Содержание к диссертации
Введение
1 Развитие теории проектирования ледоколов 12
1.1 Становление и развитие исследований в области проектирования ледоколов 12
1.1.1 Развитие ледокольного флота 12
1.1.2 Поиски формы корпуса ледоколов 25
1.1.3 Архитектурно-конструктивный тип речных ледоколов 37
1.1.4 Пропульсивные комплексы речных ледоколов 40
1.2 Исследование льда как препятствия судоходству 44
1.2.1 Ледовые условия на внутренних водных путях 44
1.2.2 Математические модели деформирования и разрушения ледяного покрова 48
1.2.3 Некоторые физико-механические характеристики ледяного покрова.65
1.3 Методы исследования ледовой ходкости 67
1.3.1 Анализ методов оценки сопротивления льда движению судов 67
1.3.2 Физическое моделирование ледовой ходкости 77
1.4 Проблемные вопросы проектирования ледоколов 92
1.4.1 Современное состояние теории проектирования применительно к ледоколу 92
1.4.2 Критерии оптимизации при определении основных проектных характеристик ледоколов 93
1.4.3 Формулирование цели исследований 95
1.5 Резюме 97
2 Моделирование взаимодействия ледокола со льдом 98
2.1 Феноменологические модели взаимодействия корпуса со льдом 98
2.1.1 Взаимодействие корпуса с ледяным покровом 98
2.1.2 Взаимодействие ледокола с обломками льда 101
2.2 Модели деформирования и разрушения ледяного покрова 103
2.2.1 Равновесие ледяной пластины с трещинами 103
2.2.2 Аналитическая модель последовательности образования магистральных трещин в ледяном покрове 105
2.2.3 Численная модель образования трещин в ледяном покрове 108
2.2.4 Критерии определения предельной разрушающей нагрузки 113
2.3 Экспериментальные исследования разрушения ледяного покрова 117
2.3.1 Методика проведения экспериментальных исследований 117
2.3.2 Результаты испытаний и их анализ 122
2.4 Физическое моделирование взаимодействия корпуса со льдом 133
2.4.1 Теоретические аспекты моделирования 133
2.4.2 Моделирование в естественном льду 135
2.4.3 Модель ледяного покрова композитной конструкции 140
2.5 Резюме 142
3 Математическое моделирование ледовой ходкости 143
3.1 Непрерывное движение ледокола в сплошном льду 143
3.1.1 Анализ составляющих ледового сопротивления 143
3.1.2 Сопротивление ледокола связанное с разрушением сплошного льда... 146
3.1.3 Сопротивление обломков льда при движении в сплошном ледяном поле 154
3.1.4 Сопротивление снега при движении ледокола 158
3.1.5 Чистое ледовое сопротивление 166
3.1.6 Автоматизированный расчет коэффициентов формы корпуса ледокола 167
3.1.7 Полуэмпирический метод расчета сопротивления в сплошном льду...171
3.1.8 Критерии оценки качества обводов ледокола с точки зрения сопротивления сплошного льда 176
3.1.9 Анализ форм корпуса современных речных ледоколов 177
3.2 Теоретико-экспериментальная модель работы ледокола набегами 181
3.2.1 Теоретический расчет средней скорости движения ледокола набегами 181
3.2.2 Настройка расчетного метода на данные натурных испытаний 190
3.3 Резюме 205
4 Обоснование теории проектирования ледокола 206
4.1 Математическая модель проектирования речного ледокола 206
4.1.1 Структура математической модели проектирования 206
4.1.2 Исходные данные и допущения при построении математической модели 207
4.1.3 Аналитические уравнения проектирования 209
4.1.4 Анализ нагрузки и составляющих уравнения масс речного ледокола... 210
4.1.5 Уравнения ходкости и характеристики теоретического чертежа ледокола 218
4.1.6 Ограничения оптимизируемых параметров 219
4.1.7 Выбор дополнительных параметров математической модели 222
4.2 Технико-экономическое обоснование проектных характеристик 224
4.2.1 Анализ вариантов технических заданий на проектирование 224
4.2.2 Схематизация ледовых условий при проектировании 225
4.2.3 Обоснование критериев оптимизации 228
4.2.4 Обоснование выбора оптимизируемых параметров 232
4.2.5 Обоснование метода оптимизации 234
4.3 Вычислительные схемы и алгоритмы оптимизации 235
4.3.1 Генерирование теоретического чертежа носового заострения 235
4.3.2 Генерирование теоретического чертежа судна 245
4.3.3 Расчет параметров формы корпуса, влияющих на ледовую ходкость... 248
4.3.4 Расчеты ходкости в различных ледовых условиях и определение характеристик пропульсивного комплекса 252
4.3.5 Проверочные расчеты остойчивости судна 257
4.3.6 Алгоритм определения основных элементов ледокола 257
4.3.7 Интерактивный режим работы с пакетами прикладных программ 259
4.4 Резюме 263
5 Прикладные задачи проектирования ледокола 264
5.1 Влияние формы корпуса и основных элементов ледокола на его
ледокольные качества 264
5.1.1 Сравнительный анализ оптимальных элементов проектируемых ледоколов с существующими судами на основе критериев оптимизации 264
5.1.2 Влияние ледовых условий на выбор проектных характеристик ледокола 269
5.1.3 Оценка влияния на критерий оптимизации отдельных проектных характеристик 275
5.1.4 Выбор проектных характеристик ледокола в случае неоднозначного решения задачи оптимизации 282
5.1.5 Выбор проектных характеристик ледокола в случае его работы в тяжелых льдах 285
