Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I Разработка общего подхода к решению задачи об оценке металлоемкости конструкций ледовых усилений 14
1.1 Анализ современного состояния и тенденций развития флота судов ледового плавания 14
1.2 Анализ существующих формул оценки влияния категории ледовых усилений на весовые характеристики корпуса судна 21
1.3 Общий подход к оценке влияния ледовой категории на весовые характеристики судов и обоснование программы исследований 29
1.4 Выводы по первой главе 34
ГЛАВА II Проектирование конструкций ледовых усилений с использованием оптимизационных процедур 36
2.1 Методика оптимизации конструкций ледовых усилений 36
2.1.1 Постановка задачи оптимизации КЛУ. 36
2.1.2 Алгоритм решения
2.2 Структура программы параметрического проектирования КЛУ 45
2.3 Результаты оптимизационных расчетов
2.3.1 Конфигурация типичного таврового профиля КЛУ, спроектированного по критерию предельной прочности 46
2.3.2 Соотношение масс профилей различных типов 47
2.3.3 Численные исследования оптимальности топологии КЛУ по критерию массы 48
2.4 Обеспечение возможности автоматического проектирования
тавровых профилей, оптимальных по критерию массы 53
2.5 Выводы по второй главе 55
ГЛАВА 3. Аналитическая модель поверхности корпуса судна ледового плавания 57
3.1 Выбор подхода к моделированию судовой поверхности 57
3.2 Основные особенности разрабатываемой аналитической модели поверхности корпуса 61
3.3 Аналитическое описание носовой оконечности 62
3.3.1 Общий подход к описанию обводов носовой оконечности 62
3.3.1 Уравнение шпангоута наибольшей ширины sh(z) 65
3.3.2 Уравнение полиномиального скругления кривых stf(z), cur(z), fsf(z), n(z) и c(z) 66
3.3.3 Уравнение безразмерных ватерлиний w(x, z) 68
3.3.4 Уравнение форштевня stf(z), кривой плоского борта fsf(z) и кривой скругления ватерлиний cur(z) 70
3.3.5 Уравнение поверхности скругления ватерлиний выше уровня
3.3.6 Определение углов Alfa и Beta на поверхности корпуса в районе переменных ватерлиний 75
3.3.7 Проверка формы носовых обводов 76
3.4 Аналитическая модель кормовой оконечности 77
3.4.1 Общий подход к описанию обводов кормовой оконечности 77
3.4.2 Кривая плоского борта в корме fsa(x) 81
3.4.3 Уравнение кривой wla(x) 81
3.4.4 Линия верхней палубы uda(x) 85
3.4.5 Линия плоского днища в корме fba(x) 85
3.4.6 Уравнение линии ахтерштевня (линии подъема днища) sta(x) 88
3.4.7 Уравнение шпангоутов комовой оконечности 90
3.5 Аналитические модели выступающих частей 100
3.5.1 Уравнение поверхности ледового зуба и кормового скега 100
3.5.2 Уравнение выкружки гребного вала
3.6 Сопоставление обводов, получаемых по аналитической модели, с обводами реальных судов 103
3.7 Сферы практического применения аналитической модели корпуса 108
3.8 Выводы по третьей главе 113
ГЛАВА 4 Регрессионная модель определения масс конструкций ледовых усилений транспортных судов на ранних стадиях проектирования 114
4.1 Подходы и допущения, принятые при определении приращения массы корпусных конструкций 114
4.1.1 Моделирование поверхности корпуса судна 114
4.1.2 Выделение конструктивных районов и разработка конструктивных схем 114
4.1.3 Определение расчетных нагрузок и размеров корпусных конструкций 116
4.2 Выявление характеристик корпуса судна, оказывающих наибольшее влияние на массы КЛУ 118
4.3 Формирование расчетной сетки судов 121
4.4 Регрессионные зависимости для определения приращения масс КЛУ 122
4.5 Анализ влияния характеристик корпуса судна на массы КЛУ
4.5.1 Анализ значений регрессионных коэффициентов 129
4.5.2 Расчеты масс КЛУ для судов различных типов 130
4.5.3 Изменение масс КЛУ при равнообъемных трансформациях корпуса судна и варьировании значений L/B, В/d иСъ 132
4.5.4 Влияние концепции двойного действия и предела прочности стали на массы КЛУ 1 4.6 Вопросы верификации расчетных формул 141
4.7 Выводы по четвертой главе 142
ГЛАВА 5. Примеры практического использования разработанной методики определения масс КЛУ 145
5.1 Расчетные примеры 145
5.2 Выводы по пятой главе 156
Заключение 157
Литература 160
- Общий подход к оценке влияния ледовой категории на весовые характеристики судов и обоснование программы исследований
- Конфигурация типичного таврового профиля КЛУ, спроектированного по критерию предельной прочности
- Аналитическое описание носовой оконечности
- Выявление характеристик корпуса судна, оказывающих наибольшее влияние на массы КЛУ
Введение к работе
Актуальность темы. В соответствии с рядом государственных программ Российской Федерации одной из наиболее важных задач отечественного судостроения является проектирование и строительство судов ледового плавания (СЛП) в обеспечение широкомасштабного освоения природных ресурсов Арктики и интенсификации судоходства в акватории Северного морского пути.
