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

Эксплуатационные и прочностные факторы для транспортных судов, в основном учитываются при обеспечении безопасной технологии морских грузовых операций и перевозок. Они учтены в соответствующих национальных и международных Правилах. Прежде всего, это нормативы по контролю остойчивости судов при перевозке зерновых и других видов навалочных грузов, предусматривающие оценку условий безопасной перевозки сыпучего груза с косвенным учетом инерционных при качке. Далее, при нормировании эффективности устройств, крепяших генеральные грузы применяются расчетные методы, основанные на прямом определении внешних сил по нормативному ускорению. Например, по Циркуляру ИМО (КБМ № 664) проверка упрощенным методом выполняется для поперечных ускорений (1,0g), либо при полном расчете по указанным в табл. 3.8 нормативам для судов неограниченного района плавания.

Следует отметить, что при расчете креплений учитываются как дополнительно силы от ветрового давления и «всплеска» волны (1kН/м²), которые могут воздействовать на палубный груз, так и возможность повышения нормативных величин ускорений, если амплитуда бортовой качки превышает 30, или судно испытывает удары о встречную волну. Рекомендуется при этом предусмотреть возможность снижения скорости хода или изменения курса.

Сопоставляя различные данные по ускорениям, можно видеть, что нормативы в расчетах крепления груза значительно жестче. Обеспечение несмещаемости груза под воздействием ускорений при качке имеет, таким образом, достаточно развитую нормативную базу. При этом имеющиеся предложения по эксплуатационным ограничениям основаны на корректировке расчетных амплитуд качки согласно методике требований к остойчивости по критерию погоды.

Попутно отметим рекомендации по непосредственному ограничению амплитуд бортовой качки при нормировании эксплуатационной мореходности. Например, ограничение значительных амплитуд на уровне 8 - 10 град. Для наиболее тяжелых условий выживаемости корабля указывается норма (принято в ВМФ США).

В Правилах классификации и постройки морских судов Российского Морского Регистра Судоходства введены ограничения по линейным ускорениям для сухогрузных судов с соотношениями , или (здесь h - начальная поперечная метацентрическая высота, B - ширина судна, d - осадка), а также для судов смешанного плавания.

Разработчики ограничений для судов смешанного плавания, учли «…пересыпание сыпучего груза, передвижки плохо закрепленного груза, особенно палубного, ухудшение условий работы механизмов, укачивание судового экипажа, …опасные напряжения в связях судового корпуса». Таким образом, они как бы создали универсальное средство, учитывающее все три группы факторов, о которых мы говорили выше.

Во многих странах либо судовладельцы, либо страховые общества вводят ограничения по вертикальным ускорениям на борту, на носовом перпендикуляре, на ходовом мостике и т.д.

Вследствие важности показателя мореходности по ускорениям в Нормах Регистра СССР основные предложения в виде критерия ускорения для судов смешанного плавания были разработаны еще в 1971 году. Эти идеи с небольшими изменениями в методике расчета дожили до наших дней. Смысл их следующий.

Остойчивость по критерию ускорения считается приемлемой, если в рассматриваемом состоянии нагрузки расчетное ускорение не превышает допустимого значения 0,3g, т.е. выполняется условие:

, (21)

где - расчетное ускорение в долях g, определяемое по формуле, получаемой с помощью правил механики

(22)

- собственная частота бортовых колебаний судна;

- амплитуда бортовой качки судна;

=1,2 - коэффициент, учитывающий вертикальную качку.

В последующих редакциях Правил с учетом особенностей качки судов смешанного плавания формула (22) была преобразована и в настоящее время имеет вид:

(23)

Здесь - нормируемая частота собственных колебаний судна;

m₀ - коэффициент, определяемый в зависимости от ;

z_g - аппликата ЦТ судна;

- водоизмещение судна.

В формулу (23) закладывается плечо до расчетной точки т.е. ускорения определяются в районе мидельшпангоута (грузовых трюмов) на ГВЛ у борта судна.

Ввиду отсутствия в 1974 году данных по коэффициентам уравнений качки для судов с соотношениями ширины и осадки , коэффициентом полноты и метацентрической высотой, характеризующейся параметром , расчетные амплитуды качки было предложено определять по данным натурных испытаний и серийных модельных испытаний, проведенных в ЛКИ и обработанных ЛИВТ'ом.

При анализе ограничений по ускорениям возникают вопросы, связанные с нормой по величине предельного ускорения (0,3g), корректностью учета вертикальной качки, а также используемом при нормировании значении амплитуд качки.

Отметим также, что ограничения по ускорениям введены только для судов смешанного плавания и для некоторых морских транспортных судов, в то время как целесообразно вводить их для пассажирских судов, паромов, крановых судов, самоподъемных плавучих буровых установок и т.д. Для учета «человеческого фактора» должны быть также проанализированы поперечно-горизонтальные ускорения.

Для критериальной оценки ускорений при составлении алгоритмов расчета в настоящей работе рассматривалось два характерных режима движения судна: лагом к волнению и вразрез волнам. Для обоих режимов разработаны соответствующие программы расчетного прогноза ускорений. При движении лагом к волнению колебания судна описываются системой взаимосвязанных уравнений бортовой качки и поперечно-горизонтальных колебаний, а также уравнением вертикальной качки. В случае расположения судна вразрез волнам решается взаимосвязанная система килевой и вертикальной качки. Необходимо особо отметить, что алгоритм (программы) расчета качки судна с последующим вычислением ускорений составлен как в линейной постановке, так и с учетом нелинейного характера действующих гидродинамических сил, как это описано во второй главе.

