Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор и постановка задачи исследования 10
1.1. Этапы и тенденции развития контейнеровозов 10
1.2. Развитие безлюковых контейнеровозов и анализ их эффективности 14
1.3. Обзор методов проектирования контейнеровозов 27
1.4. Обзор методов расчета общей прочности судна 35
1.5. Постановка задачи исследования 39
Глава 2. Выбор расчетной модели типовой конструкции корпуса безлюкового контейнеровоза 41
2.1. Архитектурно-конструктивные особенности без люковых контейнеровозов 41
2.2. Выбор расчетного варианта архитектурно-конструктивного типа безлюкового контейнеровоза 45
2.3. Типовая расчетная модель конструкции корпуса безлюкового контейнеровоза 52
2.4. Выводы по главе 62
Глава 3. Особенности проектирования без люковых контейнеровозов 64
3.1. Определение длины судна 64
3.2. Определение ширины судна 73
3.3. Особенности определения высоты надводного борта. Учет заливаемости судна 76
3.4. Определение коэффициентов формы корпуса 86
3.5. Определение мощности энергетической установки 89
3.6. Определение осадки судна. Уравнение нагрузки 92
3.6.1. Особенности решения уравнения нагрузки 92
3.6.2. Определение водоизмещения порожнем 94
3.6.3. Определение дедвейта 100
3.6.4. Определение независимых моделируемых масс 103
3.6.5. Уравнение нагрузки в функции главных размерений 108
3.7. Выводы по главе 109
Глава 4. Применение метода модуль-элементов на начальных стадиях проектирования безлюкового контейнеровоза 110
4.1. Критерии жесткости при проверке прочности 111
4.2. Метод модуль-элементов в применении к расчетам прочности безлюковых контейнеровозов на начальных. стадиях проектирования 114
4.2.1. Основные зависимости метода модуль-элементов 115
4.2.21 Типовой модуль-элемент безлюкового контейнеровоза 119
4.2.3. Выбор координатных функций 122
4.2.4. Матрица жесткости призматического модуль-элемента 125
4.2.5. Матрица жесткости непризматического модуль-элемента 132"
4.2.6. Матрица жесткости плоскостного модуль-элемента 134
4.2.7. Матрица жесткости рамного модуль-элемента 139
4.3. Методика автоматизации расчетов НДС корпуса судна методом модуль-элементов 142
4.3.1. Принципы автоматизации разбиения корпуса судна на модуль-элементы и формирования матрицы индексов 144
4.3.2. Автоматизация формирование общей матрицы жесткости 150
4.3.3. Автоматизация формирование вектора обобщенных сил 159
4.4. Выводы по главе 163
Глава 5. Математическая модель и методика проектирования безлюковых контейнеровозов на начальных стадиях 165
5.1. Математическая модель проектирования 165
5.1.1. Исходные принципы разработки математической модели начального проектирования БЛКВ 166
5.1.2. Исходные данные и основные ограничения ММП БЛКВ 167
5.1.3. Методика определения.основных проектных элементов БЛКВ в первых приближениях 171
5.2. Принципы оптимизационного проектирования на основе разработанной методики начального проектирования БЛКВ 174
5.3. Реализация математической модели начального проектирования БЛКВ и обработка результатов исследования на тестовых примерах 180
5.3.1. Программная реализация расчетной модели начального проектирования БЛКВ 180
5.3.2. Тестовый расчет по модели начального проектирования БЛКВ и анализ результатов 183
5.3.3. Программная реализация методики автоматизации расчета НДС корпуса судна ММЭ 186
5.3.4. Тестовый расчет НДС по ММЭ и анализ результатов 191
5.4. Выводы по главе 200
Заключение : 201
Список литературы 203
Приложение
- Развитие безлюковых контейнеровозов и анализ их эффективности
- Выбор расчетного варианта архитектурно-конструктивного типа безлюкового контейнеровоза
- Особенности определения высоты надводного борта. Учет заливаемости судна
- Метод модуль-элементов в применении к расчетам прочности безлюковых контейнеровозов на начальных. стадиях проектирования
Введение к работе
Актуальность темы. «Все меньшего и меньшего, чем когда либо
прежде, судовладельцы ждут от судов: они ожидают корабли обслуживаемые
меньшим количеством команды, с меньшей стоимостью и меньшими
эксплутационными расходами» - так начал свое выступление на 12-й
международной конференции по морской энергетике ее
председательствующий Дэвид Моттран. И в тоже время он отметил, что главным критерием-выбора проектов, была и остается надежность, в широком понимании этого слова [125].
