Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор состояния проблемы обеспечения штормовой безопасности малотоннажных рыболовных судов 11
1.1 Общая численность малотоннажного рыболовного флота и состоя ние аварийности рыболовного флота Российской Федерации 11
1.2 Анализ отдельных аварий малотоннажных рыболовных судов 15
1.3 Анализ проектных исследований по обеспечению штормовой без опасности 21
1.4 Основные допущения 35
2 Проектный анализ аварий судов от потери судов в условиях заливания палубы 37
2.1 Введение 37
2.2 Основные факторы, влияющие на аварийность
2.3 Влияние погодных условий на аварийность 46
2.4 Характеристики остойчивости судов на момент аварии 49
2.5 Основные причины аварий 56
2.6 Типичные аварийные ситуации 61
2.7 Определение критических значений параметров остойчивости рыболовных судов 63
2.7.1 Характеристики остойчивости сопоставляемых групп рыболовных судов 63
2.7.2 Определение критических значений параметров остойчивости рыболовных судов при возвращении в порт (в полном грузу с 10% запасами) 67
2.7.3 Определение критических значений параметров остойчивости рыболовных судов для наихудших условий 2.7.4 Сравнение различных требований к параметрам диаграммы статической остойчивости рыболовных судов 73
2.7.5 Анализ плеч остойчивости погибших судов при известных критических значениях параметров остойчивости 75
2.8 Архитектурно-конструктивные особенности малотоннажных рыбо
ловных судов, потерпевших аварии 78
2.9 Основные выводы 87
3 Логико-математические модели динамики процессов снижения уровня безопасности рыболовных судов в штормовых условиях в условиях заливания палубы 89
3.1 Введение 89
3.2 Математическая модель бортовой качки малотоннажного рыболовного судна, расположенного лагом к волнению в условиях заливания палубы 91
3.3 Математическая модель бортовой качки малотоннажного рыболовного судна при движении на попутном волнении в условиях заливания палубы 97
3.4 Основные выводы 107
4 Анализ физических картин опрокидывания малотоннажных рыболовных судов в процессе модельного эксперимента 109
4.1 Цели и задачи экспериментального исследования. Объем экспериментальных работ 109
4.2 Приборы и оборудование для проведения экспериментальных работ, методика обработки экспериментальных данных 114
4.3 Техника и методика моделирования воздействия на судно экспериментальных условий волнения 120
4.3.1 Эксперименты с моделями, стоящими лагом к регулярному и нерегулярному волнению 120
4.3.2 Эксперименты с моделями при движении на попутном регулярном и нерегулярном волнении 123
4.3.3 Эксперименты с моделями на разрушающемся волнении 131
4.4 Сравнение результатов расчета и эксперимента 137
4.5 Основные выводы 140
5 Проектные рекомендации к остойчивости при проектировании малотоннажных рыболовных судов 142
5.1 Общие требования Российского морского регистра судоходства и
ИМО к остойчивости малых морских рыболовных судов 142
5.1.1 Требования Российского морского регистра судоходства 142
5.1.2 Требования ИМО 143
5.2 Расчетные ситуации и инженерные методы расчета параметров остойчивости малотоннажных рыболовных судов в различных ситуациях, опасных с точки зрения опрокидывания 151
5.2.1 Основные определения, принятые обозначения и область распространения. 151
5.2.2 Оценка остойчивости малотоннажных рыболовных судов при ходена попутном волнении в условиях заливания палубы с кормы 155
5.2.3 Оценка остойчивости малотоннажных рыболовных судов при ходена попутном волнении в условиях воздействия шквалистого ветра 158
5.2.4 Оценка остойчивости малотоннажных рыболовных судов стоящих лагом к крутому регулярному волнению в условиях заливания палубы. Теоретический анализ работоспособности критерия ИМО 161
5.2.5 Оценка остойчивости малотоннажных рыболовных судов при ходе на попутном волнении в условиях самопроизвольного разворота (брочин-га) 168
5.2.6 Дополнительная проверка остойчивости малотоннажных рыболовных судов на промысле 171
5.2.7 Методика оценки остойчивости судов кошелькового лова, перевозящих свежую рыбу в трюмах наливом 175
