Разработка теоретических основ и методологии комплексного нормирования мореходности с учетом прочности морских судов

- выбор и экспериментальная проверка адекватной модели воздействия волнения на судно;

- определение оптимальной нормативной вероятности неблагоприятного воздействия на судно, повреждения или катастрофического события (потери судна);

- разработка методов формирования ограничений эксплуатационных режимов.

Внешнее воздействие волнения на судно моделировалось аппаратом гидродинамики, который позволил получать характеристики ходкости, маневренности, качки, местные и общие нагрузки на корпус в виде волновых и динамических (импульсивных) моментов, дополнительных инерционных нагрузок на фундаменты, конструкции грузовых помещений, локальных давлений от слеминга.

Для сравнительного количественного анализа уровня мореходности судов категорий неограниченного и ограниченного плавания применялся общепринятый расчетный аппарат последовательной оценки краткосрочных и долговременных вероятностных показателей с использованием ветроволновой статистики для рассматриваемых морских районов. Одновременно, положительный опыт применения на судах оперативных диаграмм штормового плавания дает основание использовать расчетную методику общего анализа мореходности судна для целей назначения эксплуатационных ограничений по погоде. Условия безопасности штормового плавания судна для стационарных ветро-волновых режимов определялись как общий результат анализа вероятностных краткосрочных показателей и их нормирования.

В теоретических исследованиях использовались элементы системного подхода, математическое моделирование, математическая статистика, основные методы теории и прочности судна.

Экспериментальные исследования проводились на моделях в опытовом бассейне ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова и на судах в натурных условиях на Ладожском озере и в Балтийском море.

Научную новизну работы составляют:

- сформулированные на основе обзора требований различных классификационных обществ ограничения судам по волнению, районам плавания из условий остойчивости, мореходности и прочности, послужившие постановке в диссертации задачи разработки и исследования теоретических основ и методологии комплексного нормировании мореходности и прочности морских судов;

- разработанные методики нормативной оценки мореходности транспортных судов для назначения эксплуатационных ограничений. В работе предложена номенклатура критериев мореходности и прочности, определены их нормативные уровни с учетом современного состояния методов их количественной оценки, а также разработаны методические положения расчета характеристик мореходности и прочности судов;

- проведенные расчетные оценки мореходности судов, включающие расчеты частных показателей мореходности, обобщение данных о долговременных волновых режимных характеристиках, используемых для оценки показателей мореходности, определение краткосрочных показателей мореходности и долговременных общих показателей мореходности;

- предложенные на основе анализа результатов расчетной оценки мореходности судов подходы к определению дополнительного комплексного критерия ограничения по погоде из условий мореходности и прочности. Разработки в части нормативных показателей мореходности базируются на проверенных автором методах вероятностного анализа характеристик мореходности судна в условиях ветра и нерегулярного морского волнения и охватывают определение и нормирование частных краткосрочных критериев для стационарного шторма, оценку показателей суммарного эффекта по всем частным критериям, расчет общих долговременных показателей с учетом режимной ветро-волновой статистики по климатическим зонам, возможные подходы к нормированию этих показателей;

- разработанная и апробированная методология назначения ограничений по районам и сезонам плавания на базе общего подхода к нормированию мореходности и прочности, основанная на принципе равной безопасности для неограниченных и ограниченных по погоде условий эксплуатации судов различных категорий. Нормативная величина долговременных показателей мореходности на волнении в диапазоне высот волн до допускаемой высоты волны 3% обеспеченности определяется, исходя из условий неограниченного плавания, путем осреднения для ряда судов, имеющих положительную характеристику мореходности по опыту их эксплуатации.

Практическая ценность. Предлагаемые подходы и методология определения дополнительного комплексного критерия мореходности и прочности для оценки эксплуатационных ограничений судов по погоде могут быть использованы на практике для совершенствования нормативных требований по остойчивости и прочности Российской федерации, Российского морского Регистра судоходства. Предоставляют возможность разработки бортовой документации для капитана нового типа, позволяющей облегчить выбор безопасных режимов движения судна на волнении. Решение указанных задач непосредственно влияет на повышение безопасности мореплавания, вносит вклад в развитие экономики за счет более рационального учета опасных факторов при проектировании судов.