Единственный путь удовлетворения потребностей судовладельцев - это улучшать существующие проекты и создавать новые. Одним из таких типов судов, является безлюковый тип контейнеровоза. По своим эксплутационно-экономическим показателям безлюковые контейнеровозы (БЛКВ) более экономичны по сравнению с традиционными контейнеровозами и введение их в состав отечественного флота, повысило бы его эффективность. Но если за рубежом интенсивно проводятся исследования в этой области и в последние годы сдано в эксплуатацию более семидесяти БЛКВ, то в нашей стране ощущается пробел в научных и конструкторских исследованиях по этой тематике.
Процесс проектирования судов является многоэтапным и отличается своей сложностью. Однако в ' настоящее время на помощь проектантам приходят современные компьютерные системы автоматизированного проектирования (САПР), которые позволяют разрабатывать качественно и в сжатые сроки проекты новых судов. Основой для разработки технических проектов служат результаты, получаемые на ранних стадиях проектирования с использованием исследовательских САПР, которые предназначены для обеспечения многовариантного исследования проектной концепции судна с последующим выбором контрактного варианта в виде технического задания
или предложения. Использование исследовательских систем позволяет получать оптимальные характеристики вариантов судов. Но следует отметить, что данные системы являются «фирменными» инструментами и не предназначены для тиражирования.
Для того, чтобы отечественные проектные организации могли эффективно конкурировать с зарубежными, необходима разработка отечественных исследовательских САПР для различных типов судов и, в первую очередь, перспективных концепций. Особенно это актуально для БЛКВ, отечественный опыт проектирования которых отсутствует. Это требует, в первую очередь, разработки методики начального проектирования и соответствующей ей математической модели проектирования БЛКВ, предназначенной для использования в исследовательских САПР судов данного типа. В силу сказанного, разработка и внедрение методики определения главных размерений БЛКВ на начальных стадиях проектирования является актуальной научной и народохозяйственной задачей.
Цель работы - повышение качества проектных разработок судов новых типов на уровне технического предложения с использованием анализа их конструкций и более совершенных методик проектирования на примере проектирования БЛКВ, имеющих специфику конструкции корпуса и проблемы обеспечения его прочности и жесткости.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
выполнен анализ архитектурно-конструктивных особенностей БЛКВ и дано обоснование рациональной схемы общего расположения и архитектурно-конструктивной схемы рассматриваемого типа контейнеровоза;
разработана типовая расчетная модель конструкции корпуса БЛКВ для применения в математической модели проектирования (ММП) БЛКВ;
проведен статистический анализ проектных характеристик современных контейнеровозов и универсальных сухогрузных судов (УСС) с целью использования результатов в ММП БЛКВ;
- проработаны вопросы проектирования БЛКВ, связанные с их
конструктивными особенностями;
- разработана методика и математическая модель определения главных
размерений при проектировании БЛКВ;
- разработаны^ методика и алгоритмы автоматизации проверочных
расчетов прочности методом модуль элементов (ММЭ) с целью их применения
на начальных этапах проектирования;
создано программное обеспечения для ЭВМ, реализующее разработанные модели и методики проектирования;
проведены тестовые расчеты, и проверка работоспособности разработанных методик и*моделей.
Объектом исследования являются БЛКВ.
Методы исследований. Решение задач проектирования БЛКВ основывается на классических методах проектирования, теории и конструкции корпуса корабля. Определение напряженно-деформированного состояния (НДС) корпуса судна на начальных стадиях проектирования, производилось.с применением метода модуль-элементов (ММЭ).
На защиту выносятся:
- типовая параметрическая расчетная модель конструкции корпуса
БЛКВ;
численная модель расчета весовой нагрузки БЛКВ на основе типовой параметрической расчетной модели конструкции корпуса;
математическая модель и методика определения главных размерений БЛКВ, основанная на принципе проектирования судна от параметров грузового штабеля;
модель стандартизированного модуль-элемента (МЭ) для расчетов общей прочности БЛКВ по ММЭ;
методика и соответствующая ей численная модель автоматизации расчетов общей прочности по ММЭ;
- результаты численных исследований по предлагаемым методикам;
- алгоритмы и компьютерные программы автоматизации начального
проектирования БЛКВ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 научных работ (7 в соавторстве), в том числе 17 статей. Зарегистрировано 2 программы для ЭВМ.