5.2.8 Замечания по дальнейшему использованию методов оценки остойчивости малотоннажных рыболовных судов в различных ситуациях, опасных с точки зрения опрокидывания 180
5.2.8.1 Экспериментальная проверка предложенных критериев остойчивости судов в условиях заливания палубы 180
5.2.8.2 Предложения по дальнейшему использованию полученных результатов 181
5.3 Сравнение совокупности критериев ИМО с нормами Российского морского регистра судоходства 185
5.4 Рекомендации по выбору основных архитектурно-конструктивных элементов надводной части малотоннажных рыболовных судов 196
Заключение 199
Список литературы
- Анализ отдельных аварий малотоннажных рыболовных судов
- Определение критических значений параметров остойчивости рыболовных судов
- Математическая модель бортовой качки малотоннажного рыболовного судна при движении на попутном волнении в условиях заливания палубы
- Эксперименты с моделями, стоящими лагом к регулярному и нерегулярному волнению
Введение к работе
Актуальность работы. Увеличение роли и численности рыболовного флота, начало активного роста числа проектов рыболовных судов требует создания более совершенного проектного и нормативного обеспечения разработки таких проектов, а также надзорной деятельности и эксплуатации промыслового флота. Это связано с тем, что в новых условиях экономики России основной акцент в промышленном рыболовстве смещается на развитие рыболовства в собственной прибрежной зоне, поэтому большее внимание необходимо уделять средним и малым траулерам, сейнерам, дрифтерам, тунцеловам.
Уровень безопасности рыболовного флота закладывается в начале проектирования. Многочисленная аварийная статистика, в том числе собранная и проанализированная автором, свидетельствует, что опрокидывание судна предопределяется не повреждением судна, не ошибочными действиями команды или обстоятельствами непреодолимой силы, а связано, главным образом, с недостаточным уровнем запаса плавучести (надводного борта) и запаса остойчивости, выбранных при проектировании на основании тех или иных требований к безопасности. Гибель судна в неповрежденном состоянии объективно может быть обусловлена в числе прочих причин и несовершенством самих требований к остойчивости. Практика нормирования остойчивости показывает, что перспектива улучшения работоспособности существующих критериев и создания дополнительных связана, прежде всего, с разработкой рациональной системы таких проектных требований к остойчивости, которые бы базировались на достоверной физической картине поведения судна в различных ситуациях, опасных с точки зрения безопасности.
Международная конвенция по безопасности рыболовных судов, включая Торремолиносский Протокол 1993г., предусматривает, что при проектной проверке безопасности рыболовных судов они должны в соответствии с требованиями Администрации выдерживать: заливание палубы с учетом сезонных условий погоды, состояния моря, при которых судно будет эксплуатироваться, типа судна и способа его работы; воздействие дополнительных кренящих моментов сил от орудий лова во время промысловых операций и т.д. Международная конвенция по безопасности рыболовных судов, Правила Регистра 2017г. не содержат жесткой регламентации способов учета влияния воды в палубном колодце, промысловых операций и не охватывают архитектурно-конструктивных особенностей судов и условий их эксплуатации, ограничиваясь весьма неопределенными общими указаниями на один из возможных условных статических или квазистатических способов, не рассматривая
другие способы проектной оценки остойчивости и не формулируя рассматриваемых расчетных ситуаций.
Поэтому необходимо дополнение проектных процедур и Правил Регистра в части IV «Остойчивость» не только требованиями и условиями, при которых остойчивость малотоннажных рыболовных судов может считаться достаточной на случай заливания палубного колодца забортной водой, влияния промысловых операций, но и способами проектной оценки их достаточности.