В процессе разработки программ тестовые расчеты производились для двух судов:

судна смешанного плавания типа «Волго-Балт»;

транспортного морского судна «Новгород».

При расчетах варьировалась загрузка судов (соответственно, осадка и остойчивость). Загрузка и остойчивость судна «Новгород» подбиралась таким образом, чтобы собственные периоды бортовой и вертикальной качки были близки соответственным периодам для «Волго-Балта.

Расчеты были проведены на волнении типа «мертвая зыбь» (регулярные волны) и на ветровом, нерегулярном волнении.

Плавание на волнении типа «мертвая зыбь»

Расчеты вертикальных ускорений на борту от вертикальной и бортовой качки для обоих судов при движении лагом к волнению показывают, что вклад этих видов качки в суммарные вертикальные ускорения меняется в зависимости от соотношения собственных частот. Иногда доля ускорений от вертикальной качки превосходит долю ускорений от бортовой качки, поэтому уже сейчас можно сказать, что введенный в Правила РС коэффициент, учитывающий долю вертикальных ускорений (), имеет под собой довольно слабое обоснование.

Вклад бортовой качки в общий баланс горизонтальных ускорений для обычных случаев нагрузки (метацентрическая высота до 2 м) составляет 15-20%, причем сами ускорения составляют 0,15-0,20g, но при больших метацентрических высотах он может достигать 60% и суммарные ускорения значительно превосходят допустимые для горизонтальных ускорений .

При движении судов вразрез волнам амплитудные значения ускорений на носовом перпендикуляре оказываются несколько больше, чем на кормовом, что связано, вероятно, с большей полнотой кормовой оконечности судов и смешением ЦТ площади ватерлинии в корму.

Необходимо отметить значительное влияние на ускорения величины скорости хода судна. Линейные вертикальные ускорения в условиях «мертвой зыби» могут достигать 0,8g при скорости V = 10 узлов.

Анализ результатов тестовых расчетов и ситуации с критериальными оценками линейных ускорений приводит к следующим выводам:

1) амплитуды бортовой качки судна смешанного плавания и транспортного судна при близких B/T и практически не отличаются друг от друга, в то время как в Правилах РС амплитуды бортовой качки судов смешанного плавания больше на 30-60%;

2) расчеты вертикальных ускорений показали, что вклад бортовой и вертикальной качки в ускорения фиксированной точки (например, угла палубы у борта) может быть различным. Чаще всего доля ускорений от вертикальной качки больше, чем доля ускорений от бортовой качки, и только в тех случаях, когда резонансы бортовой и вертикальной качки близки, эти доли примерно равны. Вместе с тем в Правилах РС предполагается, что основные ускорения возникают от бортовой качки, а на вертикальную качку вводится поправочный коэффициент . В дальнейшем этот коэффициент необходимо будет откорректировать, но поскольку опыт многолетней эксплуатации показал, что удовлетворение критерию ускорений в ныне существующей форме не приводит к отрицательным последствиям, этот критерий можно в настоящее время не корректировать.;

3) расчеты горизонтальных ускорений показали, что они могут быть значительными и могут превосходить предлагаемые рядом авторов ограничения = 0,2g;

4) основной вклад в вертикальные ускорения на носовом перпендикуляре при движении судна вразрез волне вносит килевая качка (до 80%), а вклад вертикальной качки горазда меньше (до 20%);

5) на вертикальные ускорения при продольной качке судна существенно влияет скорость хода.

Имея в виду совершенствование нормативов по линейным ускорениям при качке судов, необходимо отметить, что могут быть предельными (из соображений обитаемости и т.д.) не только вертикальные ускорения на борту судна, но и горизонтальные на борту или в какой либо другой точке (капитанский мостик, жилые палубы и т.д.) при поперечной качке.

В четвертой главе выполнена разработка методики формирование эксплуатационных ограничений по условиям общей и местной прочности морских судов. Ведены частные показателями прочности корпуса на волнении, основанные на выполнении отдельных условий: общей продольной прочности корпуса судна на волнении; местной прочности корпуса при воздействии волн (слеминг); прочности фундаментов главных и вспомогательных механизмов. Производится выбор диапазона внешних факторов, которые включаются в состав регламентирующих. Рассматриваются методы силового анализа взаимодействия судна с волнением.

Показатели общей прочности корпуса судна

Движение судна при курсовых углах значительно отличающихся от 0 и 180 вызывает не только изгиб корпуса в вертикальной плоскости но и его кручение. Традиционно отечественные и зарубежные исследователи предпочитают анализировать напряженно-деформированное состояние корпуса в целом под действием волновых нагрузок с помощью одномерной модели - балки, которая подвергается изгибному деформированию в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а так же деформациям скручивания. Такое положение можно объяснить широким применением балочных моделей в технике.

Публикации зарубежных классификационных обществ позволяет сделать вывод о последовательном отказе от балочной модели при анализе общей продольной прочности. Учет комплексности поведения корпуса судна на волнении возможно с помощью исследований в следующих направлениях:

Совместное решение задач анализа напряженно-деформированного состояния корпуса с помощью трехмерных моделей судового корпуса и задачи динамического поведения судна на волнении (задача динамики судна). Результат решения задачи динамики корабля целесообразно представлять в виде зависимости давлений по смоченной поверхности от времени и аналогичной зависимости шести компонент вектора ускорений от времени;

Применение для анализа напряженно - деформированного состояния трехмерных конечно - элементных моделей.

