásosan alkalmazott műveltezési próbákat felülvizsgálata volt. Munkám során megállapítottam, hogy a belvízi hajóknál az iránytartási jellemző kísérleti (futópróbán történő) meghatározása csak tapasztalati jellegű. A dolgozatban ezért bemutatok egy, az elméleti hajódinamikai modellre épülő objektív kísérleti módszert, és annak értékelési módját. Az újfajta iránytartási kísérletet a szokásos futópróba vizsgálatok közben is végre lehet hajtani úgy, hogy az egyenes vonalú egyenletes mozgást végző hajónál a kormányt középállásban, a töltésvezérlőt a 13km/h holtvizi sebességű haladáshoz tartozó állásban rögzítik. A vizsgálat során mérik a = 3° oldalcsúszási szög vagy az = 5°/ irányváltoztatási szögsebesség eléréséig eltelt időt ( ), illetve a ≥ 5° oldalcsúszási szög és az ≥ 8°/ irányváltoztatási szögsebesség eléréséig eltelt időt ( ) (ebben a pillanatban feljegyzik az aktuális sodródási szög értékét, és az irányváltoztatási szögsebességet is).
10
10. ábra: Újfajta iránytartási kísérlet a belvízi hajóknál
A hajó iránystabilitásának kritériumát a hajó ismert normalizált paraméterei ( ′ tömeg, tehetetlenségi nyomaték, ̇ = és ̇ = kapcsolt inerciák), valamint a normalizált erő és nyomaték derivatívok határozzák meg: ' v
0 Y N
' r
N m'Y Y I N N Y m' 4m'Y I N ' v
' r
' r
' v
' v
' v
' z
' z
' r
2
' r
Ahol az ismeretlen erő és nyomaték derivatívok a kísérlet során mért idő, sodródási szög és irányváltozási szögsebesség adatokból meghatározhatók: m'Yv' v' m'Yv' Yv' v' T1
I
' z
N r' r' I z' N r' r' T1 1 1 = +( − ̇) − ′ 1 1 = ( − ̇) − N r'
A program rugalmas felépítése révén a kutatás során olyan manőverkísérleteket is végre tudtam hajtani, melyekre eddig csak a hajók futópróbáin (vagy még ott sem) volt lehetőség.
11. ábra: Időben megkezdett völgymeneti behajózási művelet
11
A virtuális kísérletek alapján a dolgozatban javaslatot tettem a belvízi áruszállító hajók manőverképességének jellemzésére egy medencés kikötő virtuális meghajózhatósági vizsgálatával, melynek során a mozgás szimulációjával megállapítottam a medencés kikötők biztonságos meghajózhatósági követelményeinek meghatározási módját.
További kutatási lehetőségek A disszertációban bemutatott kutatás nem csak a gyakorlat számára is hasznosítható eredményeket hozott, hanem újabb kérdéseket is felvetett a belvízi hajók mozgás szimulációjának megvalósításáról. Az hajó mozgásának elméleti hátterét tekintve meglátásom szerint a következő területeken lehet érdemes a munkát folytatni, ahol új kutatási eredményeket is el lehet elérni: • A hajódinamikai modell továbbfejlesztése, nagyobb szabadságfokú mozgásegyenlet rendszer alkalmazásával: Ezzel a fejlesztéssel a manőverképességet vizsgáló szimulációs módszer alkalmazhatósága kiterjeszthető az általam vizsgált belvízi áruszállító hajókról a kisebb méretű, sőt a tengeri hajókra is. • A hajót érő külső erőhatások számítási módszereinek fejlesztése. A hajótervezői gyakorlatban alkalmazott számítások közül különösen a hajótest oldalirányú ellenállásának és a kormányerők meghatározásának fejlesztésében vannak még hiányosságok. Ugyanis a hajótervezésben alapvetően a jelenlegi közelítő számítások elegendőek, amennyiben nem szükséges a manőverjellemzők vizsgálata. • A külső erők kölcsönhatásának, illetve a hajótest-propeller, a propeller-kormánylapát illetve az