В России накоплен значительный опыт создания СЛП, имеющий многовековую историю. В последние годы вопросами общего проектирования судов ледового плавания занимались А.В. Бронников, Н.В. Барабанов, В.И. Каштелян, Г.М. Коваль, Д.Д. Максутов, И.П. Мирошниченко, Ф.А. Морейнис, Ю.А. Симонов, А.И. Титов, С.Н. Климашевский, Л.Г. Цой, В.М. Воробьев, В.А. Мацкевич, В.А. Беляшов и др. Над развитием методов определения ледовых нагрузок, регламентации ледовой прочности и определением размеров связей корпусных конструкций работали Г.В. Бойцов, А.Я. Рывлин, В.А. Курдюмов, Д.Е. Хейсин, Е.М. Апполонов, А.Б. Нестеров, О.Я. Тимофеев, В.Н. Тряскин и др. Этими исследователями был заложен фундамент отечественной методологии проектирования СЛП, определивший архитектурно-конструктивный тип традиционных судов ледового плавания конца XX века. Применительно к СЛП традиционного типа Л.М. Ногидом (1964), В.В. Ашиком (1970), Л.Г. Цоем и О.В. Фаддеевым (1978), А.А. Дубовым и О.В. Фаддеевым (1981), СБ. Каравановым (1983), М.Г. Ковалем (1987) и другими исследователями были выполнены оценки металлоемкости конструкций ледовых усилений (КЛУ), которые успешно использовались в практике проектирования арктических судов. Однако в современных условиях эти оценки неприменимы по следующим причинам:
В Ледовые правила Российского морского регистра судоходства (PC) 1999 г. издания была введена новая методология обеспечения ледовой прочности, которая в части определения размеров КЛУ основывается на критерии предельной прочности, а не на используемом ранее критерии фибровой текучести.
Востребованными стали ледокольно-транспортные суда таких типов, которые ранее не эксплуатировались в Арктике и не имеют аналогов (газовозы LNG и LPG, суда технологического и добычного флотов). Широкое распространение получили СЛП двойного действия (DAS -Double Acting Ship), имеющие возможность эксплуатироваться во льдах, регулярно двигаясь кормой вперед. Многократно увеличились размеры
СЛП с высокими ледовыми классами, дедвейт которых в настоящее время
достигает 80 тыс.т.
В то же время, интенсивность проектирования и строительства СЛП достаточно мала, что не позволяет получить статистическую информацию о весовой нагрузке современных СЛП в объеме, достаточном для выполнения обобщенных оценок.
Таким образом, в настоящее время отсутствуют обоснованные расчетные оценки масс КЛУ, применимые для судов в широком диапазоне главных размерений, предоставляющие возможность учета концепции DAS и других современных технических решений. Отсутствие такой методики существенно затрудняет как проектирование СЛП новых типов, так и решение задач технико-экономической оптимизации судов при выполнении вариантных проработок. Поэтому задача создания соответствующей методики является актуальной.
Целью работы является создание практической расчетной методики прогнозирования масс КЛУ транспортных судов перспективных типов во всем диапазоне ледовых классов (от Icel до Агс9 по классификации PC), а также установление закономерностей изменения масс КЛУ в зависимости от различных параметров: размерений и формы корпуса судна, топологии конструкций, предела текучести стали.
Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие основные задачи:
-
Разработка общего подхода к оценке влияния ледовой категории на весовые характеристики корпуса судна с учетом особенностей формы обводов и конструкции корпуса.
-
Создание научно-методических принципов и компьютерных программ для автоматизированного параметрического проектирования и оптимизации КЛУ на основе регламентационных зависимостей Правил PC и установление закономерностей изменения масс КЛУ в зависимости от параметров топологии конструкций.
-
Разработка специализированной аналитической модели описания поверхности корпуса СЛП, позволяющей формировать расчетные сетки судов с систематически изменяющимися «ледовыми» параметрами формы корпуса.
-
Исследование факторов, оказывающих влияние на массы КЛУ, и создание практической расчетной методики определения масс КЛУ транспортных судов на ранних стадиях проектирования.
5. Получение оценок влияния главных размерений судна, параметров формы
корпуса, топологии конструкции и свойств материала на массы КЛУ.
Объектом исследования настоящей диссертационной работы являются конструкции корпуса морских транспортных судов, включая арктические транспортные суда новых типов и размерений.