5.2 Оптимизация тактики движения ледокола в тяжелых льдах 290
5.2.1 Расчет оптимального маневрирования при работе ледокола набегами.. 290
5.2.2 Влияние ледовых условий на работу ледокола набегами 296
5.2.3 Оценка эффективности оптимальной тактики работы набегами 304
5.2.4 Программно-аппаратный комплекс оптимизации работы ледокола набегами 309
5.3 Резюме 312
Заключение 313
Литература 316
- Исследование льда как препятствия судоходству
- Модели деформирования и разрушения ледяного покрова
- Теоретико-экспериментальная модель работы ледокола набегами
- Технико-экономическое обоснование проектных характеристик
Введение к работе
Наиболее универсальным средством продления навигации и борьбы с ледовыми затруднениями является ледокольный флот. За более чем полутора вековую историю его развития в значительной мере претерпели изменение ледокольные концепции, накоплен значительный опыт проектирования ледоколов. В этих процессах важную роль играли теоретические и экспериментальные исследования, обобщение опыта эксплуатации ледоколов. Тем не менее, анализ показывает, что в настоящее время не существует научно обоснованной методики проектирования ледоколов. Выполненные ранее исследования в этой области, как правило, касались отдельных вопросов проектирования. Для отработки формы обводов вновь проектируемых ледоколов проводятся дорогостоящие модельные испытания, при проведении которых поиск «оптимальной» формы ведется методом проб и ошибок и неизбежно зависит от субъективных факторов. При этом форма корпуса оказывается не увязанной с другими обще проектными характеристиками.
Методы теории проектирования, разработанные на базе транспортных судов, при приложении к ледоколам оказываются не эффективными из-за значительной специфики функционирования ледокола как судна и ее связи с формой корпуса ледокола. Поэтому построение математических моделей в форме теории, связывающей проектные характеристики судна с его эксплуатационными показателями на базе уравнений и методов теории проектирования, является актуальной. Это позволит создавать эффективный ледокольный флот, уменьшая затраты на проектные работы, модельные исследования и эксплуатацию ледоколов.
В настоящей работе значительное внимание уделено разработке методов расчёта ледовой ходкости, позволяющих детально учитывать форму корпуса ледокола, рассматриваются вопросы выбора главных размерений и формы корпуса речного ледокола. Этот выбор осуществляется путём оптимизации на основе математической модели проектирования ледокола.
В качестве объектов приложения теории, учитывая широту рассматриваемой предметной области, выбраны речные ледоколы т. к. с ними связаны основные теоретические и экспериментальные исследования автора и накоплен необходимый фактический материал.
Структурно-логическая схема диссертационного исследования приведена на рис. В1.
Работы по изучению влияния формы корпуса ледокола на его ледоразрушающую способность проводятся в Нижегородском государственном техническом университете в рамках госбюджетной программы "Разработка энергосберегающих средств и технологий разрушения льда и продления навигации". Настоящая работа является составной частью планов научно-исследовательской работы факультета морской и авиационной техники и университета.
Цель работы. Обоснование теории проектирования и создание практических методов оптимального выбора формы корпуса и основных элементов речного ледокола, ориентированных на условия его эксплуатации.
Объекты исследования. В качестве объектов исследования выбраны:
- среда функционирования речных ледоколов;
- процесс разрушения ледяного покрова ледоколом;
сопротивление льда движению ледокола;
динамика поступательного движения ледокола;
проектные характеристики ледокола;
- ледокол и ледяной покров как элементы системы;
Задачи и методы исследования. Для достижения целей работы решались следующие задачи:
расчета напряженного состояния, характеристик деформирования и разрушения ледяного покрова;
определения сопротивления льда движению ледокола;
расчета динамики поступательного движения ледокола;
оптимизации тактики движения ледокола;
обоснования критериев оптимизации проектных характеристик на основе анализа ледовых условий;
определения составляющих уравнения масс на основе статистического анализа нагрузки судов-прототипов;
построения математических моделей теории проектирования речного ледокола;
В теоретических исследованиях использовались элементы системного подхода, дифференциальные уравнения, дифференциальная геометрия, математическое моделирование, математическая статистика, матричная алгебра, численные методы, теория изгиба пластин, методы динамики твердого тела, вариантный метод оптимизации. Для реализации задач работы использовались компьютерные пакеты: Delphi, Lisp, MathCAD, Math lab.
Экспериментальные исследования проводились в натурных условиях с использованием регрессионного анализа, модельного эксперимента с применением теории подобия.