Конечным количественным результатом оценки общей продольной прочности на волнении заданной интенсивности является полярная диаграмма безопасных режимов движения в координатах - курсовой угол относительно направления бега волн, v - скорость движения судна. Режим движения считается допустимым, если выполняется условие прочности _max ? _{доп .}

Используемый критерий представляет собой статический критерий прочности по эквивалентным напряжениям Губера-Мизеса, получаемым при использовании трехмерной модели конечно-элементной корпуса с нагрузками, полученными в рамках работ, приведенных в главе 2 (гидродинамические волновые давления на корпус с учетом нелинейности).

Оценка достоверности применяемого подхода проводилась по результатам испытаний в ноябре 2004 года судна смешанного плавания СТК 1031. Судно СТК-1031 предоставленное для испытаний судовладельцем АО «ВОЛГА-НЕВА» является одним из серийно строившихся судов смешанного плавания.

Показатели местной прочности конструкций

Показатели местной прочности конструкций корпуса при слеминге

Повреждаемость конструкций при слеминге довольно высока. По оценкам Н.В. Барабанова, доли повреждений конструкций носовой оконечности по признаку причины их вызывающей, могут распределиться следующим образом:

слеминг - 40% от всего объема повреждений;

ледовое воздействие - 5% от всего объема повреждений;

совместное воздействие слеминга, ледяного покрова, посадки на грунт (т.е. причины не установлены) - 55% от всего объема повреждений.

По предложению представителей дальневосточной судостроительной школы можно использовать следующий показатель склонности судна к слемингу

, (24)

где - число Фруда, v - скорость судна;

L - длина судна между перпендикулярами, g - ускорение свободного падения;

- продольный радиус инерции масс судна, I₀ - собственный момент инерции масс судна относительно поперечной оси, M - масса судна;

T_н - осадка носом.

В рамках работы выполнены натурные измерения реакции корпусной конструкции носовой оконечности были проведены на пароме «Георг ОТС» в ноябре 2005 г на линии Санкт-Петербург - Калининград - Санкт-Петербург. Сопоставление результатов измерений с теоретическими расчетными моделями давления при слеминге проводилось по следующей схеме:

1) интегрирование показаний датчиков ускорения позволяло вычислять скорости соударения, включая вектор скорости, нормальный к наружной обшивке в районе установки тензодатчиков;

2) тарировочные коэффициенты тензодатчиков позволяли восстанавливать суммарную нагрузку на шпангоут;

3) по значениям суммарной нагрузки и геометрии носовой части судна вычислялось среднее давление при слеминге;

4) определялась по критерию невязки с результатами измерений наилучшая модель прогнозирования гидродинамических давлений.

Общая структура большинства моделей расчета давлений при слеминге следующая:

, (25)

где - плотность воды;

V - нормальная скорость соударения поверхности корпуса с волновой поверхностью и находящаяся в диапазоне 3 - 12 м/сек для водоизмещающих судов;

k - коэффициент, зависящий, в общем случае, от параметров формы корпуса, и размерений судна.

По результатам измерений наилучшее приближение дал коэффициент

, (26)

где относительное положение района по ширине судна;

;

- угол наклона шпангоута;

k() - функция, получаемая экспериментальным путем.

Полученная модель давлений при слеминге позволила построить круговую диаграмму безопасных скоростей при слеминге в зависимости от скорости движения судна и курсового угла относительно волнения по критерию местной прочности бортовых конструкций при условии _max,s?_доп (_max,s - максимальные напряжения от слеминга, _доп -допускаемые напряжения).

Локальная прочность конструкций по действием инерционных нагрузок, вызванных качкой судна

Третий вид нагрузок, который необходимо учитывать в качестве частного критерия при взаимодействии судна с волнением - инерция при качке тяжелого оборудования и груза, передаваемая на фундаменты и конструкции, ограничивающие грузовые помещения, балластные танки, цистерны жидких запасов. Дополнительная инерционная нагрузка на конструкцию может быть определена так

. (27)

Здесь - массовая характеристика оборудования, груза, запасов или балласта (масса, момент инерции масс, плотность и т.д.);

- линейное или угловое ускорение соответствующего направления.

Условие локальной прочности фундаментов под действием ускорений при качки

_max,f ? _доп,, (28)

где _max,f - максимальные напряжения в конструкции фундамента под действием ускорений при заданных , v и h_3% .

Долгосрочные эксплуатационные показатели прочности

В последнее время существенно возрастает интерес к долговременной количественной (формальной) оценке безопасности эксплуатации судов, выражающейся в конечном итоге в определении степени риска ее неблагоприятных проявлений, приносящих моральный и экономический ущерб. В связи с практической невозможностью обеспечения абсолютных гарантий полной безопасности эксплуатации любых транспортных средств, в том числе и судов, возникает задача оценки допустимой, оптимальной - экономически оправданной меры риска отказов надежности функционирования различных компонентов сложных технических систем, которые представляют собой современные суда.