orrsugár kormány-hajótest közötti kölcsönhatások hajómozgásra gyakorolt hatásnak pontosabb matematikai leírása. A tengeri hajóknál sok (általában egyedi hajófejlesztési) kutatás foglalkozik ezekkel a kérdésekkel, azonban ezek az eredmények sokszor nem használhatóak a belvízi hajók sajátos kialakítása miatt. (Pl.: a belvízi hajóknál a többlapátos kormányrendszerek széles körben elterjedtek, de a tengeri hajóknál nem.) • A víziút-hajótest kölcsönhatás további elemzése. A sekély vízi hajózás manőverbefolyásoló hatásával már sok kutatás foglalkozott, de a belvízi hajóknál nem csak a mederfenék közelsége, hanem a partfal közelsége, vagyis a korlátozott mederkeresztmetszet is módosítja a műveletezési tulajdonságokat. A belvízi hajózásban a korlátozott víziút keresztmetszettel jellemzően a hajótest ellenállás növekedés területén foglalkoznak a kutatók, a manőverképesség-befolyásoló hatást csak kevesen vizsgálják. • Különleges navigációs környezetben fellépő erőhatások meghatározása. A belvízi hajók mozgás szimulációjának területén elég kevés elméleti kutatási eredmény áll rendelkezésre olyan különleges nautikai helyzetekről, mint például a zsilipkamrába be-, illetve kihajózás, a hajók egymás melletti elhaladása, vagy a hajók ütközése. A disszertációban bemutatott szimulációs program fejlesztése: • Grafikai fejlesztések: A hajómozgás térbeli megjelenítésével a szimulációs program a hajósok gyakorlati képzésére is alkalmassá válna. Illetve a radarkép-szerű megjelenítéssel a radarhajózási gyakorlatok is megvalósíthatóak lennének. • Több hajó egyidejű szimulációja: A baleseti rekonstrukciók és összetett navigációs feladatok elemzéséhez a szimulációs programban lehetővé kell tenni több hajó egyidejű dinamikai vizsgálatát. • A kezelőszervek fejlesztése: A kezelőszervek a jelenlegi programban a billentyűzettel vagy az egérrel irányíthatóak, de a valóságos vezérlő eszközök illesztésével (pl. a kormányvezérlő, parancstávadó, orrsugár kormány vezérlő, stb.) a szimuláció élethűsége fokozható, a térbeli hajómozgás megjelenítésével egy virtuális hajóhíd hozható létre. 12
A kutatómunka tudományos eredményei A disszertációmban bemutatott kutatási tevékenységem során elért új tudományos eredményeket az alábbi tézisekben foglalom össze: I. A hajók térbeli mozgását leíró mozgásegyenletek rendszerében módosítottam a kapcsolt inerciák kifejezését, azaz a hajótest időben változó sebességű mozgása során a folyadékellenállásból adódó kapcsolt mozgásmennyiségek és kapcsolt mozgásmennyiség-nyomatékok kifejezésére szolgáló tagokat. a) A kapcsolt inerciák meghatározásához a hajótest körüli mozgásmennyiség-határréteg vastagságával arányos tagot vettem figyelembe, mely kifejtésem szerint arányos vagy függ a hajó vízhez viszonyított sebességével. b) A kapcsolt tömeg kifejezésénél figyelembe vettem a sekélyvíz-hatást, a sekélyvízi ellenállás növekedés sebességnövekményként történő meghatározásával. c) A kapcsolt inerciák módosított meghatározási módszere az általános hajómérnöki gyakorlatban szokásosan alkalmazott számításokon alapul, nem igényel külön számításokat. d) A módosításokkal egyszerűbbé vált a kapcsolt inerciák, illetve a kapcsolt inerciák sekélyvízi hatásának számítása a mozgás szimuláció közben. A tézishez tartozó publikációk: [1] II. Paraméterérzékenység-vizsgálat