Автор благодарит доцента Мытника Н. А. и доцента Чижиумова С. Д., сотрудников кафедры кораблестроения КнАГТУ, кафедр конструкции и проектирования судов ДВГТУ за ценные замечания, учтенные при написании данной работы.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю — заслуженному работнику ВШ РФ, д.т.н., профессору Таранухе Николаю Алексеевичу.
Развитие безлюковых контейнеровозов и анализ их эффективности
Идея возможности исключения люковых закрытий трюмов на контейнеровозах в Австралии была выдвинута в 1985 году компанией Advance Ship Design (ASD). Новая концепция» ASD предполагала открытую конструкцию трюмов, отсутствие люковых закрытий, комингсов и систем крепления палубных контейнеров, повышение эффективности в эксплуатации контейнеровоза нового архитектурно-конструктивного типа в сравнении со стандартным судном [80,119]. Первым классическим контейнеровозом открытого типа стал «Bell Pioneer», сданный заказчику, компании Bell Lines, в августе 1990 года, (рис. 1.4). В его проектировании приняли участие эксперты из Европы, Дальнего Востока, Австралии и США, которые привлекались к работе на всех этапах исследований и разработок [113]. Устройство открытых контейнерных трюмов снижает примерно на 25% время стоянки судна в порту, которое также сокращается и за счет новой конструкции вертикальных направляющих. За контейнеровозом «Bell Pioneer» последовало второе судно этой серии «Euro Power» (серия из пяти единиц), спущенное в 1992 году (рис. 1.5). В конструкцию этого судна внесены изменения по опыту эксплуатации головного (табл. 1Д)[98]. Затем концепция открытого контейнеровоза получила свое дальнейшее развитие. Компания Nedlloyd Line B.V на японских верфях построила пять судов открытого типа контейнеровместимостью 3586 TEU (рис. 1.6) [102]. На верфи Howalds Werke - Doutsche Werft AG в период с 1993 по 1996 годы для компании Norasia Lines было построено 5 БЛКВ типа «Norasia Fri-bourg» контейнеровместимостью 2780 TEU (рис. 1.8 - 1.9). Контейнеровозы данного типа являются одновинтовыми гладкопалуб-ными судами с коротким баком и кормовым расположением машинного отделения. Корпус имеет наклонный форштевень, бульб и транцевую корму. Грузовой участок на этих судах защищен от прямого потока воздуха и волн высоким обтекаемым волноломом, расположенным на баке впереди первого контейнерного ряда (табл. 1.1) [ 116]. В 1998 году компания Norasia Shipping Ltd заказала этой же судостроительной компании серию из 5 БЛКВ контейнеровместимостью 1400 TEU (рис. 1.10-1.11). Как и у контейнеровозов типа «Norasia Fribourg», у этих судов только 2 носовых трюма имеют люковые закрытия (табл. 1.1). Особенностью данных БЛКВ является смещение блока помещений экипажа и ходовой рубки к носовой переборке машинного отделения.
За счет этого была снижена высота борта в кормовой части судна [97,105]. В 1992 году для голландской судоходной компании Oost Atlantic Lijn (Rotterdam) на верфи Veroime Heusden (Heusden) были построены два БЛКВ типа «Atlantic Lady» [84], являющиеся первыми чисто безлюковыми контейнеровозами. «Atlantic Lady» одновинтовое с дизельной ЭУ контейнерное судно (рис. 1.12-1.13), конструктивно отвечающее правилам Регистра Ллойда и Судостроительным Правилам Нидерландов для судов с неограниченным районом плавания и оборудованных автоматизированным машинным отделением. Кроме того, конструкция контейнеровоза и его оборудование отвечает правилам о грузовой марке, МАРПОЛ и другим аналогичным требованиям мировых торговых перевозок. Рубка и помещения экипажа расположены в носу, в трехярусной надстройке на палубе бака. По всей длине грузовой части судна расположены открытые грузовые трюмы [85]. Суда типа «Atlantic Lady» стали первыми из контейнеровозов, не имеющих ни одного закрытого трюма, в благодаря вынесенному далеко в нос блоку управления и помещений экипажа.
