Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и основные направления решения проблемы повышения надежности судов ледового плавания. Постановка задачи 15
1.1. Общие положения 15
1.2. История появления и развития морских транспортных судов ледового плавания 17
1.3. Современное состояние арктического флота 21
1.4. Анализ повреждаемости транспортных судов ледового плавания 32
1.5. Человеческий фактор 36
1.6. Краткий обзор научных исследований, обеспечивающих
создание надежных и безопасных судов ледового плавания 39
1.7. Постановка задачи исследования 47
Глава 2. Исследование вопросов обеспечения использования системы мониторинга параметров прочности для повышения надежности корпусных конструкций судов ледового плавания 53
2.1. Общие положения 53
2.2. Требования Морского Регистра судоходства к судам ледового плавания 58
2.3. Необходимость дальнейшего совершенствования методов прогнозирования действующих ледовых нагрузок 62
2.4. Использование искусственно нагружаемой модели конструкции ледового пояса для подготовки данных, необходимых при установке на судах системы определения ледовых нагрузок 69
2.5. Разработка математической модели определения величины ледовой нагрузки на бортовое перекрытие на основе анализа напряженно-деформированного состояния конструкции 76
2.6. Исследование методов расчета прочности конструкций ледовых усилений при глубоком пластическом деформировании... 109
2.7. Численное моделирование напряженно-деформированного состояния бортового перекрытия под действием перемещаемой локальной ледовой нагрузки 117
2.8. Направления дальнейших исследований 126
Основные выводы по главе 127
Глава 3. Вибрация судов ледового плавания 129
3.1. Общие положения 129
3.2. Анализ имеющихся экспериментальных данных ходовой вибрации судов при движении во льдах 130
3.3. Расчетное прогнозирование параметров ледовой вибрации 158
3.4. Расчетное прогнозирование параметров собственных колебаний корпуса и корпусных конструкций судов ледового плавания 170
3.5. Виброзащита судовой мебели 184
3.6. Рекомендации по снижению уровней ходовой вибрации и улучшению вибрационных условий обитаемости на судах ледового плавания 199
Основные выводы по главе 206
Глава 4. Информационные технологии при контроле прочности и вибрации судна в ледовых условиях 211
4.1. Предварительные замечания 211
4.2. Система контроля прочности и вибрации судна в ледовых условиях. Концепция и подход 213
4.3. Реализация концепции системы контроля прочности и вибрации судна. Архитектура системы 218
4.4. Судно в ледовых условиях как многорежимная
динамическая система 222
4.5. Особенности преобразования информации 224
4.5.1. Вычислительный блок 226
4.5.2. Матрица коэффициентов влияния 226
4.5.3. Алгоритм расчета по методу конечных элементов 228
4.6. Модели принятия решений по контролю прочности и вибрации судна 231
4.6.1. Модель, основанная на методах традиционной математики...232
4.6.2. Нетрадиционные модели контроля прочности 234
4.6.3. Функционирование системы при различных режимах движения 236
4.7. Особенности режимов движения и задач контроля прочности судна в ледовых условиях 239
4.7.1. Особенности движения судна в ледяном поле 239
4.7.2. Соотношение между ледовой прочностью и скоростью судна 244
4.7.3. Критерии прочности судна в ледовых условиях 245
Основные выводы по главе 248
Глава 5. Имитационное моделирование и реализация интерфейса «оператор - ИС» при контроле динамики судна в ледовых условиях 250
5.1. Разработка алгоритмов контроля прочности судна в ледовых условиях 250
5.2. Математические модели контроля динамики взаимодействия судна с ледяным полем 251
5.2.1. Оценка скорости движения судна во льдах 252
5.2.2. Контроль прочности судна в зоне контакта 254
5.3. Построение алгоритмов контроля прочности в ледовых условиях..256
5.3.1. Алгоритм контроля прочности на основе методов традиционной математики 256
5.3.2. Нечеткий алгоритм контроля прочности в ледовых условиях.261
5.4. Результаты моделирования динамики взаимодействия судна с ледяным полем 263
5.4.1. Результаты на основе традиционной модели 264
5.4.2. Результаты моделирования на основе нечеткой системы 273
5.4.3. Нейросетевое моделирование напряженного состояния элементов судового перекрытия 279
5.5. Практические рекомендации по разработке бортовой системы контроля ледовой прочности судна 286
5.6. Интерфейс оператора 291
Основные выводы по главе 296
Заключение 299
Литература
- Современное состояние арктического флота
- Использование искусственно нагружаемой модели конструкции ледового пояса для подготовки данных, необходимых при установке на судах системы определения ледовых нагрузок
- Анализ имеющихся экспериментальных данных ходовой вибрации судов при движении во льдах
- Система контроля прочности и вибрации судна в ледовых условиях. Концепция и подход
Введение к работе
Актуальность
Одной из национальных стратегических задач, стоящих перед отечественной промышленностью, является освоение и развитие Северного морского пути (СМП) Северные территории играют ключевую роль в национальной экономике и в обеспечении геополитических интересов России Здесь сосредоточены уникальные запасы углеводородного, фосфорного и алюминесодержащего сырья, алмазов, редких цветных и благородных металлов На севере добывается 93% природного газа, 75% нефти, 100% алмазов, кобальта, платиноидов, апатитового концентрата, 90% меди и никеля, более 65 % золота, производится половина лесной и рыбной продукции
Основой экономического развития северного региона является устойчивая работа транспортного комплекса, в котором, в соответствии с Морской доктриной РФ на период до 2020 г, основная роль отводится СМП Особое значение СМП приобретает в связи с тем, что традиционные центры добычи углеводородного сырья, ведущим мировым экспортером которого является Россия, постепенно перемещаются с материка на шельф российской Арктики Существующие оценки экспертов показывают, что во многих случаях морской экспорт углеводородов по сравнению с трубопроводным сокращает капитальные затраты в полтора раза и обеспечивает свободный выбор зарубежных потребителей российской нефти и газа, снижает риски загрязнения окружающей среды