Предметом исследования являются зависимости масс конструкций корпуса судна от различных факторов - параметров топологии конструкций, главных размерений и параметров формы корпуса, прочностных свойств материала.
Методы исследований. Для решения поставленных задач в работе используются методы исследования функций, математической статистики, регрессионного анализа и математического программирования, методы описания судовых поверхностей, а также методы теории проектирования судов, статики корабля и проектирования судовых конструкций. Компьютерные программы разработаны на языке Visual Basic с использованием вычислительной среды MS Excel.
Основные научные результаты и их новизна:
-
Разработан общий подход к оценке влияния ледовой категории на весовые характеристики корпусов судов в широком диапазоне изменения главных размерений и ледовых классов, включающий моделирование судовой поверхности и прямые расчеты масс конструкций.
-
Выявлены закономерности изменения масс КЛУ в рамках регламентационных зависимостей Правил PC при изменении параметров конфигурации сварных тавровых профилей и параметров топологии перекрытий.
-
Создана оригинальная аналитическая модель поверхности корпуса СЛП, обеспечивающая возможность управления параметрами формы корпуса, важными для СЛП. Модель имеет самостоятельное значение и может использоваться в различных исследовательских задачах на ранних стадиях проектирования СЛП.
-
Разработана расчетная методика оценки влияния ледовой категории на массу корпуса судна, позволяющая учитывать параметры формы, главные размерения, прочностные свойства стали и другие характерные особенности судна.
-
Впервые для судов в широком диапазоне ледовых классов выявлены закономерности влияния различных параметров (главные размерения и их соотношения, применение концепции DAS и др.) на массы КЛУ.
Практическая ценность работы связана с решением важной проблемы прогнозирования масс КЛУ судов с ледовыми классами PC в широком диапазоне главных размерений. Результаты исследований позволяют повысить качество проектирования современных крупнотоннажных СЛП на ранних стадиях за счет повышения точности оценок массы корпуса и сокращения сроков выполнения проектов.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Общий подход к оценке влияния ледовой категории на весовые характеристики корпусов судов в широком диапазоне главных размерений и ледовых классов.
-
Закономерности изменения масс КЛУ в зависимости от параметров конфигурации сварных тавровых профилей и параметров топологии перекрытий в рамках регламентационных требований Правил PC.
-
Новая аналитическая модель поверхности корпуса судна ледового плавания, учитывающая особенности формы СЛП и обеспечивающая возможность управления параметрами формы проектируемого судна.
-
Методика определения масс КЛУ судов, спроектированных по требованиям Правил PC, в рамках которой получены регрессионные зависимости для определения масс КЛУ, учитывающие: главные размерения судна, применение на судне концепции DAS, прочностные свойства стали.
-
Закономерности влияния на массы КЛУ основных параметров судна: главных размерений, соотношений главных размерений, наличия/отсутствия концепции DAS, предела текучести стали. Внедрение результатов работы. Результаты работы использованы при
определении характеристик вариантных рядов нефтеналивных танкеров, газовозов LNG и LPG и судов других типов с различными ледовыми классами в задачах технико-экономической оптимизации характеристик судов, выполненных в ФГУП «Крыловский государственный научный центр» для ООО «СН-Инвест» (вывоз углеводородов с месторождения в Печорском море), ДОАО ЦКБН ОАО «Газпром» (месторождения Ямала), 000 «Газпром Нефть Новый Порт» (месторождения Обской губы), 000 «РН-КрасноярскНИПИнефть» (месторождения Енисейского залива). С использованием полученных оценок масс КЛУ построены расчетные модели определения характеристик судов различных типов в рамках НИР «МТС-Модель» (ФЦП «Развитие гражданской морской техники» на 2009-2016 годы).
Достоверность полученных результатов подтверждена совпадением расчетных и натурных значений параметров топологии конструкций, нагрузок со стороны воды и льда, размеров связей и форм обводов корпуса.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации обсуждались на 9-ой, 10-ой и 11-ой Международных конференциях и выставках по освоению ресурсов нефти и газа Российской Арктики и континентального шельфа стран СНГ (RAO / CIS Offshore)B г. Санкт-Петербурге в сентябре 2009, 2011 и 2013 годов, а также на конференции «23 International Offshore And Polar Engineering Conference (ISOPE-2013), Anchorage, Alaska, USA. July 2013».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научно-технических статей, из которых в изданиях, рекомендуемых перечнем ВАК РФ, опубликовано 6 работ, в числе которых 3 работы имеют 100% участия автора. Издано учебное пособие «Предельные нагрузки и упругопластическое деформирование судовых балочных конструкций» (доля автора - 50%). Всего автором опубликовано 23 научно-технические статьи.
Личный вклад. Все исследования и разработки, описанные в настоящей диссертационной работе, выполнены автором лично.