Долгосрочные показатели общей прочности подразумевают оценку усталостной прочности отдельных узлов судового корпуса. Отсутствие усталостных трещин с ошибкой в безопасную сторону возможно при выполнении условия:

_max,0 ? _-1 , (29)

где _-1 - предел выносливости судокорпусной стали, _max,0 - максимальные напряжения в узле, которые можно оценить, зная коэффициент концентрации напряжений в узле. Обычно коэффициент концентрации в узлах получают в предположении отсутствия кручения и нагружения узла только продольными усилиями. При наличии кручения необходимо ввести зависимость _max0, от не только от продольных номинальных напряжений, но и от касательных напряжений, возникающих, при кручении. Таким образом коэффициент концентрации становится функцией нагружения узла. Автор предлагает проводить расчет коэффициента концентрации для узлов, которые по опыту эксплуатации наиболее подвержены появлению усталостных трещин по следующему алгоритму:

Генерируется конечно-элементная модель узла. Для большей оперативности разработки документа по назначению судоводителю безопасных режимов движения целесообразно создать библиотеку параметрических моделей конечно-элементных моделей узлов. За основной силовой фактор при оценке коэффициента концентрации принимаются общие продольные усилия . Усилия, вызванные кручением _кр описываются в долях от продольных усилий _кр = R.

В заключении четвертой главы сформированная модель примененена к практическим задачам оптимизации запасов прочности.

Пятая глава посвящена разработке комплексной нормативной базы Российского регистра по эксплуатационным ограничениям судов из условий мореходности и прочности.

Эксплуатационные ограничения из условий мореходности.

Требуется оценить запас мореходности судна как интегральную характеристику, обеспечивающую его безаварийное функционирование на режимах штормового плавания при всех состояниях погоды до определенного ограничения по интенсивности ветра и волн. Нарушение установленных Регистром ограничений эксплуатации судна по погоде понимается при этом как ситуация, когда нет возможности сохранить контроль режимов штормового плавания и судно вынуждено переходить к штормованию.

Для такой оценки автором предлагается подход, основанный на использовании показателя F_s в качестве функции распределения вероятности благоприятных (безопасных) режимов штормового плавания судна при удовлетворении всем основным критериям остойчивости для рассматриваемого варианта нагрузки. В качестве основного в данной работе (первая схема) принимается показатель M_s:

, (30)

где - допускаемое значение высоты волн, м;

- нормативное значение высоты волн, м.

Показатель M_s имеет смысл относительного интегрального значения вероятности благоприятных (безопасных) режимов штормового плавания на волнении всех интенсивностей в диапазоне 0 .

В соответствии с предложением автора, нормирование базируется на условии равной безопасности по показателю M_s для неограниченных и ограниченных по погоде условий эксплуатации судов различных категорий. Принципиальная схема показана на рис. 3.

Рис. 3 Принципиальная схема нормирования по показателю M_s

Исходя из назначаемой нормативной высоты волн , для условий неограниченного плавания определяется значение . Нормативная величина рассчитывается в данной работе путем осреднения для ряда судов неограниченной категории плавания, имеющих положительную характеристику мореходности по опыту их эксплуатации. Допустимая величина при ограничении эксплуатации судна по погоде определяется исходя из критерия:

. (31)

Величины M_s и рассчитываются для конкретных условий погоды. При этом определяется для условий Северной Атлантики.

Согласно подходу Регистра, верхним пределом допускаемого значения высоты волнения для судов ограниченных категорий по погоде считается = 8.5 м. При этом значении h_3% для нормативных условий прибрежного плавания в Северной Атлантике в зимний сезон получим величину обеспеченности Р_с = 1 - F () = 0.07. Принимая обеспеченность Р_с = 0.07 в качестве нормативной при всех условий плавания, имеем для судов неограниченной категории плавания соответствующую величину = 10.2 м при наиболее тяжелых условиях плавания зимой в Северной Атлантике. На этом основании принимается высота волны = 10.0 м.

Величина определяется для сезонных условий погоды в районах эксплуатации судна, имеющих ограничения по погоде при рассматриваемом варианте его загрузки. Этот достаточно простой подход может отразить влияние индивидуальных параметров судна, условия его загрузки (посадки и остойчивости), района и сезона плавания. Таким образом, расчетная схема может быть использована для количественного обоснования решений о назначении ограничений по погоде. Очевидно, что нормативные значения должны быть обобщены на базе представленных статистических данных по судам неограниченной категории плавания.

Альтернативная схема нормирования, по мнению автора, может быть построена, если использовать показатель (вторая схема нормирования):

. (32)

Этот показатель представляет собой относительную величину интегральной вероятности благоприятных режимов штормового плавания по отношению ко всем возможным режимам для волнения с высотой в диапазоне от 0 до . Допускаемая величина высоты волн при ограничении эксплуатации судна по погоде определяется по критерию:

, (33)

. (34)

Результаты расчетов, проведенных по этой схеме, близки к полученным по первой схеме.

Может быть предложена и третья схема нормирования с использованием несколько иного подхода к нормативной общей оценке мореходности судна. При этом можно применить показатели, полученные выше. Оценка производится по показателю , характеризующему неблагоприятные условия плавания при некоторой заданной обеспеченности P_c для величины

, (35)

где

. (36)

Допускаемая высота волн при ограничении эксплуатации судна по погоде определяется по критерию:

. (37)

Схема расчета следующая:

· задаются нормативы величин и , например, = 7 % , = 0.90. Это означает, что допускается не более, чем 7%-ая вероятность превышения величиной нормативной величины =0.90.

· для данного района океана и сезона года при определяется и затем для данного судна и варианта его загрузки определяется соответствующая величина .