segítségével elemeztem és a változás-érzékenység szerint osztályoztam a hajómozgást leíró mozgásegyenletekben szereplő erőmodellek dimenziótlan tényezőit és paramétereit, melyek csak közelítő számítási eljárásokkal vagy kísérletekkel meghatározhatóak. a) Az érzékenység vizsgálatokat a becsült alap paraméterértékek ±50%-os tartományában hajtottam végre, a paraméterértékek külön-külön ±10%-onkénti változtatásával. b) A paraméterérzékenység vizsgálat alapján kijelenthetem a folyami önjáró áruszállító hajókra vonatkozóan, hogy a dinamikai modell érzékenysége a hajótest hosszirányú teljes ellenállási tényezőre, a hajótest keresztirányú teljes ellenállási tényezőre, valamint a kormányerő tényezők érzékenysége jelentős. c) A paraméterérzékenység vizsgálat alapján kijelenthetem a jellemző dunai önjáró áruszállító hajókra vonatkozóan, hogy a dinamikai modell érzékenysége nem jelentős a sodortényező, a szívási tényező, és az aerodinamikai alakellenállási tényezők tekintetében, ezért a dinamikai modellnél a mérnöki gyakorlatban alkalmazott becslések elegendőek. A tézishez tartozó publikációk: [2], [3], [4], [5], [6] III. A dinamikai modellel végzett mozgásvizsgálatok alapján új iránytartási kísérletet dolgoztam ki, mely a jelenlegi gyakorlattal szemben objektíven ítéli meg egy folyami áruszállító hajó iránystabilitását. a) Megállapítottam, hogy a tengeri hajózási szakirodalomban elméleti úton meghatározott iránystabilitási kritérium a belvízi hajók iránystabilitásának objektív megítélését teszi lehetővé, amennyiben az ; ; ; normalizált derivatívok értékei ismertek.
13
b) A ; ; ; normalizált derivatívok meghatározására a hajók próbaútján elvégezhető, újfajta iránytartási kísérleti módszert dolgoztam ki c) A mérési adatok alapján a keresett normalizált derivatív értékek meghatározási módját kidolgoztam, feltételezve, hogy a hajó tömege és a tömeg másodrendű nyomatéka, valamint a kapcsolt inerciák ismertek A tézishez tartozó publikációk: [7], [8] IV. A kidolgozott hajó dinamikai modellel végzett mozgásvizsgálatok alapján megállapítottam olyan, a folyami áruszállító hajókra vonatkozó manőverezési sajátosságokat is, melyekre eddig csak a hajók próbaútjain volt lehetőség. a) A fordulási kísérleteknél a jellemző dunai áruszállító hajók esetében a 60°/percet meghaladó fordulási szögsebességnél a hajó irányítását csak nagy tapasztalattal rendelkező hajóvezető tudja kézben tartani, mert a nagy tömegű hajó tehetetlensége miatt nagy túllendülési szögekkel fogja követni a kormány-kitérítési parancsokat. b) Megállapítottam, hogy rakott (2,5m merülés) és üres (0,8m merülés) hajónál akár 50%-os manőverjellemző-eltérés is lehetséges. A legnagyobb merüléshez viszonyított manőverjellemző-eltérést a kifújt szabad szél nagysága, iránya és a hajó terhelési állapota határozza meg. A tézishez tartozó publikációk: [9], [8] V. A tervezett bajai medencés kikötőt alapul véve mozgás szimulációval megállapítottam a medencés kikötők biztonságos meghajózhatósági követelményeinek meghatározási módját. a) Figyelembe véve az épített és természetes környezetet (hídpillérek, folyó kanyarulata és mederviszonyai, a tervezett kikötőmedence és a bejárati hajóút méretei). b) Figyelembe véve a hajómozgást befolyásoló áramlástani viszonyokat (sodrás, szél). c) A vizsgálati eredményeket