В ближайшие годы предстоит реализация следующих масштабных проектов
освоение месторождений нефти и газа на арктическом шельфе России, запасы которых составляют около 100 млрд тонн в нефтяном эквиваленте, и создание для этих целей ледостойких сооружений и судов для разведки и обустройства месторождений, а также танкерного флота ледового плавания для круглогодичного вывоза добываемого углеводородного сырья,
развитие промышленных и лесоэкспортных предприятий северного региона, что обуславливает увеличение спроса на транспортные суда ледового класса для вывоза продукции,
— развитие Северного морского пути как международного транзитного
транспортного коридора «Запад-Восток-Запад»
Центральной проблемой этих проектов является создание новых транспортных судов ледового плавания, способных обеспечить круглогодичную навигацию по Северному морскому пути
За навигацию 2002 г по СМП было перевезено 1599,6 тыс тонн грузов Для этой цели было задействовано 53 транспортных судна суммарным дедвейтом 620 тыс тонн По прогнозным оценкам морские грузоперевозки по СМП составят в 2010 г не менее 4,0 млн тонн Для обеспечения перевозок названного объема потребуется не менее 150 судов суммарным дедвейтом 1,4 млн тонн В дальнейшем объем грузоперевозок будет возрастать Сегодня в Арктике по официальной статистике гибнет 1 судно за 10 лет Если эта тенденция сохранится, то в период до 2020 г можно ожидать гибели 3-5 судов Очевидно, что этого допустить нельзя, поскольку гибель даже одного судна, перевозящего углеводородное сырье, чревата экологической катастрофой Поэтому в числе проблем, возникающих при создании транспортных судов ледового плавания, обеспечивающих круглогодичный вывоз углеводородного сырья из Арктического
бассейна к возможным потребителям, важнейшей является проблема повышения их эксплуатационной надежности
Следует подчеркнуть, что классические методы обеспечения эксплуатационной надежности судов ледового плавания, заключающиеся, главным образом, в конструктивной защите корпусов в районах воздействия льда, в значительной степени исчерпали свой потенциал Уже сегодня вес ледовых подкреплений на судах высоких ледовых классов составляет 30% и более от веса корпуса судна, что не избавляет их от ледовых повреждений Очевидно, что дальнейшее наращивание ледовых подкреплений может привести к потере коммерческой привлекательности таких судов Эффективное решение проблемы повышения эксплуатационной надежности судов ледового плавания возможно лишь на базе синтеза классических методов и информационных технологий с обязательным учетом человеческого фактора
Современные информационные технологии позволяют на новой основе построить системы постоянного инструментального мониторинга параметров прочности и вибрации судов ледового плавания, которые, как будет показано ниже, являются важнейшим элементом в комплексе мероприятий по повышению эксплуатационной надежности судов, объединив новейшие достижения в области строительной механики корабля с интеллектуальными технологиями обработки и анализа экспериментальных данных
Вопросы обеспечения прочности корпусов судов, эксплуатирующихся в ледовых условиях, много лет находятся в центре внимания специалистов Весьма богатым опытом ледовых плаваний обладали русские поморы, строившие суда, предназначенные для плавания во льдах, открывшие пути на Шпицберген и Новую Землю
В 1763 г М В Ломоносов дал первую оценку проходимости льдов, создал единую картину формирования и развития ледяного покрова в Северном Ледовитом океане и предложил первую научную классификацию льдов в море
На рубеже XIX-XX вв к организации ледовых наблюдений приступили за рубежом Дальнейшее развитие ледовые наблюдения получили в ходе русской гидрографической экспедиции в Северный Ледовитый океан в 1911-1915 гг на ледокольных пароходах «Таймыр» и «Вайгач» Отдельные вопросы классификации льдов разрабатывались в работах Ф Врангеля, К Вайпрехта, С Макарова, в записках экспедиции на судне «Заря» под руководством Э Толля и др Ю А Шиманским впервые обоснован метод «условных измерителей», позволяющий получать сравнительные оценки запасов прочности судов при изменении условий ледовой эксплуатации
В начале 50-х гг прошлого столетия страны, заинтересованные в регулярных сведениях о плавании во льдах, — СССР, Канада, Великобритания, США, Финляндия, Швеция - приняли «Краткую международную ледовую номенклатуру», в которой был использован опыт составления советской ледовой классификации
В середине 60-х гг была создана рабочая группа по морским льдам В 1970 г международная номенклатура морских льдов была принята всеми странами
К 80-85-му гг в результате выполненных комплексных исследований сложилась методология регламентации ледовой прочности корпусов судов, сыгравшая значительную роль в создании российского арктического флота
В 60-80-е годы методы определения ледовых нагрузок развивались в работах К Р Абрамова, А Я Бузуева, В А Зуева, Ю М Попова, О Я Тимофеева, В Н Тряскина и др В области прочности судов ледового плавания следует отметить работы
E M Апполонова, Г В Бойцова, В А Лихоманова, А И Максимаджи, Л М Ногида, О М Палия и капитальный труд Ю Н Попова, О В Фадеева, Д Е Хейсина и А А Яковлева Вопросы нормирования и расчета прочности корпусов судов ледового плавания рассматривались также Л М Беленьким, А М Бененсоном, Г В Бойцовым, В А Курдюмовым, ОМПалием, Ю Г Рыбалкиным, О Я Тимофеевым, БЕ Тончим, В Н Тряскиным и др Расчетам ледовых нагрузок на конструкции морских сооружений были посвящены работы К Н Шхинека, П А Трускова, О Е Литонова.