Самой большой серией БЛКВ стали суда типа 168 и его модификаций, строящиеся для разных транспортных компаний с 2001 года на верфи «J.J. Sieas» (Гамбург). На начало 2007 г. уже построено сорок три контейнеровоза этого типа (табл. 1.1). Эти суда представляют собой фидерные контейнеровозы с компактной надстройкой в корме, что позволило разместить большее количество контейнеров над МО (рис 1.14). Только носовой трюм, предназначенный для перевозки опасных грузов, имеет люковые закрытия. Модификация проекта заключалась в установке на судне кранов и отказе от ледовых усилений по требованиям заказчиков [132]. Летом 2006 г. на верфи IHC Holland Merwede (Голландия) был спущен БЛКВ «Rijnborg» вместимостью 1700 TEU, строящийся для компании Royal Wagenborg (рис. 1.15). По конструкции «Rijnborg» напоминает контейнеровоз «Atlantic Lady», за исключением того, что в носовой части оборудован небольшой трюм (табл. 1.2) [131]. Пока еще не многие судоходные компании заказывают для себя БЛКВ, что связано с изучением опыта эксплуатации судов такого типа, но многие проектные и судостроительные компании ведут инициативные проектные проработки по БЛКВ, чтобы иметь в своем портфеле предложений проекты и таких типов судов. Так датская судостроительная группа Conoship для своего портфеля заказов разработала ряд эскизных проектов фидерных БЛКВ контейнеровместимо-стью от 400 до 1500 TEU (рис. 1.16). В табл. 1.2 приведены основные характеристики ряда разработанных проектов [100].
Выбор расчетного варианта архитектурно-конструктивного типа безлюкового контейнеровоза
В настоящее время наблюдается стабильная тенденция роста применения контейнеров при перевозке грузов. Как известно, контейнер представляет один из самых экономичных вариантов транспортировки товара, его удобно использовать на любых видах транспорта. Фактически неограниченная номенклатура товаров, перевозимых в контейнерах, привела к тому, что динамика оборота этой отрасли превзошла динамику мировой торговли в целом. Если в 2004 году между Европой и Азией было перевезено 10,5 млн. TEU, то в 2008 году аналитики прогнозировали увеличения объема до 15 млн., что соответствовало росту перевозок в 50%. На маршруте между Северной Америкой и Северной Азией этот показатель должен был вырасти с 14,3 млн. до 20,6 млн. TEU. «В перспективе в контейнерах будут перевозиться практически все генеральные грузы», - отметил директор по производству "ЛенморНИИпроекта" Сергей Семенов [130].
В последние годы мировой контейнерный флот увеличивался в среднем на 12 % в год, а рост флота у крупнейших операторов контейнерных перевозок на 20 %. Так, швейцарская компания MSC всего за пять последних лет увеличила количество своих контейнеровозов почти в два раза [130]. При этом наблюдается увеличение размеров контейнеровозов и их контейнеровместимости, связанное с изменением технологии морских перевозок. Если раньше фидерные контейнеровозы перевозили до 300 TEU, а затем 600-700 TEU, то теперь требуются фидерные контейнеровозы вместимостью 1000 TEU. Тоже самое происходит с линейными перевозками: вместо контейнеровозов, рассчитанных на 1000 TEU, теперь для линий требуются контейнеровозы вместимостью свыше 2000 TEU [94]. Для магистральных трансконтинентальных линий в настоящее время строятся контейнеровозы вместимостью свыше 9000 TEU и обсуждается перспектива постройки суперконтейнеровоза на 15 тыс. TEU [93, 130]. О состоянии мирового контейнерного флота можно судить из таблицы 2.1.
На январь 2008 года мировой специализированный контейнерный флот (cellular fleet) насчитывает 4318 судов общей вместимостью 10.922.000 TEU. Как видно из таблицы, за 7 лет мировой контейнерный флот увеличился вдвое, однако пропорция отношения судов различных групп контейнеровместимости остается прежней. Наиболее популярным и требуемым в мировой морской торговле типом контейнеровоза является "Хэндисайз", т.е. контейнеровозы средней контейнеровместимости.
Кроме того, в связи с вводом в эксплуатацию суперконтейнеровозов все больше будут возрастать фидерные перевозки вследствие изменений в логистической цепочке доставки грузов. При работе по схеме трансшипмента магистральный контейнеровоз не доходит до места назначения или отправления. Разгрузка проводится в глубоководном порту, а затем контейнеры транспортируют фидерными судами. Такая схема позволяет существенно сокращать время кругового рейса суперконтейнеровозов.