Стуктура и объем работы. Работа состоит из введения, 5-ти глав и заключения, содержит 171 страницу основного текста, включая 25 таблиц, 38 рисунков, 3 страницы оглавления и список литературы из 120 названий. Приложения 1-3 имеют объем 15 страниц.
Общий подход к оценке влияния ледовой категории на весовые характеристики судов и обоснование программы исследований
Обобщив сказанное можно заключить, что за последние 15-20 лет изменилась парадигма строительства СЛП: если в период до 1991 года суда строились, главным образом, для перевозок небольших партий грузов и обеспечения т.н. «Северного завоза», то в последнее время строятся, главным образом, специализированные суда большого дедвейта, предназначенные для транспортировки полезных ископаемых из арктической зоны. Особенностью таких судов является их проектирование и строительство под конкретный проект освоения месторождения. Например, три танкера типа «Василий Динков» класса Агсб построены под проект «Варандей», два танкера типа «Михаил Ульянов» построены для вывоза нефти с платформы «Приразломная», 5 контейнеровозов типа «Норильский Никель» класса Агс7 также специально построены для одноименного проекта, а 16 проектируемых арктических газовозов класса Агс7 предназначены для проекта «Ямал СПГ». Причиной такой специализации является очевидный факт: суда высокого ледового класса отсутствуют на открытом фрахтовом рынке и должны строиться под конкретный проект. Эта картина дополняется тем, что суда с высокими ледовыми классами, имеющие значительно более высокую строительную стоимость (например, танкер класса Агс6-Агс7 имеет строительную стоимость в 2-2,5 раза выше, чем танкер без ледовых усилений) и повышенные расходы на топливо по сравнению с судами для чистой воды (увеличение, в среднем, на 5-10%), могут эффективно использоваться только на линии, для которой они спроектированы. В других географических регионах они оказываются либо неконкурентоспособными (незамерзающие моря), либо не имеют постоянной грузовой базы вследствие ограниченного числа морских арктических проектов. С другой стороны, крупнотоннажные суда с требуемыми для Арктики ледовыми классами не доступны на фрахтовом рынке, что вынуждает строить такие суда под конкретный проект. Указанные причины заставляют предъявлять повышенные требования к качеству выполнения проектных работ не только на этапе собственно проектирования СЛП, но и при выполнении технико-экономической оптимизации характеристик ледовых судов на т.н. «верхнем» уровне [88], т.е. при рассмотрении работы судна в составе морской транспортной системы (МТС).
Таким образом, актуальные задачи проектирования СЛП можно разделить на задачи верхнего и нижнего уровней. На верхнем уровне, как было отмечено ранее, необходима детальная оптимизация СЛП в составе МТС.
На нижнем уровне проектирование современных СЛП по сравнению с традиционными СЛП 20-го века характеризуется следующими особенностями: рассматриваются суда, реализующие концепцию DAS (Double Acting Ship - судно двойного действия) [7], которые характеризуются бульбообразной (или умеренно-ледокольной) носовой оконечностью для движения по чистой воде и ледокольной кормовой оконечностью для эксплуатации во льдах; широко применяются [97] поворотные винто-рулевые колонки (ВРК) как с электрическим, так и с механическим приводами; применение ВРК обеспечивает возможность регулярного движения СЛП как носом, так и кормой вперед; в районе ледового пояса широко применяются высокопрочные стали, позволяющие снизить массу конструкций, а также специальные фрикционные покрытия и краски, снижающие скорость истирания обшивки.
Актуальность оптимизации СЛП на верхнем уровне привела к появлению большого количества отечественных [60,61,73,74,75,77,81] [95,98,103,104,111,118] (указаны, в том числе, работы автора) и зарубежных [6,11,15,22] исследований работы МТС в ледовых условиях. Выполнение таких исследований, как правило, требует генерации расчетных сеток судов с изменяющимися характеристиками: вместимостью, ледовой категорией, предельной ледопроходимостью и др., на основании которых выполняются технико-экономические расчеты. Это, в свою очередь, требует наличия инструмента определения масс конструкций ледовых усилений (КЛУ), причем этот инструмент должен учитывать как перечисленные выше современные особенности СЛП, так и многообразие их типов, поскольку в современных условиях актуальны не только танкеры и суда для генеральных грузов, но также и газовозы LNG [33,56], газовозы LPG, буровые суда, НИС и многие другие.
Таким образом, вопрос влияния ледовой категории на весовые характеристики корпуса судна является одним из важных вопросов проектирования современных СЛП, т.к. соответствующие данные необходимы как для рассмотрения множества вариантов судов при выполнении технико-экономической оптимизации, так и для использования при эскизном проектировании СЛП, в особенности, - в случае, когда судно-прототип с требуемой ледовой категорией отсутствует.
Далее выполнен анализ различных формул для оценки влияния ледовой категории на весовые характеристик корпуса судна, позволяющий оценить современное состояние этого вопроса.