Неоднократно совершенствовались требования правил Морского Регистра судоходства РФ (ранее Морского Регистра СССР) к судам ледового плавания Большой вклад в разработку научных основ требований к современным правилам Российского Морского Регистра судоходства для судов ледового плавания и ледоколов внесли ученые и специалисты ЦНИИ им акад А Н Крылова, ЦНИИМФа и ААНИИ Следует отметить достаточно близкий подход к классификации судов ледового плавания ведущих классификационных обществ - Регистра Ллойда, Дет Норске Веритас, Американского бюро судоходства и правительственных организаций Канады В рамках работы международного коллектива ученых, в том числе с участием российских специалистов, предпринимались попытки гармонизации правил по ледовым нагрузкам
К настоящему времени решен ряд задач взаимодействия корпуса судна и льда, разработаны конструктивные узлы ледовой защиты корпусов, сформулированы правила обеспечения ледовой прочности Для прогнозирования локальных ледовых нагрузок в отечественной и зарубежной практике используются специально разработанные модели
При постройке научно-экспедиционного судна «Академик Федоров» на финской судостроительной верфи Rauma Repola в 1987 г была установлена измерительная система, использующая в качестве сенсоров датчики давления, расположенные на обшивке судна Во время экспедиции на судне в 1994 г в море Лаптевых и Восточно-Сибирском море были получены гистограммы ледовых давлений в заданных условиях плавания
Создаваемые в последние годы расчетные схемы основываются на методе конечных элементов, который является вариационно-разностным методом решения дифференциальных уравнений механики сплошных сред
Существенное влияние на развитие расчетных методов строительной механики корабля и на применение их к расчетам корпусов судов ледового плавания оказали работы В А Постнова и О М Палия Поведение судовых конструкций при нагрузках в пластической области рассмотрено в работах В Е Койтера, Л М Качанова, Дж Одена, А М Проценко, Н Н Малинина В последних исследованиях в качестве модели пластического деформирования применена модель классического мультилинейного кинематического упрочнения, использующая критерий текучести Мизеса
Прогнозирование поведения конструкции за пределами упругости ведется на основе аппарата теории пластичности Серьезные исследования поведения конструкций борта судна в условиях нелинейного деформирования - в пластической области -проведены Е М Апполоновым
Для расчета и проектирования судовых корпусных конструкций, работающих в области пластического деформирования, широкое применение нашла теория предельного равновесия Эта теория использует как геометриические и топологические особенности судового корпуса, так и традиционные для строительной механики корабля подходы, и определяет в качестве меры несущей способности конструкции предельную нагрузку Разработаны два метода определения предельной нагрузки статический и кинематический
Задача определения предельной нагрузки конструкций ледовых усилений судов была решена В А Курдюмовым Дальнейшее развитие методов определения ледовых нагрузок позволит построить единый подход к определению предельных нагрузок всей конструктивной иерархии элементов, воспринимающих эти нагрузки Действующие в настоящее время положения Регистра требуют выявлять и учитывать износ конструктивных элементов, остаточные пластические деформации и трещины в элементах конструкции Исследования усталости материала судовых конструкций и их работа в условиях трещинообразования проведены С В Петиновым
Вопросы вибрации судов в ледовых условиях долгое время находились в тени прочностных проблем Считалось, что главное - обеспечить прочность и надежность корпусных конструкций при их взаимодействии со льдом, а с повышенной вибрацией можно смириться Однако практика эксплуатации судов в ледовых условиях показала, что в комплексе проблем, определяющих эксплуатационную надежность судов ледового плавания, вибрация играет весьма существенную роль Как известно, повышенная вибрация расстраивает работу приборов и механизмов, вызывает усталостные разрушения корпусных конструкций, но, что самое существенное, негативно влияет на организм человека, вызывая переутомление, рассеивание внимания и, как следствие, навигационные ошибки Согласно статистике, до 70-80% повреждений, фиксируемых на судах, являются следствием ошибок экипажа Специализированные лаборатории ЦНИИ им акад А Н Крылова, ЦНИИМФ, ААНИИ систематически вели экспериментальные исследования ходовой вибрации судов при их движении во льдах Здесь следует отметить работы В С Кудишкина, Д Е Хейсина, В И Зинченко, Д А Буданова, Ю А Никольского, которые позволили создать базу данных вибрации судов во льдах и заложить научные основы ее анализа Одновременно в трудах В А Постнова, В С Чувиковского, Я Г Пановко, В Е Спиро, Е Н Щукиной, Э И Иванюты, В И Полякова и других специалистов развивались методы расчетного прогнозирования параметров вибрации транспортных судов, многие из которых могут быть эффективно использованы для расчетов параметров вибрации судов ледового плавания Вместе с тем, следует подчеркнуть, что проблемам ходовой вибрации судов во льдах и вибрационным условиям обитаемости на судах ледового плавания уделялось недостаточно внимания
Не получили должного развития и такие важнейшие средства обеспечения эксплуатационной надежности судов, как системы инструментального мониторинга параметров прочности и вибрации корпусов судов, хотя работы в этом направлении ведутся, начиная с 50-х годов двадцатого столетия (Е В Найденов, В П Тарасик, С А Рынкевич, К Lindemann, N Nordenstrom, S Robertson), а в последнее десятилетие возникли возможности существенного усовершенствования этих систем на базе интеллектуальных технологий, разработанных отечественными и зарубежными специалистами в области искусственного интеллекта Д А Поспеловым, Э В Поповым, А А Зенкиным, Ю И Нечаевым, К Asai, К Sugeno, F Wasserman, Р Winston, L Zadeh
Проблема обеспечения эксплуатационной надежности судов ледового плавания сложна и многогранна. В ней можно выделить два важных направления Первое направление очевидно - обеспечение прочности, надежности и вибрации корпусных конструкций при их взаимодействии со льдом Второе направление менее очевидно, но не менее важно - человеческий фактор, который в рассматриваемом случае реализуется через повышенные уровни вибрации, негативно влияющие на организм человека
Поэтому проблема эксплуатационной надежности судов ледового плавания должна решаться на базе системного анализа вопросов прочности и вопросов вибрации с привлечением средств инструментального мониторинга параметров прочности и