Цель работы. Обоснование и совершенствование проектных и нормативных методов оценки безопасности (в особенности, остойчивости) рыболовных судов. Эти методы должны быть ориентированы на условия выбора основных элементов судна и на обеспечение безопасной эксплуатации, на предотвращение аварий.
Объекты исследования. В качестве объектов исследования выбраны методы и способы проектного обоснования характеристик безопасности рыболовных судов. При этом наибольшее внимание обращается на судна длиной менее 45 м, имеющие в настоящее время ограничения по погодным условиям, кормовую часть палубы, недостаточно защищенную ютом и другими кормовыми надстройками, а также сплошной фальшборт. Эти суда по числу составляют около 70% от всех рыболовных. В шельфовом промысле эти суда добывают 75% общего улова.
Задачи и методы исследования. Для достижения целей работы решались следующие задачи:
сбор и анализ базы данных аварийности с малотоннажными промысловыми судами, длиной до 45м;
проектный анализ аварий рыболовных судов от потери остойчивости;
выделение расчетных проектных опасных ситуаций при эксплуатации малотоннажных рыболовных судов в штормовых условиях;
построение логико-математических моделей проектного анализа динамики процессов снижения уровня безопасности рыболовных судов;
проектные исследования процесса опрокидывания рыболовных судов на основе физического и математического экспериментов;
экспериментальная проверки полученных теоретических результатов;
определение экспериментальным путем влияния архитектурно-конструктивных особенностей надводной части малотоннажных судов на их характеристики безопасности в экстремальных условиях волнения;
разработка проектных способов оценки остойчивости малотоннажных судов в наиболее опасных условиях эксплуатации;
проектное обоснование нормативных пределов с учетом специфики судов,
их размеров, районов плавания и т.д.;
разработка проектных рекомендаций по повышению уровня технической
безопасности рыболовных судов, ориентированных на условия эксплуатации.
В теоретических исследованиях использовались элементы системного под
хода и дифференциальные уравнения, математическое моделирование, математиче
ская статистика, основные методы теории проектирования судов.
Экспериментальные исследования проводились в большом опытовом бассейне Калининградского государственного технического университета на самоходных моделях судов промыслового флота с применением теории подобия.
Научную новизну работы составляют:
сформулированные проектные расчетные ситуации для рыболовных судов при оценке их безопасности;
расчетные проектные методы оценки безопасности рыболовных судов в штормовых условиях;
нормативы безопасности (в части остойчивости) в форме Правил классификации, проектирования, постройки и оборудования маломерных судов промыслового флота Госкомрыболовства Российской Федерации 1998г. и Правил классификации и постройки малых морских рыболовных судов Российского морского регистра судоходства 2005г.
Обоснование и совершенствование проектных и нормативных методов оценки безопасности (в особенности, остойчивости) рыболовных судов. Эти методы должны быть ориентированы на условия выбора основных элементов судна и на обеспечение безопасной эксплуатации, на предотвращение аварий.
Прикладное значение заключается в разработке и совершенствовании методов проектной оценки безопасности рыболовных судов в различных ситуациях, опасных с точки зрения опрокидывания в форме, пригодной для выбора основных элементов судна. Результаты работы использованы при разработке норм безопасности (остойчивости) малых морских рыболовных судов, для экспертизы фактических аварий от потери остойчивости, а также автоматизации проектных работ. Результаты исследования использованы в научно-исследовательских работах, выполненных в Балтийском федеральном университете имени И.Канта по заданиям проектных, надзорных и эксплуатирующих флот организаций. Проектные и нормативные характеристики безопасности рыболовных судов одобрены и приняты Главным Управлением Российского морского регистра судоходства, АО «Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт по развитию и эксплуа-
тации флота (АО «Гипрорыбфлот»). Результаты работы использованы в учебном процессе морских учебных заведений и организаций, эксплуатирующих малотоннажный флот.
Основные положения, выносимые на защиту.
Из теоретических разработок - проектные методы расчета основных элементов рыболовных судов, исходя из сформулированных опасных расчетных ситуаций.