· если < = 0.90 , то условия по считаются допустимыми, и судно не получает ограничений по погоде.

· если > , то должны быть введены ограничения по погоде, исходя из величины , соответствующей = 0.90.

Нормативные значения и в предлагаемой автором расчетной схеме должны быть подобраны на основе расчетов по представленной базе данных для судов, имеющих положительный опыт эксплуатации.

Изложенная третья схема нормирования аналогична применяемой в расчетном методе определения надводного борта судов по условиям заливания палубы на волнении, разработанным в ИМО при подготовке концепции по грузовой марке ICLL-2003.

Апробация разработанных показателей и критериев была выполнена автором в рамках данной работы путем их расчетного анализа для судов неограниченной и ограниченных категорий плавания. База данных по судам ограниченных категорий была составлена автором, в основном, на основе данных представлена Регистром и включает суда пяти типов. Для сопоставления с судами неограниченной категории по погоде были выбраны три типа судна, близкие по размерам и характеристикам к судам ограниченных категорий, т.е. суда небольших размеров (длиной около 100 м) с достаточной, но относительно невысокой мореходностью.

При этом можно констатировать следующее.

Нормирование по первой схеме дает достаточно детальную информацию по допускаемым значениям . Оказывается, что может быть установлено такое общее для всех судов значение норматива , при котором критерий удовлетворяется при реальных ограничениях по погоде.

Нормирование по второй схеме приводит в целом к аналогичным выводам, однако в этом случае не удается образовать единый норматив по , при котором получились бы логичные результаты по допускаемым величинам . Определение критерия в форме (32) имеет, казалось бы, преимущество по физическому смыслу, однако, по результатам количественного анализа этот подход при общей правильной тенденции проигрывает по сравнению с первым в отношении получения детальной информации о реальных соотношениях между величинами для судов различных типов.

Нормирование по третьей схеме базируется на анализе общего показателя на определенном нормативом уровне с нормативной обеспеченностью . Как было установлено, принятому в Правилах Регистра подходу к классификации судов по категориям плавания соответствует нормативная величина = 0,07. Для автором был выполнен анализ с различным уровнем в диапазоне 0,70,9. Результаты анализа свидетельствуют о согласованности нормирования по третьей схеме с нормированием по первой и с принятой практикой назначения эксплуатационных ограничений. Однако при этом имеется, возможность более дифференцированного подхода. Например, для некоторых судов можно смягчить требования при эксплуатации в летний сезон в некоторых морях. Уровень этих послаблений, которые можно оценить, сопоставляя результаты расчетов по первой и третьей схеме..

Результаты апробации методики на базе количественного расчетного анализа дают основание считать, что предлагаемый в данной работе подход к определению дополнительного общего критерия оценки ограничений эксплуатации судов по погоде из условий обеспечения надлежащей мореходности может быть использован для совершенствования нормативных требований Регистра.

Алгоритм построения эксплуатационных ограничений параметров движения судна на волнении из условий прочности.

В предыдущих разделах настоящей главы подробно рассмотрены примеры применения разработанного подхода к формированию ограничений по критерию остойчивости судна при плавании на волнении. Выбор безопасных режимов движения осуществляется судоводителем с помощью изменения курса относительно направления волненя и поддержанием скорости в диапазоне от минимальной для обеспечения управляемости до безопасной. При этом максимальная безопасная скорость есть функция курсового угла относительно волнения.

Изложенные в главе 4 диссертационной работы принципы обеспечения и нормирования прочности во время эксплуатации путем контроля (регулирования) режимов движения позволяет сформировать формальный алгоритм генерации эксплуатационных ограничений для заданного судна.

Исходными данными для процедуры формирования эксплуатационных ограничений по условиям прочности являются:

вся информация о конструкции корпуса судна, представляемая в виде таких документов как теоретический чертеж корпуса, чертежи общего расположения, конструктивные поперечные сечения, продольные разрезы, растяжка наружной обшивки;

информация о текущем износе конструктивных элементов в виде таблиц результатов измерения толщин, растяжки наружной обшивки с текущими толщинами листов;

характеристики материала корпуса для каждого конструктивного района. Поскольку все расчеты ведутся в упругой области, то достаточно таких характеристик как модуль Юнга, коэффициент Пуассона, предел текучести материала.

Алгоритм построения эксплуатационных ограничений базируется на последовательном переборе значений курсовых углов и скоростей v. Диапазон изменений от 0 до 180. Диапазон изменений v от 0 до v_max, где v_max - максимальная скорость судна на тихой воде при 100% мощности главной энергетической установки. Рекомендуется диапазон разделить равномерно на 5 - 8 промежутков. Диапазон v делится равномерно на 4 - 5 промежутков. Такая сетка позволяет с достаточной для эксплуатации точностью аппроксимировать результаты анализа.