Научную новизну работы составляют:
системный анализ среды функционирования и эволюции речных ледоколов;
функциональные связи основных кинематических, силовых и энергетических характеристик разрушения ледяного покрова и методы их расчета;
математическая модель взаимодействия ледокола со льдом;
метод расчета ледового сопротивления;
методы пересчета ледового сопротивления с прототипа и физической модели;
метод оценки качества ледокола с помощью коэффициентов формы корпуса, характеризующих его ледовую ходкость;
динамическая модель поступательного движения ледокола;
метод расчета параметров движения ледокола набегами;
математическая модель определения основных элементов и формы корпуса ледокола;
структурно-функциональная модель программно-аппаратного комплекса маневрирования ледокола при движении набегами.
Практическая ценность заключается в разработке методов расчета ледовой ходкости ледоколов, методики определения основных элементов и формы корпуса ледокола и пакета прикладных программ которые используются в проектных и научно-исследовательских организациях. Пакеты прикладных программ имеют ориентированный на конструктора-исследователя интерфейс. Показана зависимость оптимальной формы корпуса ледокола от ледовых условий в районе его
эксплуатации. Показано влияние проектных характеристик ледокола на экономические показатели его работы. Результаты исследований использованы в научно-исследовательских работах, выполненных в НГТУ. Расчётные методики внедрены в ФГУП ГНЦ РФ «Центральный научно-исследовательский институт имени академика А.Н. Крылова», ОАО «Центральное конструкторское бюро «Айсберг», ОАО Судостроительный завод «Северная верфь». Результаты исследований внедрены в учебный процесс НГТУ в курсовом и дипломном проектировании и при чтении курса «Взаимодействие судов со льдом».
Основные положения, выносимые на защиту.
Из теоретических разработок - методы расчета характеристик разрушения ледяного покрова, методы расчета ледовой ходкости, математическая модель определения основных элементов и формы корпуса ледокола, метод расчета движения ледокола набегами.
Из научно-методических разработок - обоснование выбора основных элементов и формы корпуса ледокола, оценка влияния ледовых условий в районе эксплуатации на оптимальную форму корпуса ледокола, оценка влияния проектных характеристик ледокола на экономические показатели его работы, обоснование программно-аппаратного комплекса маневрирования ледокола при работе набегами.
Из научно-технических разработок - методы расчета ледовой ходкости ледоколов, методики определения основных элементов и формы корпуса ледокола и пакеты прикладных программ которые могут использоваться в проектных и научно-исследовательских организациях. Методика расчета оптимального маневрирования ледокола при работе набегами.
Достоверность результатов. Основные теоретические положения и исходные допущения характеризуются непротиворечивостью, подтверждены натурными данными и модельными экспериментами. Расчетные методы и пакеты прикладных программ тестировались с использованием данных по построенным ледоколам.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных, всероссийских и региональных конференциях:
- по физике и механике льда 1983, 1988 гг., Москва;
"Крыловские чтения" 1979, 1987, 1991, 1993, 1995, 1999, 2001, 2003гг., С. -Петербург;
по экспериментальной гидродинамике 1978 г., Новосибирск, 1980 г., Севастополь, 1984 г., Одесса;
"Основные направления развития судов и плавучих сооружений на ближайшую перспективу", 1980, 1984 гг., Ленинград;
"Проблемы создания новой техники для освоения шельфа", 1982, 1985,
1987 гг., Горький;
"Высшая школа России и конверсия", 1993г., Москва;
на IV Всероссийский конференции "Динамика и термика рек, водохранилищ», внутренних и окраинных морей, 1994 г., Москва;
на V1II-XVI научно-технических конференциях "Очередные задачи речного судостроения", Горький, (1977 - 1987 гг.);
на конференциях "Проблемы и технические средства продления навигации на внутренних водных путях", 1983, 1985, 1991 гг., Горький;
на научно-технических конференциях "Бубновские чтения", 1978, 1983,
1988 гг., Горький;
на VIII-X1 научно-технических конференциях по учету особенностей при проектировании судов Дальневосточного бассейна, Владивосток;
по технологии портов и океанов в Арктических условиях РОАС-91 Канада, РОАС-95 Россия;
POLARTECH-94, Лулеа, Швеция, 1994 г.;
IAHR-94, Тронхейм, Норвегия, 1994 г.;
"Военно-морской флот и судостроение в современных условиях", С. -Петербург, 1996 г.;
на конференции "3-я международная конференция по морским интеллектуальным технологиям", 1999 г., Санкт-Петербург.;
на конференции "Обеспечение безопасности плавания судов", май 1999, Нижний Новгород;
на всероссийских конференциях «Современные технологии в кораблестроительном образовании, науке и производстве», 2002, 2006 гг., Нижний Новгород;
- на научно-технических конференциях Нижегородского государственного технического университета и Волжской государственной академии водного транспорта.
За монографию Ионов Б.П., Грамузов Е.М. Ледовая ходкость судов. - СПб.: Судостроение. 2001. -512с. Институтом морского инжиниринга, науки и технологий (ИМИНТ, Лондон) присуждена премия присуждена премия Стенли Грея (Stanley Gray Award) за 2002 год.