· Подходы и методология определения дополнительного общего критерия мореходности и прочности при их комплексном нормировании для оценки эксплуатационных ограничений судов по погоде, которые могут быть использованы на практике для совершенствования нормативных Правил Российской федерации, Российского Морского Регистра Судоходства, разработке судовой документации для капитана.

· Методы назначения ограничений по районам и сезонам плавания на базе комплексного подхода к нормированию мореходности и прочности, основанные на условии равной безопасности для неограниченных и ограниченных по погоде условий эксплуатации судов различных категорий.

· Результаты расчетного анализа предложенных критериев мореходности и прочности для судов неограниченной и ограниченных категорий плавания.

Достоверность результатов. Основные теоретические положения и исходные допущения характеризуются непротиворечивостью, подтверждены данными статистики, подтверждены модельными и натурными экспериментами и существующей практикой эксплуатации судов ограниченной и неограниченной категории плавания. Расчетные методы проверялись систематическими расчетами для судов, находящихся в эксплуатации. судно мореходность палуба

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на отечественных и международных научно-технических конференциях: Конференция 300 лет Российскому флоту (Санкт-Петербург, Россия), STAB'97 (г. Варна, Болгария), IMAM'97 (г. Стамбул, Турция), Крыловские чтения 1998 г., MARIND'98 (г. Варна, Болгария), ISC'98 (Санкт-Петербург, Россия), IMAM'2000 (г. Неаполь, Италия), STAB'2000 (г. Лонцестон, Австралия), TEAM'2000 (Владивосток, Россия), заседаниях секции Мореходных качеств НТС РС 1997 - 2009 год, STAB'2006 (г. Рио-де-Жанейро, Бразилия). Получены Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2009 г. и Патент на полезную модель 2009 г.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 49 научных работах. Из них 28 статей, 12 докладов, 7 тезисов докладов, 1 патент на полезную модель, 1 свидетельство о регистрации компьютерной программы. 8 работ выполнено в личном авторстве, доля автора в остальных от 25 до 65%.

В изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК, опубликовано 8 статей. Из них 7 выполнено в личном авторстве, доля автора в оставшейся работе 55%.

Основное содержание работы

Во введении рассматриваются особенности современной практики назначения ограничений по району плавания и балльности волнения, отраженной в действующих Правилах классификации и постройки морских судов Российского Морского Регистра Судоходства и иностранных классификационных обществ.

Отмечается, что действующий подход к назначению эксплуатационных ограничений не учитывает особенностей мореходности судов, что может приводить к необоснованному завышению параметров волнения, при которых допускается эксплуатация судна, и необходимость, в связи с этим, расширения нормативной базы, с целью учета требований к мореходности судов.

Ставится цель расширения нормативной базы для обоснованного назначения эксплуатационных ограничений по погоде и району плавания судов при совершенствовании Правил Российского Морского Регистра Судоходства на основе общего подхода к нормированию мореходности, согласующегося с методикой разработки новой Международной конвенции о грузовой марке 2000.

Предлагаемый подход к определению дополнительного общего критерия мореходности для оценки эксплуатационных ограничений судов по погоде по условиям мореходности может быть использован на практике для совершенствования нормативных требований Регистра.

В первой главе дается обзор требований международных морских классификационных обществ в части мореходности. Систематизируется и анализируется практика назначения судам ограничений по волнению и району плавания из условий остойчивости и мореходности в разных странах мира.

Практика назначения судам ограничений по волнению и району плавания в различных странах находит свое отражение в Правилах ведущих классификационных обществ мира. Принятая этими обществами классификация учитывает особенности эксплуатации тех или иных судов и основана на принципе равной безопасности, в рамках которого снижение конкретных требований к остойчивости и мореходности компенсируется назначенными ограничениями.

Приведены данные по ограничениям, принятым основными классификационными обществами мира: Российским Морским Регистром Судоходства (РС), Английским Ллойдом (LR), Американским Бюро Судоходства (ABS), Бюро Веритас Франции (BV), Германским Ллойдом (GL), Дет Норске Веритас Норвегии (DNV), .Итальянским Регистром (RINA), Китайским классификационным обществом (CCS), Корейским Регистром (KR), Польским Регистром (PRS), Японским классификационным обществом (NKK).