Последовательность анализа следующая:

1) для каждого v и необходимо получить статистические значения линейных и угловых ускорений a_i, _i по каждой из координатных осей для заданной балльности волнения, что является результатом подходов, изложенных в предыдущих главах;

2) для каждого v и рассчитывается давление при слеминге с учетом статистических параметров ускорений по выбранной физической модели слеминга для каждого конструктивного района. Полученные максимальные давления слеминга p_s,max сравниваются с давлением несущей способности p_br пластин наружной обшивки. Если максимальные напряжения в пластине меньше допускаемых, то такой режим считается безопасным по условиям слеминга;

3) для каждого v и , соответствующих ускорений рассчитываются напряжения в конструкциях фундамента. Если максимальные напряжения в фундаменте меньше допускаемых, то такой режим движения для заданной балльности волнения считается безопасным по условиям прочности фундаментов;

4) для каждого v и рассчитывается трехмерное распределение давлений на смоченную поверхность корпуса при равновесном положении. Рассчитывается напряженно-деформированное состояние корпусных конструкций. Для узлов корпусных конструкций по предварительно определяемым коэффициентам концентрации в координатах номинальные нормальные - номинальные касательные напряжения определяются напряжения в концентраторах узлов. Если напряжения в концентраторах меньше предела выносливости материала, то такой режим считается безопасным по условиям общей прочности судна;

5) проводится построение диаграммы безопасных режимов движения по условиям прочности при слеминге, прочности фундаментов, общей прочности судна;

6) результирующей диаграммой безопасных режимов движения по условиям прочности является огибающая снизу (по минимальным значениям) диаграмм безопасных режимов по условиям слеминга, прочности фундаментов и общей прочности корпуса.

В любом случае, для верификации подхода необходима комплексное расчетное и экспериментальное обоснование методики. Оптимальным объектом для верификации являются суда, работающие на паромных переправах дальностью около 500 миль. Конструкция и особенности таких судов известны, их загрузка меняется в ограниченном диапазоне, маршрут проходит через районы с известными ветро - волновыми режимами.

Рассмотрим более подробно определение критерия ограничений по погоде при наличии слеминга.

Выбор безопасных режимов движения осуществляется судоводителем с помощью изменения курса относительно направления волнения и поддержанием скорости в диапазоне от минимальной для обеспечения управляемости до безопасной. При этом максимальная безопасная скорость есть функция курсового угла относительно волнения.

Настоящий раздел призван детализировать разработанные подходы на примере практического формирования эксплуатационных ограничений. В качестве анализируемого выбран паром «Георг Отс». Форма шпангоутов в носовой оконечности имеет дугообразную форму, что связано с необходимостью максимизировать площади носовых палуб и платформ при острой подводной части носовой оконечности, обеспечивающей заданную скорость хода.

Определение безопасных режимов движения по критериям прочности - это всегда определение баланса между несущей способностью конструкции и действующими эксплуатационными нагрузками. Несущая способность конструкции, воспринимающей локальные нагрузки, зависит не только от прочных размеров конструкции (толщин листов, шпации, размеров набора), но и от геометрии и топологии конструкции (кривизна, положение опорных конструкций). Целесообразно разработать алгоритм сопоставления несущей способности конструкций и действующих нагрузок, аналогичный алгоритму создания «ледового паспорта».

С этой целью необходимо выполнить следующие условия:

· формирование (представление) несущей способности конструкции в терминах внешних нагрузок;

· определение критерия отказа конструкций, который в рассматриваемой задаче более корректно называть критерием безопасности. Критерий безопасности - формальный признак напряженно-деформированного состояния, при выполнении которого конструкция считается надежно работающей;

· разработка процедуры построения характеристик несущей способности в зависимости от района судового корпуса;

· разработка процедуры построения зависимостей параметров локальных нагрузок от характеристик движения судна (скорость и курсовой угол) и внешних условий (балльность волнения);

· разработка процедуры сопоставления параметров нагрузок и несущей способности конструкции, результатом которой является диаграмма безопасных режимов движения.

Основной параметр нагрузки при слеминге - гидродинамическое давление, в общем случае выражаемое как:

, (38)

где - плотность морской воды;

v - cкорость соударения воды и корпуса, нормальная к наружной обшивке судна;

k - коэффициент давления слеминга.

Таким образом, для описания несущей способности конструкции достаточно при заданной ватерлинии использовать один параметр - гидродинамическое давление. Измерения реакции конструкции во время слеминга показывают, что длительность фронта возрастания нагрузки около 1 сек. Частота собственных колебаний основных конструктивных элементов (листы и балки набора) находится в диапазоне от десятков до сотен гц. Следовательно, динамические эффекты при анализе прочности конструкции можно не учитывать.

Отдельного обсуждения, как сказано выше, заслуживает проблема выбора критерия прочности, который определяет безопасный для конструкции эксплуатационный режим. Возможно активно использовать ряд критериев прочности.

1. Критерий текучести.

Он подразумевает, что опасным состоянием является появление в ограниченной зоне конструкции напряжений текучести

,

где _max - максимальные напряжения в конструкции;

_y - предел текучести материала.

2. Критерий ограниченных пластических деформаций.

Обычно применяется при необходимости определить состояние повреждения после воздействия нагрузки

,

где _pl - остаточная пластическая деформация в конструктивных элементах;

_lim - лимитирующее значение пластических деформаций, зависящее от свойств судокорпусного материала и нормативов на дефектацию конструкции во время эксплуатации.

3. Критерий разрушения конструкций.

Он означает, что материал конструкции под действием внешних сил теряет сплошность.

В работе не рассматриваются критерии отказа при длительной эксплуатации: усталостный критерий, а также критерий, учитывающий накопление остаточных пластических деформаций.

По мнению автора, в качестве критерия прочности, ограничивающего режимы движения на волнении судна, корпус которого подвержен слемингу, необходимо выбрать критерий текучести, что дает определенный запас в безопасную сторону с гарантией отсутствия эксплуатационных повреждений.