Диссертационная работа рассмотрена и одобрена на расширенном заседании кафедры "Кораблестроение и океанотехника" Нижегородского государственного технического университета.
Публикации. По теме диссертации опубликовано в открытой печати 75 работ, из них 2 монографии, учебное пособие, 5 свидетельств на изобретения.
Настоящая диссертационная работа выполнена при содействии зав. кафедрой "Кораблестроение и океанотехника", д.т.н., профессора В.А.Зуева. Автор выражает ему глубокую признательность за помощь и создание благоприятных условий для выполнения всей работы. Работа обсуждалась с доцентами Ю.А. Двойченко, Н.В. Калининой, Н.Е. Тихоновой и д.т.н. Б.П. Ионовым. Автор благодарен им за участие и ценные предложения.
ОБЩИЕ
НАПРАВЛЕНИЯ
ТЕХНИЧЕСКОГО
ПРОГРЕССА
СОЗДАНИЕ
ЛЕДОКОЛЬНОГО
ФЛОТА НОВОГО
ПОКОЛЕНИЯ
Создание расчетных
методов и обоснование
теории проектирования
ледоколов
Анализ эффективности расчетных методов и проблем проектирования
Анализ истории
развития
ледокольного
флота
Анализ моделей
взаимодействия
корпуса ледокола
со льдом
Анализ методов
расчета ледовой
ходкости
Анализ проолем
проектирования
речных
ледоколов
Формирование путей решения проблем, цели и задачи исследований
Обоснование методов расчета ледовой ходкости
Обоснование теоретических зависимостей проектирования ледоколов
z:
Эксперимент
альные
исследования
разрушения
ледяного
покрова
иооснование
моделей
разрушения и
деформирова
ния ледяного
покрова
* —
Теоретическая
оценка усилии
действующих на
корпус ледокола
Физическое
моделирование
взаимодействия
корпуса со льдом
Анализ данных натурных испытании речных ледоколов
^азраоотка метода расчета ледового сопротивления "
Разработка метода-
расчета работы ледокола набегами
критерии оптимизации
Анализ технического задания на проектирование
иооснование
составляющих
уравнения
масс
иооснование
набора аналитических
уравнении проектирования
Создание (синтез) теоретических основ
определения основных характеристик и
формы корпуса ледокола
ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Прикладные задачи эксплуатации ледокола
Прикладные задачи проектирования ледокола
Методика определения
энергосберегающих режимов
работы ледокола
Анализ влияния соотношений размерений и формы корпуса на эффективность ледокола
Обоснование системы автоматизации управлением
Методики определения основных элементов и формы корпуса
Пакеты прикладных программ
Рис. В1 Структурно-логическая схема диссертационного исследования
Исследование льда как препятствия судоходству
Льды на внутренних судоходных путях отличаются большим разнообразием свойств и характеристик. В процессе своего образования, роста и таяния они подвергаются воздействию многочисленных природных факторов: температуры воды и воздуха, солнечной радиации, влажности воздуха и ветровому воздействию, осадкам, тепловому излучению, течению и т.д. Пресноводные льды рек и водохранилищ различают по следующим признакам: стадиям развития, подвижности, форме и состоянию поверхности [7,67,177].
По стадиям развития речные льды условно подразделяются на льды начальных форм, осенний лед, зимний лед и весенний лед.
Ко льдам начальных форм относятся: сало, снежница, внутриводный лед, склянка и блинчатый лед.
Осенний лед - последующая стадия развития льда, когда первоначальные формы, увеличиваясь по размерам и прочности, достигают толщины 0,2 м.
Зимний лед - лед толщиной свыше 0,2 м. Максимальная толщина льда, намерзающего в течение зимы, определяется рядом гидрометеорологических факторов. Ледяной покров реки различен по толщине у берегов и на стрежне, на перекатах и тиховодных плесовых участках. На водохранилищах в течение зимы, а особенно в начальный ее период, наблюдаются подвижки льда, сопровождающиеся мощными торошениями, которые обусловлены уровневым и ветровым режимом водохранилища, очертанием берегов и рельефом дна.
Весенний лед - это зимний лед, находящийся на одной из стадий разрушения, вследствие общего потепления атмосферы, повышения интенсивности солнечной радиации, притока талых вод, а также весенних подвижек и ледохода.
По подвижности речной лед можно разделить на неподвижный, связанный с берегом или дном водоема, и подвижный, находящийся в движении под действием течения и ветра или свободно плавающий лед, не связанный с грунтом.
Основными формами неподвижного льда являются: забереги, заторы и зажоры, стамухи, сплошной ледяной покров.
Осенние заторы и зажоры, как правило, сопутствуют осеннему ледоставу. Они часто образуются в сужениях на поворотах русла реки, в местах выклинивания подпора водохранилищ. Вскрытие рек и водохранилищ также сопровождается заторами. Особенно мощными бывают заторы на реках, текущих с юга на север.