На основе анализа существующей практики назначения ограничений ставится задача разработки и исследования теоретических основ для назначения эксплуатационных ограничений при нормировании мореходности и прочности морских судов, разработки методики нормативной оценки мореходности и расчетной апробация методики на основе данных по существующим транспортным судам (морским и смешанного плавания).

В отношении подхода к назначению ограничений из условий мореходности и прочности, отмечается, что в проблеме нормирования мореходности судов на первом месте, естественно, стоит задача рационального обеспечения неопрокидывания судна под воздействием ветра и морского волнения. Требования, базирующиеся на решении этой задачи, составляют основное содержание действующих норм остойчивости судов в различных странах и международных документах ИМО. Идеи и расчетные методы, лежащие в основе критериев изложены в трудах Аксютина Л.Р., Анфимова В.Н., Басина А.М., Авдеева Г.К., Благовещенского С.Н., Бойцова Г.В., Бородая И.К., Нецветаева Ю.А., Войткунского Я.И.

Нормирование для целей назначения эксплуатационных ограничений по погоде сегодня в этой части смыкается с задачей совершенствования требований Части IV “Остойчивость” Правил РС в направлении гармонизации с Международным Кодексом ИМО по остойчивости судов всех типов (Резолюция А.749(18)) и подготовки предложений по его дополнению.

Характерно, что в Кодексе ИМО большое внимание уделяется рекомендациям эксплуатационного характера. Имеется ввиду не только Информация об остойчивости для капитана, но и конкретные рекомендации при неблагоприятных погодных условиях с некоторыми впервые введенными числовыми показателями эксплуатационной мореходности (частота тяжелого слеминга, частота оголения гребного винта и др.). Кодекс, однако, не предусматривает эксплуатационных ограничений по районам и сезонам плавания судов, связанных с погодными условиями.

Предложенная в данной работе методология современного подхода к ограничениям по мореходности в принципе такая же, как и в подходе к ревизии Международной конвенции о грузовой марке LL - 1966 года и подготовке новой Конвенции и части В Кодекса, базирующихся на концепции перехода от статистических таблиц и эмпирических зависимостей к прямым расчетам характеристик мореходности с более полным учетом данных конкретного судна. Такой подход отражает повышение доверия к достижениям в области развития методов гидродинамического анализа и техники численного моделирования движения судна в условиях регулярного и нерегулярного волнения. Многочисленные результаты показывают, что бортовая качка большой амплитуды с учетом всех степеней свободы может приводить к опрокидыванию судна при движении на различных курсовых углах к волнам, в то время как ни “лаговый”, ни “попутный” “критерии погоды” часто не в состоянии выявить эти опасные ситуации. Для судов типа «река-море» опасность интенсивной качки в связи с подвижкой груза (как основной технической причиной многих аварий) на развитом волнении может оказаться более вероятной, так как большие амплитуды бортовой качки могут сочетаться с большими по амплитуде вертикальными и горизонтальными ускорениями от остальных видов колебаний. Важную роль играет также количественная оценка потери скорости хода и опасного уровня заливаемости палубы, бортового и днищевого слеминга, оголения гребного винта, снижения управляемости.

Поскольку безопасность судна на развитом волнении существенно зависит от управления скоростью и курсом судна, на первый план выступает учет роли “человеческого фактора” в критических ситуациях в отношении сохранения достаточной мореходности. Решение этой задачи связано с развитием новой технологии обеспечения эксплуатационной мореходности судна на базе бортовых компьютерных систем, которые становятся вместе с традиционной Информацией об остойчивости судна основным оперативным средством для капитана. Применение таких систем рекомендуется в документах ИМО.

При участии автора в ЦНИИМФ разработан новый вид Дополнения к информации об остойчивости для капитана по выбору безопасных режимов штормового плавания судна, предусматривающий ограничения по погоде и дополнительные конкретные рекомендации по безопасным скоростям и курсам в зависимости от загрузки и ветро-волновых условий в форме оперативных полярных диаграмм. Накоплен некоторый опыт применения на более 100 плавающих судах дополнений к информации об остойчивости и бортовых программных комплексов по выбору безопасных режимов штормового плавания.

В работе ставится задача комплексного нормирования из условий мореходности и прочности.