вибрации корпусов судов Важной задачей является обеспечение прочности и ресурса движительного комплекса судов ледового плавания Эта задача, в принципе, может быть решена тем же методом, который предлагается для корпусных конструкций Однако, движительный комплекс имеет ряд особенностей и в настоящей работе не рассматривается
Целью работы является разработка научных основ комплекса теоретических, алгоритмических, технологических, информационных и организационных мероприятий, обеспечивающих создание конкурентоспособных, высоконадежных и безопасных судов ледового плавания новых поколений
Для достижения поставленной цели должны решаться следующие задачи
формулировка методов определения ледовых нагрузок, действующих на бортовое перекрытие судов ледового плавания, в широком диапазоне - от минимальных значений до предельных,
создание модели напряженно-деформированного состояния элементов конструкции,
разработка математических моделей ледовой нагрузки на бортовое перекрытие,
разработка на базе этих моделей методов численного моделирования напряженно-деформированного состояния бортовых перекрытий под действием перемещающейся локальной ледовой нагрузки,
выявление причин повышенной вибрации судов в ледовых условиях и разработка комплекса мероприятий, направленных на снижение уровней вибрации в обитаемых помещениях судов,
разработка научно-методических основ построения системы мониторинга параметров прочности и вибрации судов с использованием интеллектуальных технологий
Методы исследований
При выполнении работы использовались методы математической статистики, случайных процессов и теории вероятности, аппарат теории упругости и пластичности, методы оптимизации, методы теории колебаний и технической теории вибрации судов, численные методы математической физики и строительной механики корабля, экспериментальные методы исследования работы конструкций в области нелинейного деформирования, методы измерения параметров ледовых нагрузок, методы и модели поддержки принятия решений на основе интеллектуальных технологий
Научная новизна и основные научные результаты
Разработаны математические модели и методы решения задач определения максимально приближенных к действительности значений ледовых нагрузок, действующих на бортовое перекрытие судов, вызывающих отказ в работе конструкции
Созданы математические модели и методы решения задач расчетного проектирования рациональной конструкции бортового перекрытия судна ледового плавания, обеспечивающие с минимальными затратами металла и трудоемкости изготовления сохранение целостности корпуса при заданных значениях ледовых нагрузок и предупреждение экипажа о выборе скоростного режима и условий плавания, не допускающих превышения этих значений
Разработаны методы численного моделирования напряженно-деформированного состояния бортовых перекрытий под действием перемещающейся локальной ледовой
нагрузки, а также методы использования искусственно нагружаемых физических моделей конструкции для определения реально действующих ледовых нагрузок
Разработана феноменологическая модель ходовой вибрации судов ледового плавания, включающая влияние льда на величины присоединенных масс, характер демпфирования и уровня сил, генерируемых гребными винтами судна в ледовых условиях, а также детерминированные расчетные модели частных случаев динамического взаимодействия корпуса судна и ледяных полей, вызывающего ледовую вибрацию
Разработана и исследована математико-алгоритмическая модель вибрации системы человек-кресло и человек-койка Определены пути и методы виброзащиты членов экипажа в эксплуатационных условиях
Исследованы особенности ходовой вибрации палубных перекрытий надстроек судов ледового плавания в условиях широкополосного возбуждения Разработаны рациональные расчетные схемы палуб обитаемых помещений надстроек, учитывающие динамическое влияние смежных пролетов перекрытий
Обоснована необходимость инструментального мониторинга параметров прочности и ледовой вибрации в процессе эксплуатационных рейсов и определены основные параметры мониторинга
Сформулированы концепция и принципы создания бортовой интеллектуальной системы мониторинга прочности и вибрации судов ледового плавания
Созданы алгоритмы контроля прочности и вибрации судна в ледовых условиях при априорной неопределенности и неполноте исходной информации на основе анализа альтернатив в рамках принципа конкуренции
Достоверность научных положений и выводов подтверждается корректностью математических выкладок, строгостью доказательства утверждений, обоснованностью используемых ограничений, а также результатами экспериментальной проверки разработанных методов и алгоритмов
Практическая ценность работы
Практическая ценность работы связана с решением одной из важных проблем повышения эксплуатационной надежности судов ледового плавания на базе комплексной системы мониторинга параметров безопасности, а именно - обеспечения эксплуатационной прочности корпусных конструкций и приемлемых уровней вибрации при взаимодействии со льдом, обоснования использования систем контроля прочности и вибрации для получения данных о ледовой нагрузке для создания судов новых типов и расширения сфер и районов их использования, обеспечения высокой конкурентоспособности судов, повышения экономичности и надежности их эксплуатации и снижения расходов на последующие ремонты
Созданы методологические основы построения системы контроля прочности и вибрации с использованием интеллектуальных технологий
Развиты теоретический базис и прикладные вопросы анализа и синтеза методов контроля прочности и вибрации судна в ледовых условиях
Выявлены причины повышенной вибрации в обитаемых помещениях судов ледового плавания и сформулированы необходимые условия минимизации уровней вибрации, воздействующей на членов экипажа
Разработана концепция борьбы с повышенной вибрацией судов ледового плавания в процессе их проектирования, постройки и эксплуатации
Разработан и внедрен на вновь проектируемых судах ледового плавания комплекс мероприятий, направленных на снижение уровней вибрации корпуса, надстроек и обитаемых палуб надстроек
Разработаны конструктивные рекомендации по виброзащите судовой мебели и снижению уровней вибрации, передаваемой с палуб на организм человека, сидящего в кресле и лежащего в койке
Разработаны и протестированы в практических расчетах методы определения значений параметров напряженно-деформированного состояния в различных узлах и конечных элементах расчетной модели бортовых перекрытий судов ледового плавания, соответствующие решенным в работе задачам, а также определения нагрузки, действующей на перекрытие, включая нагрузку в пролете связи и в узле по вычисленным в узлах перекрытия значениям усилий