Среди подвижных льдов различают ледяные поля, лавы и битый лед. Битый лед по размерам льдин разделяют на крупнобитый, мелкобитый и ледяную кашу.
По состоянию ледовой поверхности различают лед ровный, наслоенный и торосистый. Состояние ледяного покрова оценивается визуально по следующим внешним признакам: сплоченности, торосистости, разрушенности, а также заснеженности и загрязненности льда [160, 177].
Сплоченностью подвижного льда называют отношение суммарной площади льда на данной акватории к площади последней. Сплоченность льда определяют в баллах по десятибалльной шкале.
В результате сильных подвижек и сжатий создаются зоны напластованных торосистых труднопроходимых или непроходимых льдов. Торосы подразделяются на свежие и старые. Свежие - образовавшиеся недавно, с резко выраженной угловатостью обломков льда, не занесенные еще снегом. Старыми торосами весной называют несколько сглаженные осенние торосы, со снежными надувами и застругами. Замечено, что наибольшие трудности для продвижения судов представляют именно эти торосы [7,177].
Для оценки степени торосистости определяется отношение площади, занятой торосами, к общей наблюдаемой поверхности. Степень торосистости выражают в баллах по пятибалльной шкале.
Скорость движения судна в значительной степени зависит от разрушенности ледяного покрова. Разрушенность оценивают визуально по пятибалльной шкале. При разрушенности 0 баллов отсутствуют внешние признаки разрушения ледяного покрова, а при 5-ти баллах ледяной покров изобилует промоинами на водохранилищах, на реках наблюдается редкий ледоход сплоченностью 2-3 балла.
Степень заснеженности, т. е. толщина и распределение по поверхности льда снежного покрова, определяет проходимость льда судами. Известно, что наличие снега на льду повышает ледовое сопротивление и увеличивает вероятность заклинивания судов.
Ледовый режим внутренних водных путей существенно различается даже в пределах одного бассейна. Ледовый режим можно охарактеризовать с помощью следующих данных: дат характерных ледовых явлений (появление льда, установление ледостава, весенние подвижки льда, очищение реки), продолжительности ледостава, максимальной толщины льда и снежного покрова и так далее [177].
Ледовый режим зависит от климатических и от путевых условий. Их влияние можно проиллюстрировать на примере р. Волги и волжских водохранилищ [177]. Отдельные участки р. Волги, расположенные в различных климатических условиях существенно отличаются друг от друга по ледовому режиму. Например, в верхнем бьефе Рыбинского водохранилища ледостав в среднем устанавливается 4 ноября, а в Астрахани - 20 ноября. Максимальная длительность периода ледостава составляет соответственно 183 и 114 суток, т. е. разница превышает 2 месяца.
Путевые условия также накладывают отпечаток на ледовый режим. В озерной части водохранилища наблюдается более продолжительный период ледостава по сравнению с участками свободной реки. Максимальный период ледостава в Чкаловске (Горьковское водохранилище) на 19 суток, а в Тольятти (Куйбышевское водохранилище) на 10 суток больше аналогичного периода в Васильсурске (свободная река). Удлинение периода ледостава на водохранилище связано с задержкой весеннего вскрытия водохранилища.
В тоже время ледовые условия в нижних бьефах гидроузлов более благоприятны по сравнению с ледовьми условиями верхних бьефов и свободной реки. Так, в Нижнем Новгороде максимальная длительность периода ледостава составляет 140 суток против 174 суток в Чкаловске и 155 суток в Васильсурске.
Путевые условия определяют и состояние ледовой поверхности с момента образования льда до его разрушения. Например, ледовая обстановка на отдельных участках водохранилища определяется уровнем и ветровым режимом, очертаниями берегов и рельефом дна на данных участках.
Ледовые явления ежегодно наблюдаются в разное время. Например, разница между ранними и поздними датами начала ледовых явлений в Астрахани составляет 35 суток и более. Такое непостоянство сроков ледовых явлений связано с условиями погоды того или иного года, и, как показывают специальные исследования, даже краткосрочное прогнозирование сроков замерзания и вскрытия судоходных рек - очень сложная задача [67,177].
Модели деформирования и разрушения ледяного покрова
Наблюдения за разрушением прозрачного, чистого от снега ледяного покрова показали, что к моменту пролома лед рассекается большим количеством трещин. Несущая способность ледяного покрова представляемого, обычно, в физических и математических моделях, пластиной на упругом основании, обеспечивается не сплошностью пластин, а взаимодействием отдельных ее частей.
Построение математической модели для такого случая является весьма сложной задачей. Один из путей ее решения состоит в исследовании упрощенных моделей, отражающих действие небольшого числа факторов физической картины разрушения с целью последующего построения совокупных моделей на основе выявленных закономерностей и проверки приемлемости принятых гипотез и допущений.
Прежде чем перейти к рассмотрению математических моделей, необходимо представить исходную физическую модель, которая была синтезирована по результатам наблюдений и анализа фотоматериалов, кинограмм и иных данных, полученных в описанных выше и других опытах.
