7697

На правах рукописи

Амосов Алексей Германович

ГРАФОАНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД ПОСТРОЕНИЯ ТРАЕКТОРИИ ДВИЖЕНИЯ НЕДЕЛИМЫХ ГРУЗОВ

05.01.01 - Инженерная геометрия и компьютерная графика

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Нижний Новгород – 2019

Работа выполнена в ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Куприков Михаил Юрьевич

Официальные оппоненты:

Графский Олег Александрович, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Вычислительная техника и компьютерная графика» ФГБОУ ВО «Дальневосточный государственный университет путей сообщения»

Макаров Владимир Сергеевич, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Строительные и дорожные машины» ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный университет имени Р.Е. Алексеева»

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)»

Защита состоится «24» декабря 2019 г. в 11 час. 00 мин на заседании диссертационного совета Д 999.048.02 при ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет», ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.А.Алексеева», по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, д. 65,

ауд. 202 (5 корп.)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте организации www.nngasu.ru ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный архитектурностроительный университет».

Автореферат разослан «19» ноября 2019 г.

2

Общая характеристика работы Актуальность работы. Развитие средств поражения и защиты

сопровождается увеличением массово-габаритных характеристик, что влечет за собой противоречие между существующей инфраструктурой ракетных комплексов (неделимых грузов) и их геометрическим обликом.

Проблема транспортировки неделимых грузов в пределах позиционного района требует значительных расходов на возведение новой инфраструктуры и делает невозможным использование имеющейся из-за увеличения массовогабаритных характеристик. Обуславливается она, в том числе, геометрическими характеристиками перевозимых неделимых грузов и требует решения целого ряда научно-технических задач.

Обеспечение возможности унификации траектории движения неделимых грузов при имеющейся инфраструктуре является технической задачей, решение которой в значительной мере было бы облегчено, если бы существовали достаточно точные и производительные методы структурно-параметрического анализа геометрии криволинейного движения в целом, а также научнометодическая база, основанная на работах отечественных и зарубежных авторов.

Повышение вероятности беспрепятственной проходимости достигается путем повышения маневренности специальных колесных транспортных средств (СКТС), используемых для транспортировки неделимых грузов. Под маневренностью понимается качественная особенность системы поворота, благодаря которой полуприцеп на повороте движется по траектории, максимально приближаемой к траектории движения сцепного звена. При этом необходимо учитывать, что маневренность должна сочетаться c простотой технической реализации и высокой надежностью. Наряду с маневренностью одним из важнейших эксплуатационных свойств СКСТ является его курсовая устойчивость, на которую значительное влияние оказывают компоновочная схема, габаритно-массовые параметры, варьирование которыми зачастую затруднено.

На сегодняшний день не существует комплексного научно-методического обеспечения для получения практических рекомендаций по формированию облика неделимого груза в существующей инфраструктуре позиционного района.

Таким образом, одним из важных аспектов, позволяющих успешно произвести сопряжение криволинейного движения ракетного комплекса и топологической обстановки в позиционном районе, является корректное решение задачи создания графоаналитического метода построения траектории

3

движения неделимого груза и структурно-параметрического анализа геометрических характеристик специальных колесных транспортных средств (СКТС).

Объект исследования – геометрические характеристики неделимых грузов.

Предмет исследования – характеристики траектории движения неделимого груза в момент прохождения криволинейного участка.

Целью диссертационной работы является создание графоаналитического метода построения траектории движения неделимых грузов, основанного на структурно-параметрическом анализе геометрических характеристик неделимых грузов при криволинейном движении.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие

задачи:

1.Проведение анализа геометрических характеристик топологической обстановки и траекторий маневрирования в рамках существующей инфраструктуры.

2.Разработка моделей типовых агрегатов, систем, грузов и классификатора траекторий.

3.Разработка графоаналитического метода построения траекторий.

4.Выработка практических рекомендаций.

Методы исследования базируются на теории геометрических преобразований, а также на принципах системного подхода. Выявление рациональных решений осуществлено на основе моделирования с помощью формально-эвристических процедур. Математическая задача отыскания рациональных значений параметров поставлена как задача дискретной оптимизации.