После выбора критерия прочности необходимо сформировать процедуру определения несущей способности конструкции. В консервативном варианте оценки несущей способности целесообразно разделить конструкцию на пластины и балки. Такой подход традиционно использовался при разработке ледового паспорта вплоть до широкого использования метода конечных элементов. В любом случае, применяемый метод анализа наряжено-деформированного состояния конструкции (НДС) не влияет на общую последовательность процедуры назначения безопасных режимов эксплуатации судна на волнении по условиям прочности. Процедура анализа НДС для балок базируется на использовании теории изгиба балок. Результатом анализа является давление p_y, которое определяется как минимальное из p_y,1 - давления, вызывающего максимальные напряжения в наборе, равные пределу текучести материала, и p_y,2 - давления, вызывающего в листах бортовой обшивки напряжения, равные пределу текучести, т.е. .

Процедура определения p_y проводится для каждого выбранного района носовой оконечности.

Алгоритм определения внешних нагрузок для предписанного района судна базируется на кинематике взаимодействия корпуса судна и волновой поверхности. В соответствии с зависимостью, определяющей гидродинамическое давление слеминга, необходимо вычислить проекцию скорости соударения v_n на нормаль к ватерлинии. Из геометрических соображений

, (39)

где

v_с - скорость судна;

v_в - скорость бега волн;

- угол наклона ватерлинии к диаметральной плоскости в анализируемо районе борта;

- курсовой угол судна относительно волнения.

Последний шаг процедуры - определение безопасной скорости движения v_s - может быть в данном случае сведен к решению уравнения относительно скорости движения судна

. (40)

Решение, получаемое аналитически, выглядит следующим образом:

. (41)

Безопасная скорость v_безоп для корпуса в целом выбирается в зависимости от курсового угла как минимальная безопасная для всех районов корпуса

, (42)

где i -номер конструктивного района.

Результаты оценки безопасной эксплуатационной скорости по критерию локальной прочности корпусных конструкций могут быть в общем случае уточнены с помощью следующих методов:

1) прямые численные расчеты гидродинамических давлений при слеминге с учетом особенностей формы носовой оконечности, кинематики волнения и специфики района эксплуатации (соотношение длины, высоты и периода волн). Расчетные численные процедуры должны быть экспериментально верифицированы.

2) численный анализ напряженно-деформированного состояния конструкции, позволяющий оценивать не только нагрузки текучести, но и объем прогнозируемых повреждений, т. е. появление остаточных пластических деформаций определенного уровня.

Использование таких численных процедур позволит ввести наряду с понятием безопасной скорости (конструкция работает только в области упругого деформирования) понятие опасной скорости, превышение которой приводит к появлению повреждений конструктивных элементов.

В главе 4 изложен общий подход к регламентации режимов движения на волнении по условиям общей продольной прочности. Основной тип массовых повреждений корпусных конструкций при движении судна на волнении - развитие усталостных трещин в узлах корпусных конструкций.

Вероятность появления усталостных трещин зависит от следующих факторов:

- уровень номинальных напряжений в корпусных конструкциях при движении судна на волнении. В свою очередь, уровень номинальных напряжений зависит от формы корпуса, параметров волнения и весовой нагрузки судна;

- качество проектирования узлов в районах вероятного появления усталостных трещин, целью которого является снижение концентрации напряжений в таких узлах;

- количество и интенсивность циклов нагружения во время эксплуатации.

Критерием обеспечения усталостной прочности может служить неравенство:

у_ном ? k_к ? у_-1 , (43)

где у_ном - номинальные напряжения от общей деформации корпуса в рассматриваемом конструктивном районе;

k_к - коэффициент концентрации напряжений в узлах рассматриваемого района;

у_-1 - предел усталости судокорпусного материала.

Критерий может быть записан в виде:

у_ном ? у_-1/k_к. (44)

Как показывает опыт эксплуатации, усталостные трещины развиваются прежде всего в сварных швах. По этой причине и коэффициент концентрации напряжений и предел усталости необходимо назначать для сварных соединений. Повысит усталостную долговечнсть сварных швов можно с помощью:

- процедуры поверхностного пластического деформирования (ППД);

- термообработки.

Кривые усталости N(у) для различных узлов приведены в рекомендациях DNV, которые классифицируют узлы по признаку типа кривой усталости следующим образом:

- конструкции, работающие на воздухе;

- конструкции, имеющие протекторную защиту и работающие в морской воде;

- конструкции, работающие в морской воде в условиях естественной коррозии.

Значения у_-1 для всех трех случаев определяются по соответствующим кривым усталости на базе 10⁷ циклов. Коэффициенты концентрации k_к лежат в пределах от 2 до 5 и могут быть с ошибкой в безопасную сторону приняты по максимальному значению.

Как было отмечено в главе 4, анализ обще продольной прочности корпуса в отечественной практике принято проводить с использованием балочных моделей, нагруженных распределенными вертикальными, горизонтальными силами и скручивающими моментами. Зависимости, позволяющие перейти от распределения давлений по смоченной поверхности к распределенным линейным нагрузкам так же приведены в главе 4. К недостаткам такого подхода следует отнести:

- физическую условность расчетных моделей, а именно, разделение общей картины деформирования на вертикальный изгиб, горизонтальный изгиб и кручение;

- трудоемкость вычислений;

- необходимость проведения процедуры суммирования напряжений от вертикального, горизонтального изгибов и кручения корпуса;

В настоящей работе для анализа общей прочности корпуса на волнении используется конечно-элементная модель корпуса в целом, что является относительно новым подходом для отечественной практики.