Определение массы корпуса является одной из важнейших задач, решаемых при проектировании судна на ранних стадиях, поэтому ранее было разработано множество приближенных формул, позволяющих без выполнения трудоемких прямых расчетов размеров и веса связей определять массу корпуса и, так или иначе, учитывать при этом наличие у судна ледовой категории. Известны работы таких авторов как В.В.Ашик [47], Л.М.Ногид [87], А.В.Бронников [53,54], Н.В.Барабанов [49], В.И.Каштелян [66], О.В.Фаддеев [67], Г.М.Коваль [71], Д.Д.Максутов [79], И.П. Мирошниченко [84], Ф.А.Морейнис [85], Ю.А.Симонов [98,99], А.И.Титов, С.Н.Климашевский [109,110], Л.Г.Цой [116,117], В.И.Хохлоша [114], Киреев В.Н., Мацкевич В.А., Рязанцев Ю.И. [68,69], которые в той или иной мере касаются вопросов проектирования СЛП, в том числе в области определения весовой нагрузки таких судов. Однако непосредственно вопросам определения массы корпуса СЛП с учетом влияния ледовой категории посвящено ограниченное число работ, которые рассмотрены далее.
Конфигурация типичного таврового профиля КЛУ, спроектированного по критерию предельной прочности
Модель поверхности базируется на параметрически-управляемых каркасных кривых, при помощи которых (а также с помощью ряда дополнительных числовых параметров) осуществляется управление формой обводов.
Модель описывает однокорпусное судно. Вся поверхность разбивается на основной корпус и выступающие части. Последние включают ледовый зуб, кормовой скег и выкружки гребных валов. Форма носовой оконечности основного корпуса - с наклонным форштевнем, форма кормы основного корпуса -традиционная, санеобразная или ледокольная.
При определении ординаты поверхности исключено использование каких-либо численных итерационных процедур, т.е. применяются исключительно функциональные зависимости. Гидростатические параметры корпуса определяются численно.
Все параметры модели разделены на оригинальные и управляющие. Первые должны быть обязательно заданы пользователем, т.к. они необходимы для модели, и включают в себя: длину по ватерлинии, ширину, осадку, углы развала борта и наклона форштевня и некоторые другие параметры. Управляющие же параметры могут быть заданы как вручную, так и приняты «по умолчанию». Разделение параметров на оригинальные и управляющие позволяет обеспечить успешное решение двух задач: a. автоматическая генерация обводов под заданные значения оригинальных параметров, b. детализированное управление формой обводов с помощью управляющих параметров (включая автоматизированный подбор их значений под заданные гидростатические характеристики корпуса).
Для каждого управляющего параметра всегда определены максимальное и минимальное значения, которые чаще всего являются функциональными зависимостями от других параметров. Эти ограничения «физичны», т.е. учитывают реальные формы СЛП, и, помимо этого, получены аналитически. Однако некоторые интегральные параметры формы проверяются с помощью сопоставления значений ординат поверхности в нескольких характерных точках.
Программная реализация модели позволяет пользователю как вводить числовые значения параметров, так и «перетаскивать» с помощью мыши большинство управляющих точек, связанных с управляющими параметрами, что обеспечивает интерактивный режим управления формой проектируемого судна. 3.3 Аналитическое описание носовой оконечности 3.3.1 Общий подход к описанию обводов носовой оконечности Уравнение ординаты поверхности носовой части Uf задается как произведение двух величин [106]:
Образование обводов носовой оконечности происходит путем плавного изменения параметров ватерлиний w(x, z) по высоте, при этом форма шпангоутов поверхности Uf в явном виде не задается. Практическое использование (3.1) показало применимость такой модели для учета характерных особенностей обводов СЛП. Система координат, схема используемых кривых, а также перечень задаваемых параметров приведены на рис. 3.1. Ось х направлена от шпангоута наибольшей ширины в нос, ось z направлена вверх от основной плоскости (ОП). В число каркасных кривых, формирующих носовое заострение корпуса, кроме w(x, z) и sh(z) также входят:
Также в число управляющих параметров входят параметры ватерлиний n{z) и c(z) (см. п.3.3.3), которые при заданной форме каркасных кривых позволяют регулировать форму и полноту обводов: nD ,rid , «о - значения n(z) для высот D, d и 0 соответственно, cD , cd , с0 - значения c(z) для высот D, d и 0 соответственно, Итак, для определения обводов носовой оконечности необходимо задание 22 параметров, однако только 6 из них {Lf , d, В, D, ystf, jBsh) являются оригинальными. 3.3.1 Уравнение шпангоута наибольшей ширины sh(z)
В качестве исходных параметров для получения уравнения шпангоута sh{z) служат: В; d, Bsh, коэффициент полноты Ст (или rsh). Уравнение sh{z) имеет вид [107]: sh{z) = При необходимости в уравнение шпангоута может быть внесен угол наклона днища. Это не было сделано в рамках настоящей работы, поскольку килеватость днища редко встречается на современных судах, в основном, по причинам технологического характера.