Из научно-методических разработок проектные методы оценки безопасности (остойчивости) рыболовных судов в штормовых условиях, методы выбора основных элементов судна на различных этапах проектирования с учетом условий эксплуатации.
Из научно-технических разработок нормативы безопасности (в части остойчивости) в форме Правил классификации, проектирования, постройки и оборудования маломерных судов промыслового флота Госкомрыболовства Российской Федерации 1998г. и Правил классификации и постройки малых морских рыболовных судов Российского морского регистра судоходства 2005г.
Достоверность результатов. Основные теоретические положения и исходные допущения характеризуются непротиворечивостью, подтверждены данными аварийной статистики, модельными экспериментами и существующей практикой эксплуатации судов данного типа. Расчетные методы проверялись систематическими расчетами для судов промыслового флота, находящихся в эксплуатации. Эти методы ориентированы на условия выбора основных элементов судна, на обеспечение безопасной эксплуатации и на предотвращение аварий.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических советах Главного Управления Российского морского регистра судоходства по мореходным качествам судов и безопасности мореплавания (автор работы с 2000г. является членом научно-технических советов Главного Управления Российского морского регистра судоходства по мореходным качествам судов и безопасности мореплавания с 2009г.)
Об основных результатах, выводах и рекомендациях, полученных в работе докладывалось на международных, федеральных и региональных конференциях:
International Symposium on Hydro and Aerodynamics in Marine Engineering “HADMAR-91”, Varna, Bulgarian;
VI-th International Conference on Stability of Ships and Ocean Vehicles “STAB-97”, Varna, Bulgarian;
Eighth Congress of the International Maritime Association of Mediterranean “IMAM-97”, Istanbul, Turkey;
Tarptautines Konferencijos pranesimu medziaga “Transporto Premones-98”, Kaunas, Letuva;
International Congress Ship and Maritime Transport “SMT-99”, Hamburg,Germany;
Третья Международная конференция по морским интеллектуальным технологиям «МОРИНТЕХ-99», Санкт-Петербург, Россия;
Вторая и третья международные конференции по судостроению «ISC-98, ISC-2002», Санкт-Петербург, ЦНИИ им.акад. А.Н Крылова, Россия;
Проблемы мореходных качеств судов и корабельной гидромеханики «Крылов-ские чтения» 1997, 1999, 2001, 2003, 2006, 2009, 2011 гг., Санкт-Петербург, ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова - НТО судостроителей им. акад. А.Н.Крылова, Россия;
II, III, V Международные конференции по управлению безопасностью мореплавания и подготовке морских специалистов «SSN-1999, SSN-2002, SSN-2005», Калининград, Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота, Россия;
Международный научно-технический конгресс по безопасности «Безопасность - основа устойчивого развития регионов и мегаполисов-2005г.», Москва, Россия;
Отраслевые научно-технические конференции аспирантов и соискателей «Научно-технические разработки в решении проблем рыбопромыслового флота и подготовки кадров» 1999, 2000, 2003, 2005гг., Калининград, Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота, Россия;
XV Всероссийская научно-методическая конференция «ТЕЛЕМАТИКА’2009», г. Санкт-Петербург, Россия.
Морская индустрия, транспорт и логистика в странах региона Балтийского моря: Новые вызовы и ответы: X Юбилейной международной конференции, г.Калининград, Россия, 2012.
Публикации. По теме диссертации опубликовано в открытой печати 53 работы, из них 11 публикаций в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России, три монографии и один патент на изобретение № 2405712 от 10.12.2010 г.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы из 260 наименований. Диссертация содержит 233 страницы, 109 рисунков, 25 таблиц и 13 страниц приложений.