Разработка методологии назначения ограничений по районам и сезонам плавания на базе такого подхода к комплексному нормированию мореходности и прочности охватывает детерминированные и вероятностные характеристики, оценку общего уровня безопасности, проверку чувствительности критериев к изменению формы обводов и загрузки для судов традиционных и новых типов, развитие новых критериев для более полного отражения опасных ситуаций и создание новых средств эксплуатационного обеспечения мореходности с помощью бортовых компьютерных систем. Предложена программа подготовки методики.

Вторая глава посвящена рассмотрению методов расчета линейной поперечной и продольной качки на регулярном и нерегулярном волнении, а также методов расчета нелинейной поперечной качки и возникающих при этом силовых нагрузок на судно.

Линейная поперечная качка на регулярном волнении

В дальнейших исследованиях использована система дифференциальных уравнений поперечной качки в линейной постановке:

(1)

Значения возмущающих сил и моментов, а также коэффициентов присоединенных масс и демпфирования для каждого шпангоутного сечения определяются на основании решения линейной плоской задачи о колебаниях контура на регулярном волнении.

Для решения сформулированных граничных задач используется метод гидродинамических особенностей согласно которому симметричные относительно вертикальной оси потенциалы представляются в виде суперпозиции потенциалов плоского источника и симметричного мультиполя, а асимметричные потенциалы представляются как суперпозиция потенциалов плоского диполя и асимметричного мультиполя.

Неизвестными величинами являются интенсивности источников и диполей, а также комплексные интенсивности мультиполей. Записывая граничные условия на контуре через сопряженные с соответствующими потенциалами функции тока, получим для каждого случая системы уравнений относительно неизвестных коэффициентов комплексной интенсивности мультиполя. Системы решаются методом наименьших квадратов.

Для реализации вышеизложенного метода необходимо иметь аналитическую аппроксимацию шпангоутного контура, получаемую в результате его конформного отображения на внешность круга. Для расчета поперечной качки судов в качестве аппроксимаций шпангоутов использованы формы Льюиса, получившие широкое распространение в теории качки.

Ввиду того, что при бортовой качке основную роль играют силы вязкостной природы, для расчета коэффициентов присоединенных масс и демпфирования необходимо использовать номограммы Луговского - Фадеева или другие эмпирические формулы. Используются также получившие широкое распространение в расчетах бортовой качки формулы Авдеева-Анфимова

Нелинейная поперечная качка на регулярном волнении

Система дифференциальных уравнений поперечной качки с учетом нелинейных гидродинамических сил второго порядка имеет вид:

(2)

где вторые члены в правых частях уравнений являются нелинейными возмущающими силами.

Составляющие линейных и нелинейных суммарных горизонтальных, вертикальных сил и момента определялись на основании гипотезы плоских сечений, согласно которой все линейные и нелинейные задачи решались вначале для отдельного шпангоутного сечения, а затем найденные гидродинамические характеристики интегрировались по длине судна.

Для каждого шпангоутного контура составляющие нелинейных сил определялись посредством интегрирования гидродинамического давления по смоченной поверхности данного контура. Все потенциалы второго порядка определены на основании решения соответствующих нелинейных задач с учетом нелинейных граничных условий на свободной поверхности и на контуре. С учетом изложенного выведены окончательные выражения для всех составляющих нелинейных сил и момента.

Решение системы (2) находится в работе в виде:

(3)

Дважды дифференцируя выражения, подставляя найденные производные в и приравнивая коэффициенты при соответствующих функциях времени, получим две системы уравнений относительно неизвестных составляющих и , соответственно. Следует отметить, что вторая из полученных систем, вследствие зависимости суммарных нелинейных сил и момента от амплитудных характеристик, может быть решена только после решения первой системы.

Зная значения амплитуд первого и второго порядка, можно определить ускорения изолированных видов качки: вертикальной, бортовой и поперечно-горизонтальной и совместных: бортовой и вертикальной, бортовой и поперечно-горизонтальной в разных точках корпуса судна.

Продольная качка на регулярном волнении

Определив все действующие на судно силы с точностью до второго порядка малости, можно составить систему уравнений продольной качки корабля. Она будет иметь вид:

(4)

где - суммарные сила и момент первого порядка, определяемые в результате решения линейной задачи:

(5)

После определения составляющих амплитуд первого и второго порядков и ,могут быть найдены линейные, нелинейные и суммарные ускорения, возникающие при изолированных вертикальной, килевой качке и их взаимодействия.