В аналитическом описании участков надводной части корпуса судна используются каркасные кривые stf{z), curiz) и fsflz), а также управляющие кривые n(z) и c(z) (см. п.3.3.3). Выше уровня z2 и ниже уровня z\ рассматриваемые кривые имеют линейные участки, а при z\ z z2 выполняется плавная стыковка (скругление) линейных участков (см. рис. 3.2). Для скруглення используется полином пятой степени:
Величинами, задаваемыми при определении кривой вида рис. 3.2, являются: /тах - максимальная протяженность кривой вдоль оси х; z\ - аппликата нижней границы полиномиального скруглення, z2 - аппликата верхней границы полиномиального скруглення. Причем, значения z\ и z2 могут быть различными для кривых stj{z), cur(z), fsflz), n(z) и c(z), а также для некоторых кривых в кормовой оконечности судна. Значения абсциссы х\ и угла ах определяются по известным уравнениям линейных участков каждой каркасной кривой. Неизвестное значение х2 может быть получено в функции от угла а2 по соотношению:
Первое условие из (3.7) получено исходя из того, что максимум кривизны полинома скруглення (3.5) должен располагаться посередине между z\ и z2 (точка z3), а второе условие отражает то обстоятельство, что выпуклая форма участка скруглення при данном положении координатных осей может быть получена только при отрицательных x"z(z3). Условия (3.7) с учетом соотношений (3.6) и (3.5) позволяют получить выражение для определения угла а2, обеспечивающего желаемую форму скруглення:
Итак, при определении ctg[a2) по соотношению (3.8), максимум кривизны полиномиального скруглення приходится на аппликату z3 , что обеспечивает необходимую форму рассматриваемой кривой.
Отметим, что значения z2 и z\ могут приниматься различными для каждой из каркасных кривых, что повышает гибкость аналитической модели и позволяет описывать более сложные обводы.
Поверхность w(x, z) определена при fsfyz) х stf(z). В случае х fsf{z) принимается w(x,z) = 1 (т.е. ватерлиния выходит на цилиндрическую часть). Как видно из структуры зависимости (3.10), форму поверхности w(x,z) при заданных каркасных кривых определяют управляющие функции-параметры n(z) и c(z). В аналитической модели поверхности судна предусмотрено независимое управление надводной и подводной частями носового заострения корпуса. Для этого n(z) и c(z) представлены в виде двух отдельных линейных участков, расположенных в подводной и надводной частях корпуса соответственно и соединяемых при z\ z z2 полиномом вида (3.5)-(3.9).
Аналитическое описание носовой оконечности
Итак, можно заключить, что предлагаемая аналитическая модель позволяет достаточно хорошо (в соответствии с ее назначением) учитывать особенности формы корпуса ледовых судов. Упрощения, введенные при разработке модели, такие как задание поверхности на основе ватерлиний, примененная форма каркасных линий, принятый линейный характер функций c(z) и n(z) и др. допустимы и не приводят к искажению характерных для судов ледового плавания форм обводов.
С использованием аналитической модели могут быть выполнены различные общепроектные расчеты, расчеты по теории корабля, ледовой ходкости и управляемости, определены нагрузки со стороны воды и льда и решены практически все вопросы, актуальные при эскизном проектировании судна ледового плавания. В настоящей работе аналитическая модель будет использована для создания сеток обводов судов с различными размерениями, коэффициентами полноты и характерными углами, а также для определения расчетных нагрузок, длин пролетов балок, площадей обшивки и листовых конструкций.
Однако помимо этого разработанная модель может быть использована при оптимизации обводов судов ледового плавания, т.к. модель является параметрически-управляемой, что позволяет организовать формальную процедуру поиска оптимальных значений управляющих параметров аналитического корпуса по какому-либо критерию. Критериями могут являться, например, ледовое сопротивление в сплошном льду, в битом льду, сопротивление на тихой воде, водоизмещение судна порожнем, параметры мореходности и ледовой управляемости, а также различные комбинации перечисленных факторов. Отметим, что в зависимости от решаемой задачи на основании модели могут быть оптимизированы не только локальные параметры носовых или кормовых обводов, но также и главные размерения судна. Таким образом, применение разработанной модели не ограничивается рамками настоящей работы, модель имеет самостоятельное значение и может быть использована как инструмент для решения задач оптимизации судов ледового плавания.