Сохранение несущей способности ледяного покрова при образовании в нем не только радиальных, но и концентрических трещин отмечено еще ДЕ. Хейсиным [69].
Этот факт связывался с возникновением контакта кромок ледяных клиньев по берегам трещин. Поскольку ледяные клинья имеют определенную толщину, для их взаимного поворота необходим скол кромок. При этом Д.Е. Хейсиным было высказано мнение о малом влиянии этого фактора и основной роли нарушения сплошности льда при его изгибе.
Как уже отмечалось, наши опыты показали, что усилие, необходимое для полного пролома оказалось много большим, чем для образования трещин. На рис. 2.3 на простом примере изгиба балки показана система сил, обеспечивающая ее равновесие с трещинами. Опыт показывает, что решающую роль в обеспечении несущей способности балки играют усилия распора в трещинах, а не ее сопротивление.
Равновесие конструкции из клиньев, в которую превращается ледяной покров при разрушении, объясняется несколько сложнее [64]. Здесь перемещение смежных клиньев (рис.2.4) при действии центральной силы можно представить как вращение относительно осей, проходящих вблизи нижней кромки основания клина. При этом боковые грани клина стремятся выйти за плоскости своего первоначального положения. Поскольку остальные клинья поворачиваются таким же образом, верхние кромки боковых граней входят в контакт, обусловливая появление сил распора, смещенных к верхней поверхности клина. Составляющая этих усилий, направленная вдоль оси клина прижимает его основание к остальному ледяному покрову и смещена к нижней поверхности клина.
Такое распределение усилий по граням клина уравновешивает момент от действия внешнего усилия. Перерезьшающая нагрузка на клине уравновешивается силами трения и сцепления между сжатыми гранями.
Существование сжимающих усилий обусловливает значительное измельчение ледяных блоков при дальнейшей деформации ледяного покрова возрастающей нагрузкой.
В соответствие с геометрической моделью следует предположить, что пролом происходит вследствие возникновения в элементах ледяной блочной конструкции сложного напряженного состояния. При попытке достаточно строгого математического описания такой конструкции возникает ряд проблем, разрешение которых встречает значительные трудности в рамках традиционных подходов механики сплошных сред.
В этом случае можно считать рациональным привлечение приближенных моделей, позволяющих получать пригодные (в прикладном смысле) результаты теоретического исследования. К их числу относятся известные теории тонких балок и пластин. Приемлемость таких моделей в качестве основы для дальнейшей модификации и видоизменения обусловлена их успешным использованием в ряде задач, связанных с деформированием ледяного покрова.
Возможность аналитического описания трещинообразования с учетом взаимодействия берегов трещин продемонстрируем, на достаточно простом примере изгиба пластины по цилиндрической поверхности. Рассмотрим полубесконечную пластину на упругом основании (рис. 2.5). Свободная кромка пластины нагружена силой и не имеет возможности смещения за пределы свободной кромки по горизонтали. Уравнения изгиба и граничные условия имеют вид:
Максимальный изгибающий момент возникает в сечении хх = 7с/4а. При достижении в этом сечении предельных изгибных напряжений возникает трещина. Перед образованием трещины прогиб под нагрузкой и сама нагрузка определяется так: изгибающего момента, который будет зависеть от угла раскрытия трещины ф = А—. dx Аналитическое определение этой зависимости, требующее решения сложной контактной задачи, встречает серьезные математические затруднения. Поэтому здесь также принимается модель упругого шарнира с постоянным коэффициентом податливости а, т.е. ф = аМ. С учетом определяющих параметров задачи можно записать a = A/DL, где А безразмерный коэффициент, характеризующий взаимодействие берегов трещин. Предельные случаи при А=0 и А- оо соответствуют пластине без трещины и свободному повороту берегов трещины. Вся пластина вдоль оси х разделяется на два участка (рис.2.6): для каждого из которых справедливо исходное уравнение и граничные условия. Кроме этого следует добавить условия сопряжения в шарнире:
Теоретико-экспериментальная модель работы ледокола набегами
Движение ледокола во льдах, толщина которых превышает преодолеваемую непрерывным ходом, осуществляется набегами.
Рассмотрим работу ледокола набегами в ровном сплошном ледяном поле толщиной h и плотностью рл, плавающем на поверхности воды плотностью р. Она может быть разбита на ряд последовательных этапов. После остановки ледокола в сплошном льду из-за исчерпания кинетической энергии разбега производится реверс энергетической установки (ЭУ) с переднего хода на задний. Время реверса tm определяется возможностями энергетической установки и считается известным для конкретного судна. Если не произошло заклинивание корпуса, начинается движение задним ходом. В противном случае, затрачивается некоторое время на освобождение от заклинивания t03. Отход назад в собственном канале осуществляется по желанию судоводителя на расстояние /„ необходимое для набора скорости вхождения в сплошной лед очередного цикла продвижения. При этом большую часть пути ледокол движется под действием тяги заднего хода, определяемой безопасностью работы движительно-рулевого комплекса, и движением по инерции при реверсе ЭУ с заднего хода на передний. На отход требуется время tom + tm. Разгон на переднем ходу в собственном канале осуществляется исключительно для набора скорости (кинетической энергии) с положительным ускорением. На пройденный путь при разгоне / равный пути отхода назад, затрачивается время t после касания с кромкой сплошного ледяного покрова движение ледокола замедляется вплоть до полной ост новки. За это время tn ледокол продвигается на расстояние 1п, являющееся полезным путем продвижения. В идеализированных условиях движения в однородном ледяном поле описанный процесс циклически повторяется. Поэтому среднюю скорость движения ледокола, как основной показатель ходкости при работе набегами можно рассчитать по формуле Рассмотрим основные этапы движения ледокола набегами.