Анализ отдельных аварий малотоннажных рыболовных судов
Разрабатываемые в диссертационной работе методы базируются на общей теории проектирования судов. Проектные задачи разработки и совершенствования методов оценки безопасности рыболовных судов в различных ситуациях, опасных с точки зрения опрокидывания в форме, пригодной для выбора основных элементов судна тесно увязываются с вопросами мореходности. С этих позиций наиболее полезно использование работ Ногида Л.М. [109-112], Ашика В.В. [15], Бронникова А.В. [35,36], Пашина В.М. [113,114], Борисова Р.В. [25,26], Царева Б.А [161-163], Захарова И.Г. [63-65], Половинкина В.Н. [116], Орлова О.П. [115]. Большой вклад в обоснование проектных решений и мореходных качеств различных типов судов внесли Гайкович А.И. [43,44], Демешко Г.Ф. [56], Логачев С.И. [83], Роннов Е.П. [133-135], Севастьянов Н.Б. [145,147], Нечаев Ю.И. [106,108], Ионов Б.П., Грамузов Е.М., Зуев В.А. [69,70], Шауб П.А. [174], Кутейников М.А. [78], Егоров Г.В [62], Иванов В.П. [68]
Вопрос о возможности изменения остойчивости на волне по сравнению с остойчивостью на тихой воде был поднят еще в конце прошлого века, когда в 1892 году И. Полляр и А. Дюдебу впервые высказали некоторые соображения по поводу изменения поперечной остойчивости судов, расположенных под углом к волнению. Примерно в то же время об этом высказался А.Н. Крылов.
Однако прошло много лет, прежде чем исследователи вновь заинтересовались этой проблемой. Актуальность проблемы обеспечения безопасности мореплавания осознавалась кораблестроителями и судоводителями давно. Систематические исследования в этой области ведутся с середины 18 века.
Одним из центральных вопросов проблемы является нормирование остойчивости. Постановка задачи об остойчивости судна на волнении А.Н. Крыловым позволила его ученикам (Л.М. Ногиду с учетом некоторых результатов С.Н. Благовещенского) разработать первые в мире государственные нормы остойчивости в 1935 году. Аналогичные работы велись в Финляндии Я. Рахолой [243]. В 1948 году Регистром СССР были приняты временные нормы остойчивости. В начале 50-х годов С.Н. Благовещенский исследовал механизм опрокидывания. Его работы с учетом трудов В.М.Лаврентьева (остойчивость буксиров при рывке троса) и А.Н. Шебалова (гидродинамические решения и эксперимент) и легли в основу первых отечественных норм остойчивости, основанных на физических предпосылках, которые были приняты Регистром в 1959 году. В дальнейшем основной критерий этих норм, получивший впоследствии название критерия погоды, совершенствовался усилиями самого С.Н. Благовещенского [23], В.В. Луговского [87,89-91], Г.А.Фирсова и ряда других авторов.
В 1941 году В.Графом и Е.Хекшером [215] был проведен эксперимент по исследованию остойчивости на попутном волнении.
В середине 40-х годов О. Грим в бассейне провел эксперименты с буксировкой моделей судов, которые качественно подтвердили факт уменьшения остойчивости модели на вершине волны и возрастание остойчивости на ее подошве. В 1947-49 гг. Меккель отметил следующие интересные моменты [233]: - траулеры подвергались опасности при ходе на попутном волнении с большой скоростью, так как при этом суда медленно движутся относительно волн и принимают большие массы воды на палубу; - хороший мореходный траулер может опрокинуться на попутном волнении вследствие принятия больших масс воды на палубу или продолжительного времени пребывания на вершине волны. Опасность этого рода вызывается неблагоприятным соотношением между скоростями судна и волны, а не результатом неудовлетворительной конструкции; - для малых судов с дифферентом на нос, кроме того, возникает опасность быть повернутым лагом к волне вследствие набегающей сзади волны, стремящейся развернуть корму судна.
Более подробное изучение этого вопроса началось в пятидесятые годы в связи с авариями судов на попутном волнении.