Детальное исследование данных задач выходит за рамки настоящей работы, однако для подтверждения возможности выполнения такой оптимизации приведем результаты совершенствования носовых обводов научно-экспедиционного судна (НЭС) пр. 22280 «Академик Трешников» по комплексному критерию «А», включающему относительные значения сил сопротивления в различных ледовых условиях: Дспл0, RCTUl - сила сопротивления исходного и оптимизированного вариантов обводов НЭС (соответственно) в сплошном льду, Ябитыйо? Сбитый сила сопротивления исходного и оптимизированного вариантов обводов НЭС в мелкобитом льду, кашасъ каша СИЛа СОПрОТИВЛЄНИЯ ИСХОДНОГО И ОПТИМИЗИрОВанНОГО вариантов обводов НЭС в ледовом канале, заполненном ледовой кашей. Весовые коэффициенты в зависимости (3.79), равные 0,5; 0,25 и 0,25 отражают степень важности ледовых условий каждого типа и приняты в данном примере на основе экспертной оценки.
Для получения максимально полной картины влияния форм обводов на ледовое сопротивление значения Дспл0 и RCTUl определяются как среднее арифметическое сопротивлений в ровном льду, вычисленных на основании известных методов В.И.Каштеляна [65], Б.П.Ионова [62], Г.Линдквиста [16], К.Риски [19,23]. Такой подход обусловлен тем, что различные полуэмпирические методы расчета сопротивления в ровном льду базируются на разных допущениях и могут приводить к различной форме «оптимальных» обвОДОВ. Значения #битый0 и Сбитый ВЫЧИСЛЯЮТСЯ С ПОМОЩЬЮ формул А.Я.Рывлина [65], откорректированных автором на основе анализа результатов попутных исследований танкера «Капитан Готский» в мелкобитых льдах [105], а сопротивление в ледовом канале, заполненном ледовой кашей, определяется с помощью формул К.Риски [19,23]. При расчете сопротивления в сплошном льду принимается, что судно движется во льдах толщиной 1,1 м со скоростью 2,0 узла (в соответствии с результатами модельных испытаний ледовое сопротивление в этом случае составляет 1380 кН), сопротивление в мелкобитых льдах определяется для сплоченности 10 баллов и скорости 8,0 узлов, а сопротивление в ледовом канале учитывается при толщине слоя ледовой каши 2,0 м и скорости хода судна 5,0 узлов. Таким образом, сформулированный критерий «А» отражает комплексное влияние ледовых условий различного типа.
В качестве варьируемых параметров были приняты параметры формы носовой оконечности, причем осадка, ширина и длина по ватерлинии, угол наклона форштевня принимались постоянными.
В качестве ограничений оптимизации были приняты условия равенства на исходном и оптимизированном вариантах ТЧ (для участка корпуса с 0 по 10 теоретические шпаноуты) следующих параметров: водоизмещения, площади верхней палубы, площади ватерлинии на уровне 15 м, абсциссы цента величины. Помимо этого введено следующее условие: на оптимизированном варианте ТЧ площадь смоченной поверхности должны быть не больше, чем на исходном. Эти ограничения отражают как типичные для проектирования судна условия (фиксированность главных размерений, водоизмещения и центра величины), так и специализированные требования по площади ватерлиний. Кроме того, через величину смоченной поверхности косвенно учитываются требования ходкости на тихой воде.
В результате выполнения формальной оптимизации обводов с использованием алгоритмов поиска экстремума в MS Excel, значение критерия (3.79) удалось снизить на 12,5% при выполнении всех ограничений (см. табл.3.3). Сопоставление исходного и оптимизированного вариантов ТЧ приведено на рис. 3.18, из которого видно, что оптимизированный обвод отличается укороченным носовым заострением ватерлинии и более резким притыканием ватерлинии к цилиндрической части. Помимо этого, углы развала шпангоутов (Beta) и наклона ватерлиний (Alfa) на участке (0-K),05)-L снижены, а кормовее 0,05-L, наоборот, - увеличены. Можно также отметить, что для исходного варианта обводов методы В.И.Каштеляна, Б.П.Ионова и К.Риски дают близкое к модельному значение сопротивления, а для оптимизированного варианта оценки сильно расходятся: наибольшее снижение (45%) дает метод Б.П.Ионова, наименьшее - метод В.И.Каштеляна (2%), а согласно К.Риске эффект от оптимизации составляет 15%. Такое отличие свидетельствует о противоречивости использованных методов.