Весовая нагрузка (полезный груз, масса главных и вспомогательных двигателей, запасы топлива и воды) учитываются массами, сосредоточенными в узлах сетки соответствующего конструктивного района. Масса корпусных конструкций моделируется через приведенные толщины и плотность судокорпусной стали. Вдоль вертикальной оси задается гравитация ускорением свободного падения. Нагрузки на наружную обшивку (давление на смоченную поверхность) определялись из статического положения судна относительно синусоидальной волны заданных параметров h_в и L_в при заданном курсовом угле судна относительно направления бега волн.

Давление p(x,y,z) на смоченную поверхность рассчитывается по следующим зависимостям:

z_в=±h_в/2 ? cos(2р ? x_в/L_в) ;

x_в=x ? cosц - y ? sinц ; (45)

p=y ? (z_в-z) ,

где h_в и L_в - высота и длина волны;

x, y, z - координаты точки наружной обшивки в корабельной системе координат;

x_в, z_в - координаты волнового профиля в системе координат синусоидальной волны. Знак «-» в первом уравнении соответствует положению на подошве волны, знак «+» - положению на вершине волны.

Предполагается, что для появления и развитие усталостных трещин наиболее опасны напряжения, ориентированные вдоль сварного шва. При этом размах напряжений:

для продольных сварных швов;

у_ном = Ру_xВВ - у_xПВР

для поперечных сварных швов.

у_ном = Ру_yВВ - у_yПВР

С учетом концентрации напряжений в сварных швах конструктивных узлов для безопасной эксплуатации необходимо выполнение неравенства у_ном ? k_к ? у_-1.

По различным источникам _-1 =40 150 Мпа и зависит, как отмечалось выше, от геометрии конструктивного узла и способа обработки шва. Приведенный алгоритм позволил построить зависимость размахов напряжений для сварного шва определённой направленности от курсового угла и высоты волны (высота волны соответствует бальности волнения). Результирующие графики показаны на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость номинальных напряжений в узле конструкции палубного перекрытия от курсового угла и высоты волны (1 - 2.5м, 2 - 3.0м, 3 - 6.0м, 4 - 8.0м)

Задаваясь уровнем допустимых размахов напряжений _-1 можно построить диаграмму безопасных режимов движения судна (рис. 5) при заданных параметрах загрузки в координатах высота волны (бальность волнения) - курсовой угол. Область 1 рис. 5 ограничивает допустимую комбинацию высоты волны - курсовой угол по условиям усталостной прочности. Область 2 представляет собой опасное сочетание параметров движения. Горизонтальный участок диаграммы определяет зону, где возможно безопасное плавание с любым курсовым углом при соответствующей или меньшей высоте волны.

Рис. 5. Диаграмма безопасных режимов движения по условиям усталостной прочности: а) декартовы координаты высота волны курсовой угол, б) полярные координаты высота волны курсовой угол

Рис. 6. Объединенная диаграмма безопасных режимов движения по условиям мореходности и прочности; безопасная зона - ; опасная зона -

Построение обобщенных эксплуатационных ограничений параметров движения судна на волнении из условий мореходности и прочности.

Совокупность диаграмм (диаграммы движения из условий мореходности, диаграммы движения по условию прочности бортовых перекрытий носовой оконечности при воздействии слеминга, диаграмма безопасных параметров движения по условиям прочности и усталостной прочности отдельных конструктивных узлов) представляет собой основу руководства судоводителю. Диаграммы должны быть построены в осях курс - скорость. Пример такой обобщенной диаграммы приведен на рис. 6.

Такой документ может быть определён как «Свидетельство о безопасных режимах эксплуатации судна на морском волнении». «Свидетельство…» должно представлять собой комплексный документ, содержащий рекомендации судоводителю по выбору такого сочетания курсового угла и скорости движения в наблюдаемых условиях моря, которые безопасны по условиям мореходности и прочности. При этом рекомендации должны быть сформированы с ошибкой в безопасную сторону, что естественно при использовании их судоводителем.

В ходе работы над диссертацией автором были применены предлагаемые методы назначения эксплуатационных ограничений на практике.

На основании выполненного в 1998 году для т/х «Бурлак» расчетного анализа мореходности, Регистром было принято решение о назначении данному судну ограниченного района плавания II. Эксплуатация судна в назначенном районе показала адекватность принятых решений реальным условиям эксплуатации.

С применением положений данной работы автором совместно с коллективом лаборатории мореходности ЦНИИМФ была также выполнена работа по назначению района плавания I судну лихтеровозу «Б. Полевой» при его использовании как контейнеровоза открытого типа. Результаты практической проверки также положительны.

Заключение

В представленной диссертации получено научно обоснованное техническое решение имеющей практическое значение народно-хозяйственной задачи комплексного нормирования мореходности и прочности судов. Решение может быть использовано для совершенствования нормативных требований Российского морского Регистра судоходства (РС) и Морской администрации флага России (МА РФ). Предоставляет возможность разработки бортовой документации для капитана нового типа, позволяющей облегчить выбор безопасных режимов движения судна на волнении. Решение непосредственно влияет на повышение безопасности мореплавания, вносит существенный вклад в развитие экономики за счет более рационального учета опасных факторов при проектировании судов.

В диссертации получены следующие научные и прикладные результаты:

1. Разработаны теоретические основы, подход 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 документов РС и МА РФ;