Научная новизна:

1.Разработана новая зависимость процессов формирования геометрических характеристик СКТС и топологической обстановки позиционного района, позволяющая аналитическим путем спрогнозировать ширину коридора криволинейного движения транспортировки неделимых грузов.

2.Разработаны модели типовых агрегатов, систем и грузов, учитывающие вариативность свойств СКТС и его конструкции. Проведен процесс декомпозиции сложных участков криволинейного движения на простые, позволяющий разработать, определить и аппроксимировать зависимость максимальных смещений СКТС от скорости движения при

4

прохождении криволинейного участка движения.

3. Разработан новый графоаналитический метод построения траекторий, учитывающий инфраструктурные ограничения позиционных районов, основанный на геометрических преобразованиях траектории движения габаритно варьируемого неделимого груза и ее использовании при моделировании позиционного района.

Практическая значимость. На базе полученных результатов, процедур и моделей создан метод, который может быть использована в НИИ и ОКБ тяжелой промышленности, обеспечивая при этом сокращение трудоемкости проектирования в несколько раз при рассмотрении большего числа вариантов. Метод может быть использован при подготовке специалистов по проектированию ракетной техники в учебных заведениях.

Разработаны практические рекомендации, которые могут быть применены при проектировании неделимых грузов, что на ранних этапах позволит определить необходимость возведения новых или модернизации уже имеющихся позиционных районов.

Разработанный метод использован при проведении научно-

используется в учебном процессе в Московском авиационном институте (МАИ).

Основные положения, выносимые на защиту:

1.Зависимость процессов формирования геометрических характеристик СКТС и маршрута следования.

2.Новые математические модели и геометрические зависимости неделимых грузов.

3.Графоаналитический метод построения траектории движения. Достоверность полученных результатов обеспечивается тестированием

методики при расчете реальных систем и агрегатов и сопоставления их с результатами расчетов. Отклонение характеристик физических и математических моделей не превышает 5%.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на ряде научно-технических конференций, а именно: «Космическая весна» (центр эксплуатации наземной космической инфраструктуры (ЦЭНКИ), г. Москва, апрель 2016 г.), «Актуальные проблемы ракетно-космической техники» (ракетно-космический центр «Прогресс», Самара, сентябрь 2017 г.), The 60th International Scientific Conference of Daugavpils University (Daugavpils University, Латвия, Даугавпилс, февраль 2018 г.), Х общероссийская научнотехническая конференция «Молодежь. Техника. Космос» (БГТУ «ВОЕНМЕХ»

5

им. Д.Ф. Устинова, г. Санкт-Петербург, апрель 2018 г.), XLIV Международная молодежная научная конференция «Авиация и космонавтика» (Московский авиационный институт, г. Москва, апрель 2018 г.), 7-я Международная научнотехническая конференция «К.Э. Циолковский – 160 лет со дня рождения. Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика» (Рязанский городской радиотехнический университет им. В.Ф. Уткина, Рязанская область, октябрь

2017 г.).

Публикации. Основные теоретические положения и результаты исследования опубликованы автором в 14 печатных работах, 5 из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 2 – в журналах, индексируемых в наукометрической базе Scopus.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, заключения, библиографического списка и приложения. Объём работы составляет 127 страниц, включая 53 рисунка и 13 таблиц. Список литературы содержит 111 наименований.

Содержание работы Во введении обоснована актуальность темы, дана краткая характеристика

научных задач, сформулированы научная новизна и практическая значимость работы.

Впервой главе диссертации рассмотрены и проанализированы основные особенности СКТС при движении по криволинейной траектории с неделимым грузом. Проведен обзор научных работ в области геометрии маневренности.

Анализ показывает, что отдельные аспекты специфических проблем изучения данного вопроса рассмотрены в работах М.М. Бергмана, З.Ш. Блоха, А.Ю. Ишлинского, Г.Л. Терекова, Я.Х. Закина, И.И. Марголина, Я.Э. Сигала, П.Д. Клычкова, А.П. Колпакова, С.Я. Марголиса, В.А. Павлова, Л.М. Зисмана и ряда других отечественных и зарубежных авторов и учёных НИИ и опытных конструкторских бюро.