felhasználták a Bajai Országos Közforgalmú Kikötő északi területének fejlesztéséhez kapcsolódó új kikötőmedence nautikai viszonyainak közlekedés-biztonsági vizsgálatánál. A tézishez tartozó publikációk: [9], [8] VI. Kifejlesztettem egy, a folyami önjáró áruszállító hajók manőverképességét előrejelző mozgásszimulációs számítógépes programot. a) A program a hajó mozgásának leírásakor a manőver-, vagy kisminta-kísérletekből meghatározott derivatív tényezőkkel szemben az általános hajótervezői gyakorlatban alkalmazott, kísérleti eredményekre alapuló, vagy elméleti és tapasztalati úton meghatározott hajótervezési paramétereket használja. b) A program grafikusan megjeleníti a hajó mozgását, valamint a mozgás-kiértékeléshez szükséges adatokat is megadja. c) A grafikus megjelenítés felhasználóbarát, térképrészleten, látványos módon mutatja be a hajó mozgását, miközben a hajó kontroll elemeinek értékeit a hajóvezető által látott módon megjeleníti, illetve a környezeti paraméterek aktuális értékeit is feltünteti a valósidejű értékeléshez. Ezzel egy képernyőn egyesíti a navigációs szimulátorokban a hídról és az instruktori szobából látható menetparaméterek kijelzését. d) A hajómozgást meghatározó szimulációs szoftverbe eltérő folyósodor, meder, műtárgy és szél adatok, illetve (az empirikus, hajótervezésben használt paraméterek
14
megadásával) különböző, egycsavaros folyami önjáró áruszállító hajók osztályába tartozó hajó illeszthető. e) A program be- és kimeneti értékei csatolhatók virtuális vagy valóságos kontroll környezethez (pl. kormányállás modell), és grafikus megjelenítőhöz (pl. 3D, a hajóvezető által látott virtuális környezet), melyek a hajómozgás előrejelzése mellet hajóvezető-képzésre is alkalmassá teszik a programot. f) A BME Repülőgépek és Hajók Tanszéke, illetve a BME Vasúti Járművek, Repülőgépek és Hajók tanszéke két kutatási feladatot is sikerrel oldott meg a program segítségével. A tézishez tartozó publikációk: [9], [10], [11], [12], [13]. [4], [8], [1]
A tézisekhez kapcsolódó publikációk listája 1. Hargitai, Csaba L. és Rohács, Dániel. Motion simulation of inland vessels. Brodogradnja. Zagreb, Croatia : University Zagreb, Faculty of Mechanical Engineering and Naval Architecture, 2016. Megjelenés alatt. ISSN 1845-5859. 2. Hargitai, Csaba L. Folyami hajók mozgásszimulációja, a mozgásegyenletek paraméterérzékenység vizsgálata. Hajós Füzetek 3. szám. Budapest : BME, Repülőgépek és Hajók Tanszék, 2005. 3. Hargitai, Csaba L. és Rohács, József. Inland waterway ship motion simulation and parameter sensibility of its motion equations. Transport Means 2005 : Proceedings of the 9th International Conference. Kaunas, Lithuania : Technologija, 2005. ISBN 9955-09942-9. 4. Hargitai, Csaba L. Dynamical analysis of ship motion simulation on inland waterways. [szerk.] István Zobory. Proceedings of the 12th Mini Conference on Vehicle System Dynamics, Identification and Anomalies. Budapest : BME, 2010. ISBN 978-963-313-0582. 5. Hargitai, Csaba L. Transient phenomena in motion simulation of inland vessels. [szerk.] István Zobory. Proceedings of the 13th Mini Conference on Vehicle System Dynamics, Identification and Anomalies. Budapest : BME, 2012. ISBN 978-963-313-102-2. 