Введение к работе
Актуальность проблемы. При проектировании судна приходится решать сложную задачу выбора таких характеристик корпуса, которые удовлетворяли бы многочисленным и порой противоречивым требованиям ходкости, прочности, мореходности и др. Погрешности при оценке тех или иных качеств судна приводят к проектным ошибкам, снижению безопасности плавания, ухудшению экономичности.
Прочность судового корпуса определяется изгибающими моментами, которые разделяют на изгибающие моменты на тихой воде, волновые и ударные. Способы определения изгибающих моментов на тихой воде принципиально просты и разработаны подробно. Волновые изгибающие моменты (ВИМ) сначала определялись по схеме статической постановки на волну, что приводило к завышенным запасам прочности. Поэтому к решению задачи были привлечены методы гидродинамики судна, учитывающие влияние качки на ВИМ.
Теоретические исследования сопровождались экспериментами, проводимыми как на моделях в бассейне, так и в натурных условиях на специально оборудованных научно-исследовательских и на обычных судах с установкой датчиков, накапливающих статистические данные о реальных процессах. Но проведение обширного и систематического эксперимента требует больших затрат времени и средств. Применение компьютерной техники дает возможность проводить более дешевые, по сравнению с экспериментом, численные расчеты.
Хотя теорией продольной качки занимаются многие годы, тем не менее, ряд вопросов, играющих важную роль при проектировании судна в целом и его конструкций, испытывающих воздействие волновых нагрузок, исследован недостаточно. Так, отмечается большое влияние на ВИМ момента на тихой воде, который связан с продольным радиусом инерции масс, однако крайне слабо изучено влияние особенностей распределения нагрузки по длине судна при неизменном радиусе инерции масс. Мало изучено влияние формы шпангоутов в оконечностях и высоты надводного борта на мореходность и прочность.
В последние 25 лет участились случаи серьезных повреждений корпусов судов, связанные с нарушением местной и общей прочности и приводящие к гибели судна и экипажа. В частности, только в 1990 г. вместе с навалочниками погибло 200 моряков. По данным Лондонского института страховщиков, в 1987 г. в книгу потерь на море было внесено 139 судов мирового флота валовой вместимостью более 500 per. т. каждое. Количество судов, погибших по причине непогоды, составило 33%, из них 9 танкеров и 24 комбинированных судна (балкеры и балктанкеры), составившие 65% этого тоннажа.
При сильной килевой качке увеличивается вероятность оголения днища с возникновением ударов и повреждений днищевых перекрытий. Заливание палубы водой сопровождается порчей палубных грузов и оборудования и может повлечь смывание недостаточно укрепленных предметов за борт. В особенно неблагоприятных случаях при заливании наблюдается разрушение надстроек или крышек трюмных люков, а вода, попавшая внутрь корпуса, создает угрозу опрокидывания и затопления судна.
Таким образом, изложенное свидетельствует о важности дальнейшей разработки практических рекомендаций для проектирования судна с учетом продольной качки и внешних сил, действующих на корпус при плавании на взволнованной поверхности моря.
В данной работе рассматриваются кинематические параметры продольной (килевой и вертикальной) качки, заливаемость палубы и оголение днища, далее объединяемые термином "мореходность", а также нагрузки, действующие на корпуса судов, плавающих на волнении, в первую очередь - ВИМ, далее "прочность". В общем случае термины мореходность и прочность подразумевают более широкий смысл. Предметом исследования в диссертации являются параметры качки и волновые изгибающие моменты, а объектом исследования - морские суда, плавающие на взволнованной поверхности моря.
Цель работы - исследование влияния проектных и эксплуатационных характеристик на мореходные и прочностные качества судна при движении на взволнованной поверхности моря и разработка рекомендаций по выбору обводов (в надводной и подводной частях) и распределению нагрузки судов с указанных позиций.
Для достижения этой цели в работе поставлены следующие задачи:
-
Анализ существующих теоретических и экспериментальных данных о характеристиках продольной качки и ВИМ судна на волнении.