Понимая проблему недостатка транспортных судов в отечественном флоте, в том числе и контейнеровозов, правительство России неоднократно рассматривало планы развития судостроительной промышленности и отечественного морского флота. Так, до 2000 года планировалось построить 22 контейнеровоза [126]. При этом следует отметить, что основная доля контейнеровозов, предполагавшихся к постройке (70%), должна была относится к классу "Хэндисайз" (табл. 2.2).
По сути дела данный план будет выполнен только в 2009 году. С 1993 до 2008 год было построено 10 контейнеровозов вместимостью до 1100 TEU. В начале февраля2008 года В строй вступил еще один контейнеровоз «FESGO Argun»-[129]. Контейнеровозов-вместимостью от 1700 TEU до 2008 года.было построеноЗ и еще 3 находится в постройке. Такжев-2006 году была-построена серия их трех судов вместимостью 2700EU и до конца 2009 года в строй должны вступить еще 3 контейнеровоза вместимостью свыше 3000 TEU.,
Как видно, большинство построенных для отечественного флота контейнеровозов (более 70%) относится к классу контейнеровозов вместимостью 1000-2000 TEU. С учетом того, что в последнее время, по мнению аналитиков, ДВМП в своей стратегии сделало акцент на контейнерные перевозки в фидерном секторе (судами до 2,5 тыс. TEU) [130], контейнеровозы класса "Хэндисайз" будут наиболее востребованы на рынке отечественных контейнеровозов. На втором месте по популярности и потребности на мировом; рынке являются два класса контейнеровозов: "Фидмакс" и" "Суб-Панамкс". Первые вместимостью от 500 до 1000 TEU, а вторые от 2000 до 3000 TEU. Исходя из вышеизложенного, в данном» исследовании будет рассматриваться модель проектирования, ориентированная на контейнеровозы вместимостью 500-2500 TEU, которые являются наиболее перспективными с точки зрения участия в перевозках контейнеров в Азиатско-Тихоокеанском регионе с учетом планов развития интермодальных перевозок через территорию России.
Особенности определения высоты надводного борта. Учет заливаемости судна
При проектировании классических контейнеровозов с люковыми закрытиями значение высоты борта регламентируется достаточно жестко. Значение высоты борта определялось высотой штабеля контейнеров в грузовом трюме. В отношении безлюковых контейнеровозов следует отметить отсутствие прямого влияния геометрических параметров груза на величину высоты борта [19]. В общем случае значение высоты борта судна Н определяется как где F— высота надводного борта; Т- осадка судна. Осадка судна Т, входящая в формулу (3.3.1), определяется в процессе решения уравнения нагрузки в функции главных размерений. Поэтому, на значение высоты борта Н в большей степени будет влиять значение высоты надводного борта F. Высота надводного борта для безлюковых контейнеровозов является очень важной характеристикой.
От ее значения зависит непотопляемость, прочность судового корпуса на кручение и изгиб, параметры остойчивости на больших углах крена, а также уровень заливаемости грузовых трюмов, что влияет на выбор мощности и количества осушительных насосов. Кроме того, от величины надводного борта может зависеть установка на судне успокоителей качки. Например, в том случае, если расчетная амплитуда бортовой качки судна будет больше амплитуды, определенной из условия попадания в трюм судна минимального количества забортной воды во время шторма, необходимо устанавливать успокоители качки, снижающие ее амплитуду до необходимого уровня. Также величина высоты надводного борта напрямую влияет на экономические показатели эксплуатации судна.
От нее зависит уровень всех платежей, высчитываемых на основе кубического модуля или регистровой вместимости судна. Таким образом;, все это вызывает определенные трудности при выборе высоты надводного борта для безлюковых контейнеровозов. По сути дела величина F является независимой и может принимать свои значения в достаточно широком диапазоне. Поэтому на начальных стадиях проектирования высоту надводного, борта F следует выделять в оптимизируемые параметры математической модели проектирования с подбором ее значения по экстремуму целевой функции. При этом следует учитывать возможный диапазон изменения оптимизированной величины и различные ограничения, накладываемые на ее значение. В общем случае диапазон возможных значений для высоты, надводного борта определяется минимально и максимально допустимыми ее значениями Минимально допустимое значение высоты надводного борта Fmin определяется требованием к непотопляемости судна-и должно соответствовать значению минимального надводного борта F? (рис. 3.4), определенного по Правилам о грузовой марке Российского Морского Регистра Судоходства [64]. Хотя верхнее значение высоты надводного борта Fmax напрямую ничем не ограничено, тем не менее, в математическую модель необходимо ввести искусственное ограничение максимально допустимого значения. За такое ограничение принимается следующий вариант конструктивного оформления поперечного сечения грузовых трюмов: борт судна полностью закрывает контейнерный груз (рис. 3.4). Однако это ограничение удобнее накладывать не на значение высоты надводногоборта F, а на полную высоту борта судна Н, так как его очень, удобно связать с параметрами контейнерного груза.