6. Hargitai, Csaba L. Transient parameter sensibility of semi empirical motion equations of inland vessels. Proceedings of Advances in Engineering & Management Conference 2012. Turnu Severin, Romania : University of Craiova, 2012. ISBN: 978-606-14-0562-6. 7. Hargitai, Csaba L. Measurement of course keeping of inland vessels. [szerk.] József Rohács. Proceedings of the Third Scientific Workshop on Transport, Vehicles and Logistics. Budapest : BME, KSK-VRHT, 2013. ISBN 978-963-313-080-3. 8. Hargitai, Csaba L. és Rohács, Dániel. Manoeuvring behaviour prediction of inland vessels by computer simulation. LOGI Scientific Journal on Transport and Logistics. Pradubice, Czech Republic : University of Pradubice, 2016. Megjelenés alatt. ISSN 2336-3037. 9. Józsa, János; Homoródi, Krisztián; Hadházi, Dániel; Hargitai, Csaba L.; Simongáti, Győző A Bajai Országos Közforgalmú Kikötő északi területének fejlesztéséhez kapcsolódó új kikötőmedence nautikai viszonyainak közlekedés-biztonsági vizsgálata. Budapest : BME, 2007. Kutatási jelentés. 10. Hadházi, Dániel, Hargitai, Csaba L. és Simongáti, Győző. 2D simulation of inland vessel manoeuvrings. Proceedings of Eurpean Inland Waterway Navigation Conference 2007. Budapest : BME, 2007. 11. Hargitai, Csaba L. Számítógépes hajódinamikai modell. Hajós Füzetek 8.szám. Budapest : BME, Repülőgépek és Hajók Tanszék, 2007. 15
12. Simongáti, Győző, Hargitai, Csaba L. és Schweighofer, Juha. Simulator demonstrations of Herso 1. MoVeIT! Deliverable D8.1. : MoVeIT! Project, 2014. 13. Schweighofer, Juha; van der Meij, Karola; Gronarz, Andreas; Hargitai, Csaba L.; Simongáti, Győző Demonstration by simulation: The four simulator demonstrators of the FP7 EU project MoVeIT! Congrès SHF: Hydrodynamics and simulation applied to inland waterway and port approaches,. Paris, France : Société Générale Hydrotechnique, PIANC, 2015. ISBN 979-10-93567-08-02
A szerző egyéb, a témához kapcsolódó publikációi 14. Hargitai, Csaba L. Passzív kormányrendszereken ébredő erők. Hajós Füzetek 4.szám. Budapest : BME, Repülőgépek és Hajók Tanszék, 2005. 15. Hargitai, Csaba L., Hadházi, Dániel és Simongáti, Győző. ShipSiP-2D Ship Motion Simulation Software. Poster presentation at Smart Rivers '21 Conference 2009. Vienna, Austria : PIANC, 2009. 16. Hargitai, Csaba L. Hajócsavar tervezési módszer a belvízi hajók kisméretű modell manővereihez. Hajós Füzetek 18. szám. Budapest : BME, Repülőgépek és Hajók Tanszék, 2012. 17. Hargitai, Csaba L. Propeller design method for manoeuvre tests of small scale inland ship models. Proceedings of First Scientific Workshop on Transport, Vehicles and Logistics. Budapest : BME, 2012. ISBN 978-963-313-062-9. 18. Hargitai, Csaba L. Prediction of inland ship manoeuverability changes by simulation of quasy-stationary manoeuvres. [szerk.] István Zobory. Proceedings of the 14th Mini Conference on Vehicle System Dynamics, Identification and Anomalies. Budapest : BME, 2014. 19. Hargitai, Csaba L. és Simongáti, Győző. A belvízi hajózási szimulátorok lehetőségei és korlátai. [szerk.] Tamás Péter. Innovation and Sustainable Surface Transport Conference. Budapest : Óbudai Egyetem, 2015. ISBN 978-963-88875-3-5. 20. Hargitai, Csaba L. és Simongáti, Győző. A belvízi hajózási szimulátorok lehetőségei az oktatásban. Közlekedéstudományi Konferencia Győr 2015. Győr : Széchenyi István Egyetem, 2015. ISBN 978-615-5298-54-7.