Вобласть исследования создания и эксплуатации наземных комплексов ракетной техники, подвижности и проходимости большегрузных транспортных средств (рис.1) внесли большой вклад работы Белоусова Б.Н., Гладова Г.И., Жилейкина М.М., Разуваева Л.Н., Титова А.В., Зузова В.Н., Закина Я.Х., Смирнова Г.А., Фаробина Я.Е., Хачатурова А.А. и др.

Проведен анализ альтернатив создания специальных транспортных средств, на основании которого были выявлены основные процессы проектирования СКТС.

6

Рисунок 1 – Модель транспортировки груза

Выявив место этапа компоновки в рамках общего формирования (рис. 2), состав задач и их связи с задачами, решаемыми на верхних и нижних уровнях, была поставлена следующая задача: определить вектор конструктивных параметров Х* , состоящий из элементов, которым соответствует минимальное значение целевой функции.

В данном случае процесс анализа геометрических характеристик может рассматриваться как некоторый процесс принятия последовательно уточняемых и детализируемых технических решений, обоснованных соответствующими расчетами. Выработки схемно-конструктивных решений в соответствии с требованиями технического задания и их конструктивное исполнение являются главным результатом проведенного анализа.

Из описания подхода к ФКСТ и особенностям СКТС видно, что компоновка этого типа средств транспортирования отличается выбором геометрических характеристик специальной части. На основании этого выбора будет определятся геометрия движения агрегата.

Исходя из данного подхода математическая постановка задачи, как задачи дискретной оптимизации, имеет вид:

= ( ; ), , ,

где X = X(L; N) – вектор конструктивных параметров, где L – длина машины; N

– удельная мощность СКТС; U = U(β, γ, R, Rнп, Rвн, S, T, , K) – вектор инфраструктурных ограничений, где β – угол поворота внутреннего колеса передней оси тягача; γ – угол складывания агрегата; R – радиус поворота СКТС; Rнп – наружный радиус поворота полуприцепа; Rвн – внутренний радиус поворота полуприцепа; S – ширина полосы движения; T – ширина дорожного полотна, – скорость движения, K – отечественный производитель.

7

Смещение траектории опорной точки движения (рис. 3) от заданной траектории обозначим ∆1, а смещение i прицепного обозначим −∆ (рис. 4). Учитывая принятые обозначения, смещение траектории этого звена относительно траектории тягача будем определять по следующей формуле:

Ширина полосы движения по внешнему габариту колес определяется так:

где – габаритная ширина прицепного звена по колесам; ∆ – абсолютная величина максимального смещения, выбранного из совокупности ∆1, это и будем считать критерием оценки.

Рисунок 3 – Схема участка движения

Рисунок 4 – Смещение траектории звена

9

Вобщем виде СКТС нельзя представить в виде неразрывной функции или

ввиде системы неразрывных функций. Модель агрегата относится к формальноэвристическим моделям, как и для любой сложной технической системы, её проектирование осуществляется многократным повторением анализа различных вариантов проектных альтернатив.

Для определения параметров и характеристик необходимо разработать модель каждого элемента на i-м уровне, при этом в модели верхних уровней включены модели нижних уровней. На каждом иерархическом уровне модель представляет собой связи (выраженные уравнениями), описывающие зависимости между параметрами и характеристиками.

СКТС представляет собой большую и сложную техническую систему, обладающую развитой иерархической структурой. В соответствии с системным подходом при решении задач определённого иерархического уровня нет необходимости разрабатывать модели всей иерархии системы, а для получения приемлемого результата достаточно рассмотреть системы на два порядка ниже или выше (рис. 5).

Вданной работе принято, что уровню i = I соответствует вся система вооружения. А уровню i+3 будет соответствовать транспортное средство. Каждый элемент характеризуют несколько моделей. В данной работе будут рассмотрены только те модели, которые необходимы в рамках данной работы.

Во-первых, это модели расчёта геометрических, массовых и моментноинерционных характеристик компонуемых элементов, а, во-вторых, модели процедур движения.

Вторая глава посвящена разработке моделей динамики, учитывающих геометрические характеристики движения СКТС такие, как углы поворота колес, радиус поворота передней оси при движении неделимого груза по криволинейной траектории.

За основу взята известная модель колесной машины, реализованная в среде Matlab/Simulink, разработанная коллективом авторов, которая была доработана с учетом специфики динамики движения по криволинейной траектории. Определены основные кинематические параметры и разработаны уравнения движения СКТС.

10