Использование в практике проектирования и строительства судов полученных решений позволит обеспечить существенное снижение риска и опасности возникновения экстремальных ситуаций, связанных с нарушением прочности корпуса и влиянием вибрации в ледовых условиях
На защиту выносятся следующие основные результаты работы
Комплексная методология решения задачи определения максимально приближенных к действительности значений ледовых нагрузок, действующих на бортовое перекрытие судов ледового плавания (в диапазоне от минимальных до предельных, вызывающих отказ в работе конструкций)
Методология решения задачи расчетного создания оптимальной конструкции бортового перекрытия судна ледового плавания, обеспечивающей с минимальными затратами металла и трудоемкости изготовления сохранение целостности корпуса при заданных значениях ледовых нагрузок
Математические модели и методы определения величины ледовой нагрузки на бортовое перекрытие на основе анализа напряженно-деформированного состояния конструкции и использования физических моделей конструкции
Комплексная методология борьбы с повышенной вибрацией судов ледового плавания на всех стадиях их жизненного цикла в процессе проектирования, постройки и эксплуатации
Математико-алгоритмическая модель вибрации члена экипажа, сидящего в кресле и лежащего в койке Детерминированные расчетные модели частных случаев динамических взаимодействий корпуса судна и льда, вызывающих ледовую вибрацию
Комплекс организационных, технологических, конструктивных и информационных мероприятий, обеспечивающих снижение уровней вибрации в местах пребывания экипажей на судах ледового плавания
Концепция и схема построения системы контроля прочности и вибрации судна в ледовых условиях
Методы и модели, обеспечивающие анализ альтернатив и принятие решений в условиях неопределенности и неполноты исходной информации
Внедрение результатов работы
Полученные результаты прошли апробацию и получили практическую реализацию в конструкторских бюро и на заводах судостроительной отрасли Наибольший объем внедрения научных результатов осуществлен на ФГУП «Адмиралтейские верфи» в
процессе проектирования и постройки арктических танкеров проектов 20070, 20071 и Р-70046
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертации докладывались на отечественных и международных конференциях и семинарах
Международная конференция «300 лет Российского флота CRF-96» Санкт-Петербург, 1996,
Международные конференции «МОРИНТЕХ», Санкт-Петербург, 1997, 2001, 2003, 2005,
Научно-техническая конференция по строительной механике корабля памяти Ю А Шиманского Санкт-Петербург, ноябрь 2003,
Научно-техническая конференция, посвященная 300-летию ФГУП «Адмиралтейские верфи» Санкт-Петербург, сентябрь 2004,
Научно-техническая конференция «Бубновские чтения», посвященная 100-летию кафедры строительной механики корабля СПбГМТУ, ноябрь 2004,
Всероссийская научная конференция «Управление и информационные системы УИТ-2005» Санкт-Петербург 2005,
Восьмая международная конференция «Российское судостроение и судоходство, деятельность портов, освоение океана и шельфа» «Нева-2005»,
Постоянно действующий семинар по проблемам механики в Институте проблем машиноведения РАН, 2005,
International conference on stability of ships and ocean vehicles, STAB'97 Bulgaria, 1997,
International conference on marine industry MARIND, MEET Varna Bulgaria 1997, 2001,2003,
Eighth congress of the International maritime Association of Mediterranean Istanbul Turkey, 1997,
International exposition MESSE-97 Hannover Germany 1997
International conference on hydrodynamics in ship design HYDRONAV99, Gdansk-Osroda, Poland, HYDRONAV, Szczecin-Miedzyzdroje, Poland, 1999, 2001,2003, 2005,
2nd International Maritime Conference on DESIGN FOR SAFETY, Osaka Colloquium, SAKAI, JAPAN, 2004,
International conference on marine research and transportation ICMRT-05 Naples - Italy 2005
Публикации По теме диссертации опубликовано 46 научных работ (из них 38 в соавторстве), в том числе две монографии — «Интеллектуальные системы в морских исследованиях и технологиях» СПб, Изд центр СПбГМТУ, 2001 г, 385 с (в соавторстве с В Л Александровым, Ю И Нечаевым, В И Поляковым, Д М Ростовцевым) и «Борьба с вибрацией на судах» СПб, МорВест, 2005 г, 424 с (в соавторстве с В Л Александровым, В И Поляковым)
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 302 страницы основного текста (включая 27 таблиц и 127 рисунков), 4 страницы оглавления, список литературы из 361 наименования, в том числе 45 на иностранном языке
Современное состояние арктического флота
Активное освоение русского севера началось в XI-XII веках. Новгородцы заселили вначале побережье Студеного (Белого) моря, а затем Кольский полуостров и берега Студенца (Баренцева) моря. В конце XV - начале XVI века поморы освоили морской путь к устью Оби. Русские поморы обладали весьма богатым опытом ледовых плаваний, они строили суда, пригодные для плавания во льдах, открыли пути на Шпицберген и Новую Землю.
Опыт ледовых плаваний поморов в дальнейшем был широко использован при организации и проведении арктических морских экспедиций. Систематические научные исследования сибирского побережья России и Северного морского пути были начаты по указанию Петра I с организации знаменитой первой камчатской экспедиции. Следующая страница истории освоения Северного морского пути (СМП) связана с именем М.В. Ломоносова, считавшего необходимым использовать СМП для плавания от берегов Сибири в Восточную Индию [1], [28]-[30], [42], [63], [81], [220].
На рубеже XIX-XX вв. к активизации ледовых плаваний приступили за рубежом. Первым специализированным для плавания в Арктике следует считать судно «Фрам», построенное в 1892 г. по заказу Ф.Нансена. Оно представляло собой трехмачтовую шхуну водоизмещением 400 т, оснащенную паровой машиной мощностью 220 л.с.
Активными сторонниками дальнейшего освоения СМП были С.О.Макаров и Д.И.Менделеев. Благодаря их настойчивости в 1898 г. был построен первый в мире арктический линейный ледокол «Ермак», который принципиально расширил возможности плавания по трассе СМП [29], [314].
После «Ермака» создавались и постоянно совершенствовались и увеличивались (по размерам, мощности и возможности преодоления ледовых преград) ледоколы, предназначенные для обеспечения проводки и плавания в Арктике транспортных судов. Поскольку, однако, темой настоящей работы является развитие и совершенствование именно транспортных судов, перевозящих грузы в условиях ледового плавания, ледоколы как суда принципиально другого класса в ней не рассматриваются - это должно быть предметом самостоятельных исследований.