A szerző további publikációi 21. Hargitai, Csaba L. Az indukált ellenállás csökkentésének lehetoségei. Budapest : BME, Repülőgépek és Hajók Tanszék, 2001. Diplomamunka. 22. Hargitai, Csaba és Simongáti, Győző. Effect of gap on induced drag of wings. Proceedings of European Inland Waterway Navigation Conference 2003. Budapest : BME, RHT, 2003. 23. Hargitai, Csaba L. és Lovas, Katalin. Preliminary Design Method for Inland Sailing Ships. Proceedings of the 4th International Conference on Advanced Engineering Design. Glasgow, Scotland : Orgit Ltd., 2004. ISBN 8086059413. 24. Hadházi, Dániel, Simongáti, Győző és Hargitai, Csaba. New Surface Stabilisation Method for Seagoing Grain Cargo Transport. 16th Symposium on Theory and Practice of Shipbuilding. Zagreb, Croatia, 2004.
16
25. Hargitai, Csaba L. Felújított hajómodell-vontató csatorna. Hajós Füzetek 1.szám. Budapest : BME, RHT, 2004. 26. Hargitai, Csaba L. A 15-ös túra jolle. Hajós Füzetek 2.szám. Budapest : BME, RHT, 2004. 27. Rohács, József; Hadházi, Dániel; Simongáti, Győző; Hargitai, Csaba L. Methods for Evaluation of Sustainable Transport Performance Index (STPI). Proceedings of European Inland Waterway Navigation Conference 2005. Budapest : BME, VRHT, 2005. 28. Rohács, József; Hadházi, Dániel; Simongáti, Győző; Hargitai, Csaba L. Sustainable Transport Performance Index (STPI) of the inland water navigation. Proceedings of the 9th International Conference: Transport Means 2005. Kaunas, Lituania : Technologija, 2005. ISBN: 9955-09-935-6. 29. Hargitai, Csaba L., Hadházi, Dániel és Simongáti, Győző. The different hydrodynamic forces on the divided and the non divided fin keels. Proceedings of TRANSCOM 2005 Conference. Zilina, Slovak Republic : University of Zilina, 2005. ISBN: 80-8070-412-0. 30. Hargitai, Csaba L. A varázspapír. Hajós Füzetek 5.szám. Budapest : BME, RHT, 2006. 31. Hargitai, Csaba L. Baleseti statisztikák a Duna hazai szakaszáról. Hajós Füzetek 6.szám. Budapest : BME, RHT, 2006. 32. Rigo, Nicolas, és mtsai. Performance assessment for intermodal chains. European Journal of Transport and Infrastructure Research. Delft, The Netherlands : TU Delft, 2007. 4. kötet. ISSN 1567-7141. 33. Hargitai, Csaba L. Baleseti esettanulmányok. Hajós Füzetek 9.szám. Budapest : BME, RHT, 2008. 34. Hargitai, Csaba L. Hajótervezés ütközésre I.rész. Hajós Füzetek 10.szám. Budapest : BME, RHT, 2008. 35. Hargitai, Csaba L. Hajótervezés ütközésre II.rész. Hajós Füzetek 12.szám. Budapest : BME, RHT, 2009. 36. Pipirigeanu, Vasile, Cristian, Gabriela és Hargitai, Csaba L. NELI project overview. Proceedings of Smart Rivers '21 Conference 2009. Vienna, Austria : PIANC, 2009. 37. Hargitai, Csaba L. A NELI projekt. Hajós Füzetek 13.szám. Budapest : BME, RHT, 2010. 38. Szabó, Bálint, Trencséni, Balázs és Hargitai, Csaba L. Egyhengeres belső égésű motor modellezése és paramétereinek meghatározása. A Jövő Járműve. Győr : X-Meditor Lapkiadó, Oktatás- és Rendezvényszervező Kft., 2010. ISSN 1788-2699. 39. Pipirigeanu, Vasile, Cristian, Gabriela és Hargitai, Csaba L. NELI project overview. Proceedings of European Inland Waterway Navigation Conference 2010. Budapest : BME, VRHT, 2010. 40. Hargitai, Csaba L. A Hajós Szakképzésre vonatkozó Nemzeti Akcióterv 1.rész. Hajós Füzetek 15.szám. Budapest : BME, RHT, 2011. 41. Hargitai, Csaba L. A Hajós Szakképzésre vonatkozó Nemzeti Akcióterv 2.rész. Hajós Füzetek 16.szám. Budapest : BME,RHT, 2011.