При отходе назад и разбеге ледокола в собственном канале происходит ускоренное движение за счет превышения тяги ледокола над ледовым сопротивлением при соответствующих скоростях (здесь и в дальнейшем тяга ледокола на переднем Репх , заднем ходу Резх и ледовое сопротивление R определяется за вычетом сопротивления воды движению ледокола, т.е. рассматривается "тяга на гаке" и чистое ледовое сопротивление).
На этапе продвижения ледокола в сплошном льду после разбега можно использовать уравнение (3.106) для переднего хода заменяя чистое ледовое сопротивление в битом льду на чистое ледовое сопротивление сплошного льда R.
При движении ледокола в собственном канале отметим характерные детали взаимодействия с битым льдом. При встрече форштевня с льдиной происходит соударение. Форштевень частично притапливает и наклоняет льдину, которая получает толчок и соскальзывает вправо или влево от форштевня, следуя вдоль борта в частично протопленном состоянии. При этом льдина получает некоторую скорость в направлении, приблизительно перпендикулярном диаметральной плоскости судна. При значительном числе льдин происходит уплотнение мелкобитого льда вблизи судна в результате раздвигания льдин бортами. В движение вовлекаются соседние льдины, не соприкасающиеся непосредственно с обшивкой. Размеры указанной зоны уплотнения льда зависят от его сплоченности. результате анализа рассмотренного взаимодействия перечислим составляющие чистого ледового сопротивления при движении в собственном канале, заполненном битым льдом: - импульсное сопротивление Ri, обусловленное потерей кинетической энергии судна при ударах о льдины; - диссипативные силы сопротивления R2, связанные с рассеиванием энергии движущегося судна, которые можно представить в виде суммы двух слагаемых: диссипативнои составляющей, возникающей вследствие сопротивления воды раздвиганию льдин и диссипативнои составляющей, обусловленной трением льдин друг от друга; - сопротивление R3, обусловленное притапливанием и поворачиванием льдин; - сопротивление R4, вызванное деформацией льда при раздвигании; - сопротивление Rs, вызванное взаимодействием льдин с бортом судна и ненарушенным ледяным покровом одновременно (сопротивление затирания).
Таким образом, чистое ледовое сопротивление судна при движении в собственном канале мелкобитого льда может быть представлено в виде:
Рассмотрим подробнее отдельные составляющие сопротивления R пх. Вывод структурной формулы для импульсной составляющей сопротивления R1 подробно рассмотрен ранее. Ее можно рассчитать по формуле
Диссипативное сопротивление состоит из двух слагаемых: сопротивления воды раздвиганию элементов ледяного поля, и сопротивления, возникающего при взаимодействии льдин друг с другом.
Первое слагаемое можно получить с помощью метода, использованного для получения гидродинамической составляющей обломков льда при движении в сплошном льду. С учетом пространственного взаимодействия битого льда с корпусом ледокола запишем R2 в виде
Второе слагаемое диссипативного сопротивления связанное с взаимодействием льдин друг с другом записать аналитически не представляется возможным из-за сложной стохастической картины этого процесса. Но физическая природа сил позволяет предположить, что эта зависимость будет иметь вид аналогичный первому слагаемому диссипативного сопротивления (3.109).
Поэтому будем полагать, что дополнительное диссипативное сопротивление с расчетной точки зрения можно учесть введением эмпирического коэффициента, который больше единицы и учитывает трение льдин друг о друга, в формулу (3.109).
Формула для расчета сопротивления R3, обусловленного притапливанием и поворачиванием льдин, получена в виде где b - средняя протяженность обломков льда, зависящая от его толщины, как показывают наблюдения, она определяется изгибом ледяной пластины на упругом основании и приближенно может быть принята из соотношения Ь х = 0.312 (а -параметр изгиба пластины на упругом основании);
При раздвигании льдин корпусом ледокола наблюдается их деформация. Однако, как показывают расчеты, значение составляющей R4 незначительно и мало влияет на чистое ледовое сопротивление. Поэтому сопротивление вызванное деформацией льда при раздвигании включать в математическую модель нецелесообразно.
При движении транспортных судов в канале битого льда наблюдается явление увеличения ледового сопротивления, которое принято называть "буферным" эффектом. Это происходит при отношении ширины канала к ширине судна Вк/В менее 1.05. При движении ледокола в собственном канале составляющую сопротивления, возникающую из-за "буферного" эффекта, будем называть сопротивлением затирания. Как правило, для ледокола Вк/В получается не ниже 1.1-1.2, следовательно этот эффект при работе набегами не будем учитывать.