Возвращаясь поэтому к транспортным судам, отметим, что дальнейший опыт ледовых плаваний судов получен в ходе русских гидрографических экспедиций в Северный Ледовитый океан на ледокольных пароходах «Таймыр» и «Вайгач», построенных в 1908-1909 гг. на Невском судостроительном заводе в Петербурге. В 1914-1915 гг. за две навигации с одной зимовкой эти гидрографические ледокольные суда впервые прошли СМП с востока на запад. В 1932 г. ледокольный пароход «Сибиряков» впервые совершил сквозное плавание по СМП за одну навигацию.
17 декабря 1932 г. года было учреждено Главное управление Северного морского пути «Главсевморпуть» при Правительстве СССР, наделенное широкими полномочиями для решения комплекса хозяйственных, транспортных и научных мероприятий по развитию СМП. Перед ним была поставлена задача «проложить окончательно морской путь от Белого моря до Берингова пролива, оборудовать этот путь, держать его в исправном состоянии и обеспечить безопасность плавания по этому пути». С этого времени начались годы планомерного и всестороннего освоения важнейшей морской транспортной коммуникации России в Арктике. Быстрыми темпами развивались горнодобывающая и металлургическая промышленность, лесопереработка, морской транспорт, создавались порты и обеспечивающие службы. В кратчайшие сроки созданы инфраструктура, мощный ледокольный и ледокольный транспортный флот [241], [275], [314].
Работы по созданию транспортных судов, специально приспособленных для арктических условий плавания, начались в 30-е годы.
В 1936 г. был построен лесовоз-пароход ледового класса «Арктика» и грузовой теплоход ледового класса «Волга». Через два года на воду были спущены ледокольные пароходы большей грузоподъемности «С.Дежнев» и «Леваневский».
Большую роль в освоении СМП играли военные моряки. Первые проводки военных кораблей Северным морским путем были осуществлены в 1936 г. Во время Великой Отечественной войны из Владивостока на Северный флот были переведены лидер «Баку» и эскадренные миноносцы «Разумный» и «Разъяренный».
В годы войны по СМП осуществлялись эвакуация на восток промышленных предприятий из европейской части СССР, перевод промышленности Севера на военное положение, поставка вооружения и других грузов для фронта, проводка военных кораблей с востока на запад.
В 1954-1957 гг. была построена первая серия дизель-электроходов ледовой категории УЛА типа «Лена» грузоподъемностью 5700 т. Суда этого типа имели ледовый пояс толщиной до 30 мм и двойные борта в районе машинного отделения. В 1962 г. началось строительство новой серии более мощных судов этого класса типа «Амгуэма». В дополнение к своим транспортным функциям эти суда могли использоваться в качестве вспомогательных ледоколов в караванном плавании. Отечественный транспортный флот ледового плавания за годы освоения и развития арктических перевозок постоянно совершенствовался [314]. Значительное развитие получили ледокольно-транспортные суда. В Финляндии было осуществлено строительство 19 универсальных многоцелевых судов ледового класса УЛА серии «Норильск» дедвейтом 15000 тонн (типа СА-15). На судах этого класса был впервые применен винт регулируемого шага (ВРШ). У нас были построены арктические суда-снабженцы с вертолетным способом разгрузки на необорудованный берег типа САС-5. Это серия из 5 дизель-электроходов класса УЛА типа «Витус Беринг» и судно такого же класса «Иван Папанин», но с прямой передачей мощности от малооборотного дизеля на ВРШ в направляющей насадке. В 1988 г. построен также атомный лихтеровоз-контейнеровоз высшего ледового класса «Севморпуть» с ВРШ в насадке. Созданный в 80-е годы прошлого столетия ледокольно-транспортный флот, состоящий в основном из судов типа «Норильск», обеспечил круглогодичные перевозки в западном районе Арктики, а также продление традиционных сроков навигации и повышение надежности доставки грузов в наиболее сложном по ледовым условиям восточном районе Арктики.
После распада СССР на 15 независимых государств СМП перешел полностью под юрисдикцию России. Объективно значение СМП для России возросло. Однако своеобразие функционирования СМП в 90-х годах заключалось в том, что трудная адаптация арктической транспортной системы к новым геополитическим и экономическим условиям сочеталась с расширением опыта продленной и круглогодичной навигации и началом международного использования СМП.
Практически перестал обновляться арктический транспортный флот. Число используемых транспортных судов различного назначения сократилось в четыре раза, при этом возраст большей части судов приблизился к критическому.
Использование искусственно нагружаемой модели конструкции ледового пояса для подготовки данных, необходимых при установке на судах системы определения ледовых нагрузок
Отдельные вопросы классификации льдов разрабатывались Ф. Врангелем, К. Вайпрехтом, С. Макаровым, в записках экспедиции на судне «Заря» под руководством Э. Толля и др. [28]. В 1928 г. Второй всесоюзный гидрологический съезд утвердил первую комплексную систему классификации морских льдов, разработанную комиссией Гидрографического управления ВМС СССР. Эта классификация нашла признание за рубежом.
В дальнейшем была разработана и согласована международная номенклатура морских льдов, а также соответствующие условные ледовые обозначения и ледовый код для передачи данных по радио. В основу новой ледовой номенклатуры были положены разработки советских океанологов, которые во многом совпали с предложениями канадских и английских специалистов.
К 80-85 гг. прошлого столетия в результате выполненных комплексных исследований сложилась методология регламентации ледовой прочности корпусов судов, сыгравшая значительную роль в создании российского арктического флота.
Методология была основана на опыте арктической эксплуатации, характеризуемой относительно невысокой степенью изменчивости нагрузок. В ее рамках широко использовался впервые обоснованный Ю.А. Шиманским метод «условных измерителей», позволяющий получать сравнительные оценки запасов прочности судов при относительно слабом изменении условий ледовой эксплуатации [307], [309].
С этого времени решено много задач взаимодействия корпуса и льда, разработаны конструктивные узлы ледовой защиты корпусов, сформулированы правила обеспечения ледовой прочности [49], [50], [52], [53], [101], [135], [136], [138], [140], [152], [232], [247]-[250].