-
Разработка алгоритмов и программ для расчетов продольной качки и волновых нагрузок в различных условиях.
-
Численное исследование влияния проектных (форма корпуса, коэффициенты полноты) и эксплуатационных (скорость хода, распределение нагрузки, курсовой угол) характеристик на мореходность и прочность. Получение зависимостей и формул, определяющих это влияние.
-
Проведение экспериментальных исследований для обоснования справедливости основных гипотез и проверки достоверности результатов расчетов.
-
Разработка методики и рекомендаций для рационального проектирования судов на основе выполненных исследований.
Методы исследования. При решении поставленных задач в работе используются линейная и нелинейная теории качки судов, движущихся под произвольным курсовым углом к регулярному волнению; спектральная теория для расчета качки и прочности судов на нерегулярном волнении; численные методы решения дифференциальных уравнений второго порядка (метод Рунге-Кутта); эксперименты на крупномасштабной модели с использованием тензо-метрических методов измерений напряжений и гироскопических приборов для измерения качки; статистические методы обработки экспериментальных записей случайных процессов; методы поиска оптимального решения.
Научная новизна и практическая ценность работы.
1. Программно-методическое обеспечение для расчетов параметров продольной качки и прочности судна на косом волнении при различных эксплуатационных и проектных характеристиках для использования в исследовательских целях и в учебном процессе.
2. Систематизированные результаты исследований влияния основных
факторов на параметры качки и ВИМ при проектировании, эксплуатации, мо-
іернизации и переоборудовании судов.
-
Способ размещения грузов на судне, уменьшающий ВИМ.
-
Патент на архитектурно-конструктивный тип судна, реализующий ука-іанньїй способ.
На защиту выносятся следующие основные результаты работы:
-
Алгоритм и методика расчета продольной качки и ВИМ на различном волнении, включая нетрадиционное.
-
Формулы для определения амплитуд вертикальной и килевой качки и ВИМ для нормативных значений обеспеченности при расчетах на начальных стадиях проектирования судна.
-
Формула, позволяющая оценить снижение ВИМ при несимметричном перераспределении нагрузки относительно миделя.
-
Методика выбора рациональных соотношений главных размерений и формы корпуса на основе комплексного критерия, учитывающего прочностные и мореходные качества.
Достоверность научных положений и рекомендаций обоснована: общепринятыми апробированными исходными положениями; проведением экспериментальных исследований кинематических характеристик и ВИМ на крупномасштабной самоходной модели судна; соответствием полученных результатов с данными других авторов.
Апробация работы. Основные положения и результаты проведенных исследований доложены и обсуждены на научно-технических конференциях в 1996-2000 гг.: Международная конференция "Проблемы прочности и эксплуатационной надежности судов" (г. Владивосток) в сентябре 1996 г.; II International Students' Congress of the Asia-Pacific Region Countries (Vladivostok) в апреле 1997 г.; II международная конференция "Проблемы транспорта Дальнего Востока" (г. Владивосток) в октябре 1997 г.; региональная научная конференция "Молодежь и научно-технический прогресс" (г. Владивосток) в апреле 1998 г.; Международная конференция "Кораблестроение и океанотехника. Проблемы и перспективы" (г. Владивосток) в сентябре 1998 г.; Международная конференция по судостроению: ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова (г. Санкт-Петербург) в декабре 1998 г.; Ill International Students' Congress of the Asia-Pacific Region Countries (Vladivostok) в апреле 1999 г.; Международная конференция "Проблемы прочности и эксплуатационной надежности судов" (г. Владивосток) в сентябре 1999 г.; III международная конференция "Проблемы транспорта Дальнего Востока" (г. Владивосток) в октябре 1999 г.; конференция по строительной механике корабля памяти проф. П.Ф. Папковича: ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова (г. Санкт-Петербург) в апреле 2000 г.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 15 научных статей, поданы 2 заявки на изобретение, по одной из них получен патент.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Работа содержит 128 страниц основно-
го текста, 62 иллюстрации, 26 таблиц и список литературы из 147 наименований. Объем приложений составляет 59 страниц.