Projekt munkák publikációi CREATING projekt 42. Rohács, József; Hadházi, Dániel; Simongáti, Győző; Hargitai, Csaba; Bogár, György Transport Development. CREATING project. , 2005. .
17
43. Rohács, József; Hadházi, Dániel; Simongáti, Győző; Hargitai, Csaba; Bogár, György Prospects and possibilities to RoRo shipping in the frame of a European intermodal transport concept. CREATING project. , 2005. . 44. Rohács, József; Hadházi, Dániel; Simongáti, Győző; Hargitai, Csaba. Reality scan container service in the lower Danube. CREATING Project. , 2005. 45. Rohács, József; Hadházi, Dániel; Simongáti, Győző; Hargitai, Csaba. The feasibility study of the Budapest-Constanta container service. CREATING Project. , 2005. 46. Rohács, József; Hadházi, Dániel; Simongáti, Győző; Hargitai, Csaba. Danube RegionEconomic Condition-Statistic Database. CREATING Project. , 2005. NELI projekt 47. Mező, Gergely és Hargitai, Csaba. Master study on Information and Training Centre Hungary. NELI project. 2010. 48. Hargitai, Csaba. Synergic project:WATERMODE. NELI Project report. , 2011. 49. Hargitai, Csaba L.; Simongáti, Győző; Mező, Gergely; Hadházi, Dániel. National Action Plan for education and training issues on the field of inland waterway transport Hungary. NELI Project report. , 2011. 50. Hargitai, Csaba L.; Simongáti, Győző; Hadházi, Dániel; György, Dávid. Common education and training plan. NELI project report. 2011. 51. Hargitai, Csaba. Synergic project:RiFLE. NELI project report. 2012. HINT projekt 52. Dávid, A.; Slesinger, J.; Jurkovic, M.; Hargitai, Cs.; György, D.; Simongáti, Gy.; Gansterer, S.; Mostarac, K.; Djokic, T.; Pencheva, V.; Manole, G. Danube Navigation Simulator Concept. HINT Project report. 2014. 53. Simongáti, Győző és Hargitai, Csaba L. Application of simple multi-criteria decision making methods for comparison of alternatives of transportation task. HINT ProjectDevelopment of training assessment IT applications for Danube stakeholders. , 2014. . 54. Gansterer, Sabine; Manole, G.; Munteanu, D.; Hargitai, Cs.; Mostarac, K.; David, A.; Djokic, T.; Marinov, M.; Ogunbemi, B; Schilk, G. Danube school ship Concept. HINT Project - Danube school ship requirements and concept. , 2014. 55. Simongáti, Győző, Hargitai, Csaba L. és György, Dávid. Report on reached results and following deployment of eLearning tools. HINT Project-eLearning deployment and development of new content. , 2015.
Tankönyvek, egyetemi jegyzetek 56. Hadházi, Dániel, Simongáti, Győző, Horváth, Gábor és Hargitai, Csaba. Hajózás I. Budapest : Typotex Kiadó, 2012. ISBN 978-963-279-620-8. 57. Simongáti, Győző és Hargitai, Csaba. Hajóépítés II. . Budapest : Typotex Kiadó, 2012. ISBN 978-963-279-618-5. 58. Simongáti, Győző és Hargitai, Csaba. Hajógépek. . Budapest : Typotex Kiadó, 2012. ISBN 978-963-279-619-2. 59. Gausz, Tamás, Simongáti, Győző és Hargitai, Csaba. Járművek hő-, és áramlástechnikai berendezései II. . Budapest : Typotex Kiadó, 2012. ISBN 978-963-279-640-6.
18