Поперечная и продольная качки на нерегулярном волнении

Расчет вероятностных характеристик качки по заданным вероятностным характеристикам двухмерного волнения выполняется на основании формулы А.Я. Хинчина:

(6)

Также рассчитываются передаточные функции, псевдоспектры перемещений и ускорений в случае взаимодействия отдельных видов качки, а именно: бортовой и вертикальной, бортовой и поперечно-горизонтальной и вертикальной и килевой.

Псевдоспектры перемещений и ускорений определяются обычным способом.

Вертикальные перерезывающие силы и изгибающие моменты

Прочность судовых конструкций является одним из основных факторов обеспечения безопасности плавания и эксплуатационной надежности судов. Для оценки прочности требуются знания нагрузок, действующих на судно в различных условиях эксплуатации, и вызываемых ими напряжений в связях корпуса. От величины этих напряжений зависят статическая и усталостная прочность элементов корпуса и, в конечном счете, его надежность.

Для расчета прочности судов, испытывающих воздействие волнения, в общем случае необходимо знание дополнительных (по отношению к условиям на тихой воде) давлений на смоченную поверхность корпуса и распределенных по корпусу сил инерции масс судна. Те же силы, действующие на судно на волнении, определяются в задачах мореходности, что позволяет в исследованиях прочности опираться на достижение теории качки. В работе приводится метод расчета перерезывающих сил и изгибающих моментов с учетом нелинейных гидродинамических сил и моментов второго порядка. Общие выражения для вертикальной перерезывающей силы и вертикального изгибающего момента имеют вид:

(7)

где - силы тяжести;

- инерционно-демпфирующие силы;

- гидростатические силы;

- волновые компоненты гидродинамической нагрузки.

Проверка работоспособности изложенных методов проводилась путем сравнения полученных результатов с некоторыми имеющимися теоретическими и экспериментальными данными. Проведенные сравнения позволяют сделать вывод о том, что влияние эффектов, связанных с трехмерностью, на значения нелинейных сил практически не проявится, поскольку данные силы являются меньшими по величине по сравнению с линейными. Таким образом, вполне правомерно применять метод плоских сечений для расчетов поперечной качки удлиненных судов.

Расчеты АЧХ нелинейной поперечной и продольной качки проводились для различных типов судов. В работе приводятся результаты исследования влияния на значения АЧХ, вычисленных по нелинейной теории, таких факторов как: изменение метацентрической высоты, изменения B/T, взаимодействие отдельных видов качки, изменение скорости хода. Проведен также анализ результатов расчетов вертикальных перерезывающих сил и изгибающих моментов, возникающих при продольной качке судна. Расчеты данных величин проводились с учетом нелинейных гидродинамических сил для различных типов судов.

На основе анализа результатов расчетов делается вывод о целесообразности дальнейшего использования линейной модели, учитывая малое влияние нелинейности.

В третьей главе производится формирование эксплуатационных показателей и ограничений мореходных качеств морских судов. Предлагается следующая классификация показателей мореходности, предназначенная для дальнейшего использования при формулировке соответствующих требований:

- частные показатели;

- краткосрочные показатели;

- долговременные показатели.

Частные показатели мореходности определяются высотой волны 3% обеспеченности, превышение которой для судна, двигающегося с наибольшей достижимой скоростью, должно вызвать намеренное ее снижение, или изменение курса из-за превышения тех или иных характеристик мореходности. Это изменение режима движения производится прежде всего с целью обеспечения безопасности плавания.

На рис. 1 представлена обобщенная схема определения частных показателей (критериев) мореходности и построения диаграмм, необходимых для формирования в дальнейшем краткосрочных показателей.

Автором производится уточнение расчета характеристик мореходности: качки, относительных перемещений корпуса судна на волнении, его линейных ускорений и остойчивости, то есть характеристик, от которых зависят все критерии мореходности.

Рис. 1. Схема расчета частных критериев мореходности и полярных диаграмм

Качка.

Для полной характеристики мореходности судна необходимо учитывать все виды колебаний, поскольку они могут нормироваться самостоятельно или проявиться во взаимодействии с основными, влияя как на амплитудные, так и на фазовые соотношения. Последнее наиболее существенно при расчетах относительных перемещений и ускорений. Анализ мореходности, таким образом, должен предусматривать, строго говоря, гидродинамический расчет шестикомпонентной взаимосвязанной качки судна в линейной и нелинейной постановке, как это предложено в главе 2. Расчеты качки были произведены для ряда судов. Из анализа результатов следует, что расчет дает не только логически закономерные результаты по величинам и характеру зависимости показателей мореходности от параметров режимных условий (скорости судна, высоты и среднего периода волнения),но и хорошую сходимость с экспериментальными данными.