Выявление характеристик корпуса судна, оказывающих наибольшее влияние на массы КЛУ
Решение выполним с помощью уравнения масс (1.6). Сначала необходимо определить постоянные размерения и составляющие нагрузки масс. Поскольку для судна категории Агс8 требуется введение наклонного борта, а число рядов контейнеров по ширине судна не может быть снижено, ширина СЛК должна быть увеличена до 34 м, что позволяет обеспечить угол развала борта 12. Поскольку увеличение осадки судна нежелательно из-за мелководности Арктики, единственным размерением для достижения требуемого водоизмещения является L. Длина в ходе итераций была увеличена с 196,5 м до 225 м, высота надводного борта - до 17 м (по требованиям Правил о грузовой марке). Полученное отношение L/B = 6,62 позволяет обеспечить приемлемую ледовую управляемость судна. В качестве движителей на СЛК приняты центральная валолиния и бортовые поворотные колонки мощностью 12 МВт каждая. Мощность дизель-электрической ЭУ (ДЭЭУ) возросла до 45 МВт, а ее масса составила 3242 т. Для пересчета каждой переменной составляющей нагрузки масс СП принималась своя функция главных размерений, указанная в столбце «Примечание» табл. 5.1. Причем при пересчете массы основного металлического корпуса СЛК на основании СП использовался объем корпуса, определенный при помощи коэффициента общей полноты корпуса CbD при осадке по верхнюю палубу на основании зависимости [30]: CbD = Cb + (l-Cb)- . (5.1)
В результате численного решения уравнения (1.6) относительно коэффициента полноты судна Сь с использованием (4.2) было определено Gny = 4766 т (ReH = 355 МПа) при Cb = 0.703. Для проверки точности решения были выполнены прямые расчеты массы GRy и получено GRy = 4439 т, что на 6% меньше значения по (4.2).
Пример № 2: Необходимо определить характеристики вариантного ряда газовозов LPG рефрижераторного типа вместимостью 80 000 м с ледовыми классами Arc 5 - Агс9.
Соответствующие расчеты выполнены в табл. 5.2. Детали расчетов аналогичны принятым в примере №1. В расчетах принято, что суда с ледовой категорией используют принцип DAS, причем в целях сопоставления у судна с категорией Агс7 рассмотрен также и вариант без использования DAS (разница по весу ледовых усилений составляет ок. 820 т). Также для сопоставления в табл. 5.2 приведены результаты прямых расчетов массы GRy и показаны относительные отклонения по сравнению со значениями, полученными по формуле (4.2). Как видно, отклонения свыше 6% наблюдаются только у судов с категориями Агс8, Агс9.
Пример такой расчетной модели приведен в [42], где для газовозов LNG с помощью регрессионных зависимостей определяются все основные общепроектные характеристики судов в зависимости от вместимости, ледовой категории, проектной скорости хода на чистой воде и предельной ледопроходимости. Формулы [42] для определения нагрузки масс были откорректированы с учетом зависимостей (4.1) и (4.2). В качестве примера в табл.5.3 приведены полученные характеристики судов вместимостью 90 000 м .
Сопоставляя данные рис.5.1 с характеристиками газовозов LPG из примера №2, можно убедиться в том, что для судов близкой вместимости, но с различными соотношениями главных размерении значения рлу также существенно различаются. Например, для газовоза LPG класса Агс7 рлу = 27%, а для газовоза LNG с близкими размерениями и вместимостью рлу = 19%. Это обусловлено как меньшей осадкой газовозов LNG, так и конструктивными отличиями газовозов этих типов.
Пример №4: Необходимо установить как изменится масса металлического корпуса перспективного бурового судна БС034 [101], имеющего класс Агсб, при изменении его ледового класса на Arc5, Arc7, ICE-05 (Норвежский Веритас), и А1 (Американское бюро судоходства). Характеристики бурового судна приведены в [101], экспертная оценка массы металлического корпуса БС034, принятая в данном примере, составляет 25 000т.
На основании зависимости (4.2) можно получить, что масса КЛУ (ReH = 255 МПа) рассматриваемого судна класса Агсб составит Gny = 1743 т, для класса Arc5 GRy = 1061 т, а для класса Arc7 GRy = 3144 т. Отсюда следует, что при снижении ледового класса БС034 до Агс5 уменьшение массы его корпуса составит ок. 680 т., а при присвоении класса Агс7 - масса корпуса возрастет на 1400 т. Отметим, что относительная масса КЛУ у БС034 класса Агс7 составляет всего 14,4% (что обусловлено относительно тяжелым металлическим корпусом судна такого типа), тогда как для судов-газовозов из примеров №2 и №3 эта величина колеблется в диапазоне 19-27%. Это еще раз подтверждает ограниченные возможности использования измерителя рлу для оценок масс КЛУ Оценки изменения массы металлического корпуса для судов с классом иностранных классификационных обществ может быть выполнено на основании исследования [39], где произведена сопоставительная оценка металлоемкости КЛУ, спроектированных по требованиям: PC, МАКО, Германского Ллойда, Финско-Шведских Правил, Английского Ллойда, Норвежского Веритаса, Американского бюро судоходства и Канадской береговой охраны (см. рис.5.2). На основании рис.5.2 можно установить, что для класса ICE-05: Gny = 2094 т, а для А1: GRy = 1402 т, соответственно, в первом случае масса корпуса увеличится на 350 т, а во втором - уменьшится на 340 т.