Проблема учета волны на палубе при оценке остойчивости не нова и корнями уходит в прошлое. В известном докладе «Практические подходы к остойчивости судов» (1956 г.) Х. Штелль [175] отмечает, что уже в прошлом веке приступили к решению проблемы существенно влияющей на остойчивость и связанной с проникновением воды внутрь корпуса и скоплением ее на палубе …. Ряд аварий, например, судна «Лондон» в 1861 году, указали на возникающий риск …. С развитием методов расчета остойчивости и с осмыслением явлений накренения судов в реальных условиях плавания проблема воды на палубе судна приобретает все большее практическое значение. Так, в упомянутом выше докладе говорится, что «после ряда аварий в 20-е годы опять занялись вопросами удаления воды с палубы судна, к моменту принятия Международной конвенции по грузовой марке в 1930 годы были составлены требования к быстроте скатывания воды с палубы …». С развитием и внедрением национальных и международных норм остойчивости судов проблема воды на палубе начинает решаться в научной постановке. Тщательно анализируются аварии, ставятся опыты по опрокидыванию моделей судов, делаются попытки аналитического решения частных задач.
Физическое моделирование остойчивости – наиболее перспективное направление исследования этого важного мореходного качества. Результаты физических экспериментов позволяют разрабатывать наиболее эффективные методы оценки остойчивости и совершенствовать теоретические исследования. Важность такого направления в исследованиях остойчивости на волнении вытекает из того, что практически невозможно проводить эксперимент на больших углах крена в натурных условиях из-за опасности опрокидывания судна. Морская практика насчитывает всего лишь несколько подобных экспериментов, которые были поставлены самой природой после того, как команды покинули аварийные суда.
Именно в это время определились основные направления в изучении остойчивости в этой критической ситуации: 1) исследование изменений восстанавливающего момента М(в,ї) в зависимости от параметров волнения, формы корпуса и скорости судна, а также разработки методов расчета остойчивости в этих условиях; 2) анализ динамической остойчивости судна под воздействием внешней кренящей нагрузки при периодическом изменении восстанавливающего момента; 3) исследования поведения судна при захвате попутной волной, потере управляемости и развороте лагом к набегающему волнению (брочинг); 4) разработка критериев остойчивости и аналитических зависимостей, позволяющих определять элементы формы корпуса с учетом требований к остойчивости на попутном волнении при проектировании судна [108].
Среди работ первого направления исследований нужно отметить исследования И.К. Бородая, Ю.А. Нецветаева, Г.В. Виленского [28-34], В.В. Луговского [85,86,88], Д. Паулинга [239-240], Ю.И. Нечаева [106-108].
Теоретические работы И.К. Бородая содержит анализ гидростатических и гидродинамических компонентов, определяющих восстанавливающий момент судна, движущегося на попутном волнении. В них приводятся статические характеристики дополнительного восстанавливающего момента на нерегулярном волнении.
Исследование взаимодействия продольной и бортовой качки выполнено В.В. Луговским, где он теоретическим путем определяет зависимости, характеризующие гидродинамические силы и моменты прямостенного судна с последующей аппроксимацией обводов, приводит эти зависимости к виду, удобному для практических расчетов.
Д.Паулинг свои теоретические работы посвятил составлению зависимостей, характеризующих начальную метацентрическую высоту и восстанавливающий момент судна на продольном волнении. Метод расчета остойчивости на больших углах крена с учетом волнения основан на нахождении М(в,ї), как суммы восстанавливающих моментов элементарных отсеков накрененного судна.
Изучению теоретических методов определения восстанавливающего момента судна на волнении способствовало развитие гидродинамической теории качки.
Трудности применения теоретических методов в практических расчетах остойчивости объясняются небольшим диапазоном углов крена, для которых можно получить удобное аналитическое выражение восстанавливающего момента (эти углы обычно ограничиваются углами входа палубы в воду), а также большой сложностью учета гидродинамических факторов при движении судна на попутном волнении. Чаще при практических оценках используется, для определения гидростатической части восстанавливающего момента, способ статической постановки судна на волну. Эти способы описаны в работах С.Н. Благовещенского, Н.Ф. Воеводина [23,41]. Поэтому дальнейшее совершенствование теоретических методов анализа остойчивости в значительной мере тормозит отсутствие надежных способов учета интерференции волновых систем и других динамических факторов.