Относительные перемещения и показатели заливаемости судна

Исходными для формирования системы оценок заливаемости судна являются данные о колебаниях волны относительно его корпуса. Для случая движения судна вразрез двухмерному волнению относительные перемещения волны определяются соотношением

(8)

где - ордината профиля волны у борта, - вертикальная и килевая качка, - расстояние от ЦТ судна до рассматриваемого сечения. В случае движения судна на волнении произвольным курсом, формула для относительных колебаний будет иметь более сложный вид, учитывающий также бортовую качку.

Оценка подверженности судна заливанию в показателях мореходности играет большую роль. Это связано, как с задачей об эксплуатационных ограничениях по погоде, так и с разработкой при участии автора методики расчетов рационального надводного борта при подготовке требований новой международной Конвенции по грузовой марке судов ISLL-2003, в особенности, применительно к судам нетрадиционных типов.

Прежде всего, необходимо иметь комплекс количественных показателей для краткосрочного прогноза поведения судна на волнении, то есть для каждого режима плавания, характеризуемого параметрами состояния судна (нагрузка, посадка, остойчивость и др.), движения судна (скорость, курс) и условий плавания (ветер, волнение, течение, глубина моря).

В настоящей работе предложена следующая система показателей заливаемости судна в штормовых условиях.

Вероятность P_S заливания через борт в районе шпангоутного сечения судна на расстоянии от носового перпендикуляра:

, (9)

где - эффективная высота, надводного борта, м; - стандарт (среднеквадратичное отклонение) ординат процесса вертикальных колебаний поверхности воды у борта относительно уровня , м.

При этом

, (10)

где Н_б - геометрическая высота борта, м; d - осадка, м; d - изменение осадки при движении на тихой воде, м; Z_V - ордината ходовой волны у борта, м; h_p - расчетная высота палубных конструкций, м.

Высота h_p принимается по условиям расчета. Так, при расчетах заливания палубы h_p=0, а при оценке, например, заливания люковых закрытий считается, что , где h_k - высота комингса, м; h_H - высота нормативного статического напора воды из расчета водонепроницаемости люковых крышек, м.

Для определения наибольшей ординаты носовой ходовой волны используется формула, предложенная Тасаки,

, (11)

где l_E - относительная длина носовой части корпуса судна до цилиндрической вставки (при ).

Величина определяется через стандарт относительных вертикальных перемещений с учетом влияния обтекания корпуса:

, (12)

где , - стандарт и средняя частота процесса относительных вертикальных перемещений корпуса в сечении x.

Выражение в скобках в формуле (12) является эмпирической поправкой, учитывающей явление дифракции.

Среднее число заливаний n_S за время t₀:

, (13)

где - средний период процесса относительных вертикальных перемещений корпуса.

При показатели P_S и n_S идентичны, то есть среднее число заливаний за время, равное среднему периоду, равно вероятности заливания. При оценке мореходности используется обычно число заливаний в час (t₀ = 3600 с);

- характеристика заливания:

Для случайного процесса относительных перемещений z(t) рассматривается характеристика как случайная величина, определяемая следующим образом:

(14)

где единичная функция

Среднее значение - характеристики равно

, (15)

где P(z) - плотность вероятности (закон распределения) ординат z(t).

Поскольку z(t) - нормальный случайный процесс, дает возможность получить простые выражения для расчета среднего общего относительного времени заливания за длительный период (), суммарную площадь под траекторией процесса z(t) выше уровня , соответствующие статические моменты и так далее, а также общую среднюю высоту равномерного слоя воды на палубе за время t₀.

Для практических оценок служат также следующие показатели:

Среднее общее относительное время заливания :

, (16)

где - интеграл вероятности (функция Лапласа).

График зависимости величины от отношения стандарта к эффективной высоте борта представлен на рис. 2.

Средняя высота воды при равномерном заливании палубы

. (17)

Величина h_S характеризует условия заливания в среднем за длительное время, как бы объединяя показатели и . График зависимости величины h_S от отношения стандарта к эффективной высоте борта приведен на рис.2.