В этом случае максимально допустимое значение Нтах можно определить относительно ярусности контейнерного штабеля по формуле где Аои - высота опорной тумбы на настиле второго дна; /L - габаритная высота промежуточных опорных фиксаторов. „ячеистая направляющая На промежуточные значения F накладываются ограничения по непотопляемости, заливаемости, остойчивости, качке и прочности. Ограничение по непотопляемости, накладываемое на значение высоты надводного борта, назначается в виде запаса дополнительной плавучести, величина которого задается через значения минимального надводного борта F . Данное ограничение по непотопляемости согласно (3.3.4) является нижней допустимой границей значения F и в математической модели проектирования выполняется автоматически. Изменение значения высоты надводного борта F, а в целом и высоты борта Н влияет на параметры общей прочности корпуса судна при его общем изгибе и кручении. Влияние это не однозначно. Так, при снижении значения F вследствие уменьшения отстояния палубных конструкций от нейтральной оси поперечного сечения всего корпуса судна момент сопротивления палубы судна увеличивается, что благоприятно влияет на параметры прочности при общем изгибе корпуса судна на волнении, но при этом снижается крутильнаяs жесткость корпуса. При увеличении значения F отстояние палубных конструкций от нейтральной оси увеличивается, что приводит к уменьшению момента сопротивления палубы судна при общем изгибе и, соответственно, к увеличению уровня напряженного состояния в палубных конструкциях. Однако, при этом, крутильная жесткость корпуса судна увеличивается. Более подробно- вопросы обеспечения общей прочности корпуса судна рассматриваются в следующей главе. Также неоднозначен характер влияния значения высоты надводного борта F на параметры качки и остойчивости судна. В первую очередь это связано с изменением аппликаты центра тяжести судна, что влечет за собой улучшение или ухудшение параметров качки и остойчивости. Так, для обеспечения требуемой начальной остойчивости, которая регламентируется значением начальной метацентрической высоты h0 , следует снижать значение F.
При обеспечении требуемой остойчивости судна на больших углах крена взаимосвязь между требованиями и значением высоты надводного борта более сложная. Так, определенный по диаграмме остойчивости угол крена на установившейся циркуляции ( 9С ) или под действием постоянного бокового ветра (6V ) должен быть не более половины угла, при котором верхняя палуба входит в воду {9:а\ - угол заливания), в тоже время- угол крена не должен превышать 15 [62]. Для выполнения этих требований в первом случае следует увеличивать значение F, так как это ведет к увеличению 9za\ , темп роста которого выше чем вс и 6V ; во втором случае значение F следует уменьшать, что влияет на снижение значений вс и 9V. Такая же картина наблюдается при выполнении остальных требований. Более подробно ограничения по остойчивости и качке приводятся в математической модели проектирования БЛКВ. Вопросы заливаемости для контейнеровозов, а особенно для БЛКВ являются очень важной проблемой. Во-первых, с воздействием волн на незащищенный надводным бортом груз связаны вопросы обеспечения целостности и сохранности контейнерных грузов. Во-вторых, с заливаемостью грузовых трюмов от волн и брызг связаны вопросы обеспечения самой безопасности плавания судна. Вопросы обеспечения целостности и сохранности груза характерны как для безлюковых, так и для классических контейнеровозов, у которых более 50% контейнерного груза перевозится на крышках грузовых люков. Она связана с двумя аспектам: потеря контейнеров вследствие непрочного их раскрепления и повреждение контейнера от гидродинамического удара олн [96,119]. В следствии того, что все контейнеры на БЛКВ жестко закреплены между направляющими ячеистых конструкций, то их потеря во время шторма полностью исключается [104]. Отношение Н/Т у БЛКВ составляет Н/Т = \.94± 0.07, а у классических -Н/Т = 1.46 ±0.11. Отсюда видно, что высота надводного борта, при одинаковой контейнеровместимости, у БЛКВ выше, чем у обычных контейнеровозов. Это понижает вероятность повреждения контейнеров от гидродинамического удара на безлюковых судах. Поэтому данные аспекты, связанные с воздействием волн на контейнерный груз, в модели начального проектирования можно не учитывать.