Технико-экономическое обоснование проектных характеристик
Задача оптимизации предполагает наличие исходных данных, оптимизируемых параметров и критериев, по которым производится выбор того или иного набора параметров. В данном разделе рассматриваются все перечисленные элементы. Основные исходные данные при оптимизации проектных характеристик судна содержатся в техническом задании на проектирование.
Здесь будем рассматривать часть технического задания на проектирование ледокола, которая непосредственно влияет на оптимизацию проектных характеристик на начальных стадиях проектирования, а именно следующие элементы: — класс судна; — район плавания; — число членов экипажа; — автономность. В техническом задании на проектирование линейного ледокола дополнительно указывается ширина прокладываемого канала. По району плавания проектант, ориентируясь на минимальные глубины судового хода, может задать максимальную осадку судна. Требования к ходкости ледокола могут быть заданы несколькими способами: 1. Указывается суммарная мощность главных двигателей. 2. Задается предельная толщина льда либо толщина сплошного льда, которую ледокол должен преодолевать с заданной скоростью. 3. Исходя из района плавания, задается распределение ледовых условий. С точки зрения оптимизации возможен любой вариант задания требований к ходкости. В случае прямого задания мощности есть большая вероятность того, что ее величина окажется заниженной или завышенной применительно к ледовым условиям района эксплуатации. В результате оптимизации получатся проектные характеристики судна, оптимальные только для заданной мощности. При задании другого значения мощности главных двигателей в процессе оптимизации получится другое судно и не исключено, что оно окажется лучшим для ледовых условий, встречающихся в районе плавания судна.
При втором варианте задания требований к ходкости у разных вариантов судна мощность главных двигателей будет получаться разная в зависимости от качества выбора формы корпуса судна. Недостатком этого варианта задания является то, что при выборе мощности не учитывается разнообразие ледовых условий в районе эксплуатации. Если заданные ледовые условия не являются превалирующими, получится та же ситуация, что и в первом случае.
В третьем случае, исходя из района плавания, задается распределение ледовых условий, с которыми ледокол будет встречаться в процессе эксплуатации. Это распределение может быть задано разными способами, об этом речь пойдет при обсуждении критериев оптимизации. При таком задании требований к ходкости судна в результате оптимизации получится судно, наиболее приспособленное к ледовым условиям в районе предполагаемой эксплуатации. В этом случае суммарная мощность главных двигателей включается в число оптимизируемых параметров. Сложность этого варианта задания заключается в необходимости сбора информации по ледовым условиям в районе плавания.
С нашей точки зрения третий вариант задания является наиболее приемлемым для оптимизации проектных характеристик ледокола, но возможны и другие варианты задания в случае, если не удается заранее собрать сведения о ледовых условиях в районе эксплуатации.
Как отмечалось ранее, ледовая обстановка на внутренних водных путях характеризуется большим разнообразием льдов, их свойств и характеристик.
С точки зрения препятствия движению ледокола наибольшие затруднения представляют такие формы льда как сплошной ледяной покров, заторы, зажоры, ледяные поля, лавы, а также битый лед большой сплоченности.
Расчетные методы наиболее полно разработаны для следующих ледовых условий: ровный сплошной ледяной покров толщиной менее предельной для конкретного судна, ровный сплошной ледяной покров толщиной более предельной (тяжелый лед), мелкобитый лед и канал с битьм льдом.
Для целей проектирования речного ледокола нужна классификация, включающая наиболее часто встречаемые судном ледовые условия, для которых в то же время разработаны расчетные методы. Согласно этому ледовые условия подразделяются на четыре типа: — мелкобитый лед; — канал с битым льдом; — сплошной лед толщиной менее предельной; — тяжелый лед. Такая классификация является достаточно полной для внутренних водных путей.
В расчетных методах сплошной ледяной покров характеризуется толщиной льда и некоторым набором физико-механических характеристик, которые обычно принимаются среднестатистическими. Сплошной лед также характеризуется степенями разрушенности (Р) и торосистости (Т) и толщиной снега (hcn), покрывающего ледяной покров.
Мелкобитый лед в расчетных методах характеризуется сплоченностью (S) и толщиной. Канал с битым льдом характеризуется его шириной (Вк), сплоченностью и толщиной битого льда в канале.
Таким образом, для описания ледовых условий необходимо указать их тип, толщину льда, для сплошного льда - степень разрушенности и торосистости (если имеются такие сведения) и толщину снежного покрова, для мелкобитого льда -сплоченность, а для канала с битым льдом - сплоченность и ширину канала.
При проектировании ледокола встает вопрос о задании ледовых условий в районе предполагаемой эксплуатации. В зависимости от назначения ледокола это можно сделать двумя способами.
В первом случае ледокол предполагается эксплуатировать на конкретных ледовых трассах. В результате обобщения и систематизации материалов многолетних