Средняя длительность каждого погружения палубы в воду t_S:

. (18)

Графики зависимостей и от также представлены на рис.2.

Средний объемный расход забортной воды при заливании :

Этот показатель необходим для оценки количества воды, попадающей при заливании в открытый трюм или палубный колодец. Величина может быть определена по формуле:

, (19)

где - расход воды, м³/с; V - средняя скорость судна; l_T - длина раскрытия трюмного люка (колодца), м; - относительный стандарт; - относительная расчетная скорость поступления воды в трюм; - относительная длина заливания; . График зависимости величины от отношения стандарта к эффективной высоте борта приведен на рис. 2.

Для нормативной оценки величины представляется достаточным использовать следующие упрощенные формулы для и :

, (20)

где с - скорость перемещения профиля волны, м/с (); b_T - ширина раскрытия трюмного люка (колодца), м.

Показатель используется для нормирования заливаемости контейнеровозов открытого типа

при назначении грузовой марки.

Сводный график всех основных относительных показателей заливаемости, рис. 2, дает общее представление о характере и количественных соотношениях их зависимостей от интенсивности погружения палубы по сравнению с эффективной высотой надводного борта.

Все показатели связаны с интенсивностью и периодом погружения палубы в воду. С ростом вероятности заливания растут и все остальные показатели. Предельные оценки по заливаемости существенны для анализа мореходности судов ограниченного плавания, имеющих малый надводный борт. Так, при отсутствии запаса надводного борта средняя высота воды на палубе при ее равномерном заливании не может быть больше величины , что дает возможность достаточно просто оценить, например, максимальную статическую нагрузку на люковые крышки. По максимальной величине параметра можно оценить наибольший возможный средний объемный расход воды , влившейся в открытый трюм или палубный колодец. Величина наиболее просто контролируется на мореходных модельных испытаниях и используется при проектных проработках различных конструктивных мер защиты от заливания.

Для расчетного прогноза описанных выше характеристик заливаемости как частных показателей мореходности судов, разработана программа, базирующаяся на спектральном методе определения характеристик качки.

Программа составлена с использованием средств Visual Basic 5.0. Информация по форме судовой поверхности и некоторые другие исходные данные вводятся через внешний файл. Вся необходимая для работы программы исходная информация, кроме описания судовой поверхности, отображается на экране и может быть откорректирована непосредственно на экране или введена с экрана заново. Результаты работы программы, содержащие как текстовую, так и графическую информацию, оформляются в виде, пригодном для непосредственного включения в отчетный документ. Все величины, кроме координат точек шпангоутов, описывающих судовую поверхность, могут быть откорректированы с экрана после запуска программы и считывания файла с исходной информацией.

Описываемая программа имеет два основных режима расчета заливаемости: для всех заданных точек палубы или для выбранных точек палубы. В первом режиме рассчитывается заливаемость для заданного волнения, скорости судна и курсового угла. В качестве аргумента при построении графиков используются абсциссы заданных точек палубы, а одну из названных величин можно проварьировать как параметр, для каждого значения которого будет построен график зависимости от того же аргумента. Во втором режиме расчет выполняется для ряда высот волн, заданных в качестве аргумента, и при заданных величинах скорости хода судна и курсовом угле. Одну из последних величин (как и для первого режима) можно проварьировать как параметр. Особо следует отметить, что только при задании высоты волны как аргумента возможно формирование отчета о заливаемости для выбранной точки на палубной линии. Точку на палубной линии можно выбрать из заданной таблицы точек линии палубы, или же ее можно выбрать после завершения варианта расчета на построенных графиках, например, точку линии палубы, в которой наблюдается наибольшее заливание. Все расчеты могут выполняться как с учетом, так и без учета ходовой волны.

Расчеты характеристик заливаемости по разработанной программе также выполнены для т/х «Борис Полевой».

Показано, что, благодаря высокому надводному борту, даже в условиях сильного шторма на неблагоприятных курсах частота заливания мала. Тем не менее, если заливание все же происходит, средняя величина часового объема воды, влившейся в трюм относительно небольших размеров (l_T=124.7м, b_T=24.5м), может быть достаточно велика.