Метод модуль-элементов в применении к расчетам прочности безлюковых контейнеровозов на начальных. стадиях проектирования
В качестве расчетной модели реального судового корпуса принимается произвольно нагруженная непризматическая тонкостенная складчатая оболочка, подкрепленная продольно-поперечным набором и имеющая произвольные очертания в поперечных сечениях. Оболочка разбивается по длине поперечными сечениями на отдельные пространственные модуль-элементы (МЭ), являющиеся также тонкостенными оболочками (рис. 4.3). Степень дискретизации оболочки на модуль-элементы зависит от условий конкретной задачи и является одним из основных факторов, влияющих на точность расчетов. Согласно рассматриваемой полубезмоментной модели оболочки, в поперечных сечениях могут возникать одни только нормальные ох и параллельные срединной поверхности касательные тх, напряжения, распределенные по толщине h оболочки равномерно. На площадках же продольного сечения, помимо нормальных и сдвигающих усилий, могут возникать также и поперечные моменты Ms вместе с сопровождающими их поперечными силами N. Крутящие и продольные изгибающие моменты в срединной поверхности оболочки отсутствуют. Модель этого напряженного состояния представлена на рисунке 4.4.
В каждом поперечном сечении реальные обводы корпуса судна заменяются ломаным контуром, имеющим с прямолинейных участков между т узловых точек. Предполагая, что контур поперечного сечения абсолютно нерастяжим и допуская справедливость гипотезы плоских сечений для каждой из пластинок складчатой оболочки в отдельности (при их деформации в своей плоскости), можно считать, что каждое поперечное сечение обладает т продольными и п=2т-с поперечными степенями свободы. В качестве основных неизвестных ММЭ принимаются продольные и поперечные обобщенные перемещения /,( )и Vk(x) (где / =\...т, к=\...п), которые могут принимать определенный геометрический смысл: перемещения плоскости поперечного сечения как жесткого целого, смещения отдельных узлов, перекосы контура и т.п. Исходя из общепринятых допущений ММЭ, следует, что напряженно-деформированное состояние оболочки будет полностью определено, если будут найдены перемещения срединной поверхности оболочки w, V и w по всей области. Указанные перемещения в ММЭ представляются на основании вариационного метода Власова-Канторовича в виде конечного числа произведений неизвестных обобщенных перемещений и соответствующих зараннєє выбранных координатных функций: вследствие принятия гипотезы о нерастяжимости поперечного сечения, не является независимым, так как определенному обобщенному перемещению Vk (х) соответствуют взаимозависимые координатные функции у/к (s), хк (?) -Если задается у/к (s), то через нее определяется %к (5) и наоборот. Это позволяет исключить из числа неизвестных поперечные нормальные перемещения и, тем самым, перевести задачу из трехмерной в двухмерную, уменьшить на порядок общее число неизвестных.
По аналогии с МКЭ в ММЭ между узловыми обобщенными перемещениями и соответствующими узловыми обобщенными усилиями МЭ существует зависимость: где [к] - матрица жесткости (МЖ) МЭ; {q}- вектор-столбец узловых обобщенных перемещений; {R} - грузовой вектор-столбец. Один из этапов ММЭ, как и в классическом МКЭ - это формирование МЖ отдельного МЭ. Согласно теореме Клайперона удвоенное значение потенциальной энергии линейной упругой системы равно сумме произведений внешних обобщенных сил на соответствующие им обобщенные перемещения. То есть или в матричной форме Исключая отсюда с помощью зависимости (4.2.3) вектор узловых усилий {R}, получаем где krl - коэффициенты МЖ. Выражения, которые в развернутой формуле потенциальной энергии П окажутся соответствующими величинами krl и будут коэффициентами искомой матрицы жесткости модуль-элемента. Процедура стыковки модуль-элементов и получение общей матрицы жесткости [К] и общего вектора нагрузок \Р}, т.е. формирование разрешающей системы уравнений для всей конструкции