Экспериментальное изучение остойчивости на попутном волнении в СССР было начато С.Н. Благовещенским в 1958 году и проводилось на модели рыболовного сейнера с целью проверки расчетных данных. Результатом этого эксперимента было определение начального участка ДСО модели на вершине волны длиной 0,7L модели и крутизной 1/10. Сравнение данных расчета и опыта показало существенное расхождение – падение остойчивости в опыте значительно меньше расчетного. Тогда не удалось объяснить причину такого расхождения.
Примерно в то же время в Ганноверском бассейне (ФРГ) А.Арндтом и С.Роденом [205] был поставлен эксперимент в связи с гибелью судна «Памир». Опыт проводился на попутном волнении крутизной 1/20 и длиной, равной длине модели на разных числах Фруда: 0,008; 0,16; 0,24 при трех значениях угла крена – 10; 22,5; 30 градусов. Модель кренилась неподвижно, волны набегали с кормы. Итогом проведенного эксперимента был вывод о малом влиянии скорости хода при числах Фруда менее 0,24.
Определение критических значений параметров остойчивости рыболовных судов
Помимо главных факторов, влияющих на аварийность, и степени воздействия погодных условий на число аварий несомненный интерес представляет изучение характеристик остойчивости судов на момент аварии.
Действительно, важно знать соотношение числа аварий с понижением остойчивости из-за неправильной загрузки, нарушением нормативных требований и инструкций, аварий вполне остойчивых судов, вызванных воздействием погодных условий и других объективных факторов, в том числе и заливанием палубы.
В качестве характеристик остойчивости судов на момент аварии приняты следующие величины: }г0,20,30,тгк,ш1х,у,1.
На рис.2.11а-в представлены распределения числа аварий в зависимости от величины начальной метацентрической высоты. Эти распределения имеют интересный характер. Как для рыболовных судов рис.2. Па, так и для грузовых судов рис.2.11б, отмечается четко выраженный максимум числа аварий при значениях метацентрической высоты 0,5 - 0,6 м. Количество аварий как рыболовных, так и грузовых судов при малых значениях метацентрической высоты, менее 0,20 м., весьма мало. Эти распределения приводят к мысли о том, что большинство судов рыболовного флота плавают именно с такой метацентрической высотой, т.е. h = 0.5- 0.6 м, как будет видно из дальнейшего более строгого анализа. Очевидно, что в условиях качки на волнении критическое значение метацентрической высоты достаточно велико, чтобы вызвать интенсивную качку и повышенное заливание палубы, и недостаточно велико, чтобы противостоять отрицательному влиянию на остойчивость воды на палубе судна. В данном случае, когда рассматривается явление опрокидывания судов в условиях заливания палубы забортной водой, значение метацентрической высоты должен быть увеличено поскольку влияние воды на палубе судна особенно сильно проявляется при малых отклонениях от положения равновесия.
Распределение числа аварий в зависимости от величины плеча статической остойчивости судна при крене в 20 показаны на рис.2.12а-в. Изучение этих распределений приводит к выводу, что критическая величина 20, определенная в свое время Я. Рахолой [235] и равная 0.140 м., не обеспечивает гарантии надежной безопасности судна. Действительно, почти 2/3 погибших рыболовных судов рис.2.12а, имели 20 0.15 м. Для грузовых судов рис.2.12б половина погибших от опрокидывания судов имели 20 0.5 м. Очевидно, в известной степени, это результат влияния воды на палубе судов. На рис.2.13а-в представлены распределения числа аварий в зависимости от величины плеча статической остойчивости судна при крене в 30. Эти распределения показывают, что критическая величина 30, определенная Я. Рахолой [243] и равная 0.200 м, не обеспечивает надежной гарантии безопасности. Более половины погибших рыболовных рис.2.13а и грузовых судов рис.2.13б имели 30 - 0.20 м. Однако в данном случае влияние воды на палубе судна выражено значительно слабее, чем при угле крена в 20 , что соответствует физике явления.