Переход на продленную, вплоть до круглогодичной, навигацию в Арктике, сопровождаемый расширением районов ледового плавания, привел к существенному изменению условий эксплуатации судов во льдах. Ужесточение ледовых условий в период продленной навигации, особенно в восточном секторе Арктики, увеличение скоростей проводки судов новыми, более мощными ледоколами обусловили значительное повышение степени изменчивости ледовых нагрузок и, соответственно, объема ледовых повреждений.
Все это предопределило необходимость совершенствования сложившейся практики нормирования, оценки прочности и проектирования конструкций ледовых усилений и пересмотра ряда концептуальных положений существующей методики обеспечения ледовой прочности корпусов судов.
Ниже кратко изложены общепринятые сегодня характеристики морского льда, при этом основное внимание обращено на параметры, используемые при оценке надежности конструкций ледового пояса судов.
Основные характеристики льда, которые учитываются при проектировании корпусов судов, плавающих во льдах, и определении ледовых нагрузок [1], [30], [48], [96], [232], следующие.
Главная навигационная характеристика льда - сплоченность, т. е. отношение площади льдин в зоне, где они распределены сравнительно равномерно, к общей площади этой зоны, выраженное в баллах. Сплоченность льда изменяется от одного до десяти баллов. Например, если сплоченность льда в зоне составляет 2 балла, то это означает, что 20% ее поверхности занимают льды (5 баллов - 50%, 10 баллов - 100%).
Большое значение имеют параметры прочности льда: прочность льда на сжатие, прочность льда на изгиб, динамическая прочность льда, а также раздробленность - средний размер льдины; скорость и направление дрейфа льда.
Прочность морского льда зависит от большого числа факторов: толщины снежного покрова, структуры, толщины и возраста льда. Имеет место существенный разброс данных определения прочности льда. Средние значения предела прочности льда на изгиб по возрастным группам составляют: - молодой лед (толщина меньше 0,7 м) - 0,5-0,6 МПа; - однолетний лед (толщина около 1,5 м) - 1,0-2,2 МПа.
Однако систематических данных для построения надежных вероятностных методов определения ледовых нагрузок недостаточно. Возможности расширения банка данных весьма ограничены из-за чрезвычайно высокой стоимости проведения экспериментальных исследований в натурных условиях арктических морей и высокоширотных районов.
Известно большое число современных исследований, использующих детерминированный метод определения ледовых нагрузок, при котором ледяной покров рассматривался как изотропная пластина, лежащая на упругом основании (вода) [93], [96], [136], [141], [231], [232], [286], [290], [291].
Лед считался вполне упругим материалом, а его упругие постоянные и значения пределов прочности принимались по данным натурных экспериментов, при этом детерминированная модель строилась на базе двух сценариев взаимодействия: -ледовое сжатие (медленное наползание на ледовый пояс большого ледяного поля); - удар о ледовый пояс дрейфующей льдины. К сожалению, приходится констатировать, что мероприятия, применяемые сегодня для защиты корпуса судна от взаимодействия со льдом, связаны с существенным увеличением металлоемкости. Отмечается также тенденция нормирующих органов к повышению требований к объемам подкреплений, что ведет к еще большему увеличению металлоемкости.
В то же время опыт эксплуатации показывает, что увеличение ледовых подкреплений на судах не гарантирует отсутствия повреждений корпуса, а иногда даже стимулирует экипаж к плаванию в более опасных ситуациях. Следует признать, что методы и традиционные подходы к защите корпусных конструкций от ледовых воздействий не обеспечивают требуемого уровня эксплуатационной надежности корпусов судов, плавающих во льдах [101], [138], [150], [226], [314].
Настоящая глава посвящена исследованиям, которые по мнению автора можно считать наиболее перспективными. Такими являются: - исследования поведения и откликов корпусных конструкций судов при плавании во льдах, учитывающих реальные условия взаимодействия корпуса со льдом, упруго-пластические циклические деформирования конструкций и накопление ими полученных повреждений; - исследование вопросов, связанных с целесообразностью использования для целей проектирования корпусных конструкций данных о реальных ледовых нагрузках, полученных в результате использования систем контроля ледовых нагрузок, устанавливаемых на судах; - изучение технической и экономической целесообразности установки таких систем на судах; - обоснование возможности при отсутствии данных о реальных нагрузках использования при проектировании в достаточной степени приближенных к действительности данных об условиях работы конструкций ледового пояса корпусов судов, полученных при исследованиях специально изготовленных искусственно нагружаемых макетов этих конструкций;
Анализ имеющихся экспериментальных данных ходовой вибрации судов при движении во льдах
Современные расчетные схемы для анализа напряженно-деформированного состояния конструкции основываются на методе конечных элементов, который является вариационно-разностным методом решения дифференциальных уравнений механики сплошных сред [87], [215], [234], [235], [251]. Процедура МКЭ состоит из двух этапов: - разбиение области, в которой ищется решение, на подобласти (конечные элементы). Внутри каждой подобласти неизвестные функции определены базовой функцией с набором параметров, количество которых равно количеству степеней свободы конечного элемента. Степень свободы конечного элемента равна сумме степеней свободы узлов этого элемента; - решение общей системы уравнений для области в целом с учетом граничных условий и получение значений неизвестных функций в каждом узле. Современные программные средства, использующие МКЭ в качестве расчетного метода, позволяют анализировать поведение конструкции в области нелинейного деформирования, что дает возможность использовать их и для прогнозирования надежности пластически деформируемых конструкций [273].
Были разработаны конечно-элементные модели исследуемой бортовой конструкции трех уровней (рис.2.9). f -. P
Максимальный размер элемента в области регистрации деформаций - не более чем 100 мм, а минимальный размер - 50 мм. Соотношение сторон одного конечного элемента не превышало трех.