Следует обратить внимание на критерий =0.05 (5%), согласованный в ИМО для нормирования высоты надводного борта. Эта нормативная величина определяется для поперечного сечения 0.1L от НП для судна в полном грузу на встречном волнении. Она хорошо согласуется с принятой в настоящей методике рекомендацией Аэртссена (=7 за 100 периодов килевой качки).

Рис. 2. Сводный график зависимостей характеристик заливаемости от отношения к эффективной высоте борта

Линейные ускорения

Существуют определенные типы судов, для которых необходимо вводить ограничения по ускорениям при качке в море, связанные либо с видом перевозимого груза, либо с назначением, либо с необходимостью выполнения тех или иных условий безопасной эксплуатации. В частности, среди критериев мореходности для судов ограниченных районов плавания по условиям погоды одним из основных выступает критерий ускорений. Критерии для характерных расчетных амплитуд вертикальной ускорений в общем подтверждают принятую Регистром норму 0,3g, либо норму 0,25g для величины ускорения, рассчитываемого по формуле, согласованной с ИМО.

Хорошо известно, что повышенные ускорения при качке создают опасность смещения грузов, снижают работоспособность команды и вызывают «морскую болезнь» у пассажиров, ограничивают возможности использования судовой техники.

В основном учитываются вертикальные ускорения от бортовой качки, однако иногда нормируются суммарные вертикальные ускорения в различных комбинациях видов качки: бортовая + вертикальная (на верхних палубах, на мостике), килевая + вертикальная (на носовом перпендикуляре). В последние годы появились данные о существенном влиянии на самочувствие людей угловых ускорений от бортовой качки и горизонтальных ускорений от поперечно-горизонтальной качки, причем, как оказалось, последние играют значительную роль в возникновении ошибок экипажа во время эксплуатации судна («человеческий фактор» в управлении судном и проведении различных работ).

Следующие факторы заставляют прибегать к нормированию ускорений:

· Биологические. Качка вызывает у персонала и пассажиров «морскую болезнь». Основная причина укачивания -- физиологическое влияние на человеческий организм угловых и линейных ускорений, возникающих при качке судна. Порог чувствительности людей к угловым ускорениям находится в пределах 2-3 град/с², а к вертикальным 0,04-0,12 м/с². Особенно интенсивно морская болезнь развивается, когда вертикальные ускорения достигают примерно 0,1g ? 1 м/с². Вертикальные ускорения в конкретной точке судна являются следствием не только линейных, но и угловых колебаний. Поэтому наибольшие вертикальные ускорения бывают в оконечностях судна.

Кроме этого качка судна влияет на способность экипажа выполнять рабочие операции в связи с потерей равновесия от горизонтальных ускорений. В центре Д. Тейлора были проведены исследования потерь времени при выполнении различных операций членами команды. По результатам этих исследований разработан универсальный показатель MII (Motion Induced Interruptions - перерывы в работе, вызванные движением), представляющий собой показатель состояния равновесия членов команды. Он характеризует возникновение условий, при которых человек для удержания равновесия неизбежно должен ухватиться одной или двумя руками, либо изменить позу. Основное влияние на MII оказывают значения относительных горизонтально-поперечных ускорений ; эти значения классифицируются по уровням риска:

- Первый уровень соответствует = 0,08. При таком уровне на каждые 18 операций, осуществленным членом команды, 1 раз будет наблюдаться потеря им равновесия (MII = 0,06).

- Второй уровень при = 0,1 соответствует 1 случаю потери равновесия для каждых 2 операций (MII = 0,5).

- Серьезный уровень возникает при =0,12 -- 1,44 случая потери равновесия на 1 операцию (MII = 1,44).

- Высокий уровень риска (MII = 2,61) возникает при = 0,14.

- Чрезвычайно опасные условия (MII ? 4) возникает при ? 0,16.

Как мы видим, при росте поперечно-горизонтальных ускорений члены команды стремительно теряют работоспособность. В качестве порогового, вероятно, необходимо выбирать =0,1.

· Эксплуатационные. К ним относятся смещение контейнеров, сыпучих и лесных грузов, раскачивание подвешенного груза на гаке плавучего крана, ухудшение, а иногда и невозможность работы главных и вспомогательных механизмов.

· Прочностные. Общая прочность корпуса и прочность отдельных конструкций (носовых и кормовых оконечностей, конструкций кранов и грузовых стрел и т.д.).