Были выполнены расчеты напряженно-деформированного состояния балочной и пластинчато-стержневой идеализации бортового перекрытия. Результаты расчетов позволили выявить условия восприятия нагрузки связями перекрытия, соответствие требованиям для определения зависимости между приложенными к перекрытию нагрузками и замеренными деформациями.
Перерезывающие силы в концевых сечениях балочных элементов конструкции уравновешивают систему усилий, передающихся через рассматриваемое сечение, и поэтому с их помощью однозначно определяется величина внешней поперечной нагрузки на балочный элемент.
По соотношению значений перерезывающей силы в концевых сечениях балочного элемента можно определить положение равнодействующей внешней нагрузки.
Все сказанное относится и к перекрытию, т.е. вычисляя значения перерезывающей силы в соответствующих сечениях, можно определить величину нагрузки и положение равнодействующей.
Топологическая схема балочной расчетной модели перекрытия представлена на рис. 2.10, на котором показана нумерация опорных точек перекрестной связи 1, 2, опорных точек балок главного направления 3-12 и узлов пересечения перекрестной связи с балками главного направления 13-17.
Для моделирования условий опирання и исключения перемещений расчетной модели как жесткого целого принимались следующие кинематические закрепления расчетной модели: в точке 1 нулевыми задавались перемещения UX и UZ; в точке 2 перекрестной связи нулевыми задавалось перемещение UZ; в точках 3, 5, 7, 9, 11 балок главного направления нулевыми задавались перемещения UY и UZ ; в точках 4, 6, 8, 10, 12 балок главного направления нулевым задавалось перемещение UZ .
В результате расчета получены значения параметров напряженно-деформированного состояния в каждом узле и каждом конечном элементе расчетной модели. На рис. 2.13 представлены обобщенные результаты величин прогиба, эпюр изгибающих моментов и перерезывающих сил для 1-го варианта нагружения.
Система контроля прочности и вибрации судна в ледовых условиях. Концепция и подход
В 70-80-е г. XX в. специалистами ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова [58], [210], ЦНИИ МФ [89], [244], ААНИИ [126], [130], [148] велись активные работы по натурным исследованиям ходовой вибрации при движении судна во льдах. Благодаря их усилиям был создан банк экспериментальных данных, который хотя и не может считаться достаточным, но позволяет сделать ряд принципиальных выводов о динамическом поведении судов в ледовых условиях.
Начало исследований вибрации ледоколов и судов ледового плавания было положено в 1968 году на ледоколе «Петр Пахтусов», в корпусе которого возникали значительные по величине упругие колебания при движении во льдах, получившие впоследствии название - ледовая вибрация.
В ходе предварительных экспериментальных и теоретических исследований были выявлены причины возникновения ледовой вибрации и возможные вредные ее последствия.
Также сформулированы цели и задачи дальнейших исследований, которые сводились к тому, чтобы: - проанализировать спектральные характеристики внешних ледовых нагрузок и вызванные ими вынужденные колебания корпуса судна; - выявить влияние природных факторов ледяного покрова на параметры корпуса судна; - установить соотношение между ходовыми и ледовыми компонентами изучаемых колебаний корпуса; - определить значение скоростей хода судна во льдах, при которых возможны резонансные колебания; - описать и проанализировать повреждения корпусных конструкций от вибрации на судах.
Для решения поставленных задач в период 1970-1985 гг. проводились натурные испытания ледоколов и ледокольно-транспортных судов в арктических и антарктических льдах. Испытывались следующие суда: ледоколы «Капитан Белоусов», «Капитан Мелехов», «Мурманск», «Владивосток», речной ледокол «Капитан Чечкин» (пр. 1105) в пресных льдах, суда ледового плавания дизель-электроходы «Ванкарем» (пр.5 50), «Обь» во время 18-го антарктического рейса, а также речной теплоход типа «Волго-Дон» (пр. 1565) на реке Волга.
По мере совершенствования методики ледовые испытания повторялись по расширенной программе либо на одном и том же ледоколе, либо на ледоколах той же серии. Портовый ледокол «Петр Пахтусов» испытывался дважды в 1968 и 1969 гг. В разное время были обследованы все однотипные ледоколы «Москва» («Москва», «Ленинград», «Владивосток»). Из серии четырех винтовых ледоколов «Капитан Белоусов», «Капитан Мелехов», «Капитан Воронин», оборудованных двумя носовыми и двумя кормовыми винтами, испытывались два первых. Испытания проводились в различных ледовых условиях: в сплошных, крупнобитых и мелкобитых льдах. Одновременно разрабатывалась вероятностная модель взаимодействия корпуса со льдом, описывающая природу ледовой вибрации и позволяющая оценить параметры этой вибрации. Материалы экспериментальных и теоретических исследований опубликованы в печати [126].
Вибрация судна во льдах представляет собой сложный процесс, включающий следующие компоненты: - ледовая вибрация, обусловленная воздействием ледовых нагрузок на носовую оконечность судна; - ходовая вибрация, вызванная работой гребного винта; - вибрация, связанная с работой главной энергетической установки. Указанные компоненты вибрации одновременно фиксируются при колебаниях корпуса судна во льдах. Одна из целей эксперимента состояла в том, чтобы разделить эти вибрации в зависимости от природы возмущающих сил. Ходовая и дизельная вибрации характеризуются дискретным приложением возмущающих сил, которые могут быть представлены рядами Фурье. Ледовые импульсные нагрузки возбуждают общую вибрацию корпуса судна в вертикальной, горизонтально-продольной и горизонтально-поперечной плоскостях. Из-за больших углов наклона шпангоутов в носовой оконечности судов ледового плавания наибольшая величина импульса приложена в вертикальной плоскости, вследствие этого преобладает вертикальная компонента вибрации. Высоты импульсов, их распределение во времени и по длине носовой оконечности зависят от случайных внешних факторов, обусловленных скоростью судна v, толщиной hn и сплоченностью (S) льда, высотой снежного покрова (h ). Количество импульсов за единицу времени (плотность импульса Я) также определяется сплоченностью и скоростью движения судна (рис.3.1). Спектр ледового воздействия является непрерывной функцией частоты.