Статическое влияние кренящего момента от воды на палубе судна прекращается с входом кромки фальшборта в воду, что происходит обычно при крене 20-26 или более. Данный вывод подтверждает математический и физический эксперименты. С другой стороны по распределениям рис.2.13. видно, что при 30 = 0.30м обеспечивается высокий уровень безопасности судов, так как число аварий при 30 - 0.30 м. весьма невелико. Очевидно, критическое значение 30 должно быть между значениями 0.20 и 0.30м.
Важным показателем остойчивости является величина максимального плеча диаграммы статической остойчивости. Соответствующее распределение числа аварий в зависимости от максимального плеча диаграммы статической остойчивости показаны на рис.2.14а-в. Данные распределения показывают, что птх = 0.25 м., как требуется по правилам Регистра, не обеспечивает надежной гарантии безопасности судов в условиях заливания их палубы забортной водой. Так, для рыболовных судов, рис.2.14а, в 1/4 случаев гибели судов от опрокидывания приходится на суда с птх - 0.25 м, а для грузовых судов, рис.2.14б, в половине случаев. Отсюда следует вывод о том, что критическое значение тах для судов в условиях заливания палубы забортной водой должно быть, очевидно, более 0.25 м. Распределение числа аварий в зависимости от величины угла крена, соответствующего максимуму диаграммы статической остойчивости, показаны на рис.2.15а-в. Для рыболовных судов рис.2.15а характерно распределение с максимумом при =25-30. Величина =30 при этом обеспечивает достаточную гарантию безопасности судов, поскольку число аварий при 0тах - 30 составляет всего 17%. Для судов рис.2.15б распределение имеет более сложный характер с максимумом при 0тах =40 -45. Необходимость увеличения 0тах для грузовых судов вызвана взаимным влиянием заливания палубы и смещения навалочных грузов [1-5,22].
На рис.2.16а-в представлены распределения числа аварий в зависимости от величины угла заката диаграммы статической остойчивости. Как видно на рис.2.16 сама по себе величина угла заката диаграммы очень слабо увязывается с аварийной статистикой. Так для рыболовных судов рис.2.16а, 34% погибших от опрокидывания судов имели угол заката более 60. Для грузовых судов рис.2.16в, соответствующая цифра составила 45%. Этот результат не является неожиданным, он подробно изложен в работах [1-5,22,145 и др.].
На рис.2.17а-в представлены распределения числа аварий в зависимости от угла входа в воду кромки палубы. Наибольшее число аварий рыболовных судов рис.2.17а, приходится на значение 0 от 13 до 16. Подавляющее большинство аварий произошло при 0 - 19. Для грузовых судов рис.2.17б, характерно монотонно - убывающее распределение, причем, 0 - 19 охватываются почти все аварийные случаи. Очевидно, величина 0 -19 может служить гарантией достаточной безопасности малых и средних судов. Критическое значение величины угла входа кромки палубы в воду для рыболовных судов, судя по рис.2.17а, должно лежать в районе 13-16. Распределение на рис.2.17б наглядно показывает, что основная масса грузовых судов, попавших в аварийную статистику, была низкобортными, так как имели 0 - 10.
Математическая модель бортовой качки малотоннажного рыболовного судна при движении на попутном волнении в условиях заливания палубы
Полученные результаты целесообразно сравнить с имеющимися различными требованиями к остойчивости рыболовных судов, разработанными на основе системы критериев Я. Рахолы [243], Международной конвенции по безопасности рыболовных судов МКБРС-77(93), Регистра, а также системы критических параметров остойчивости, полученных обработкой аварийной статистики IMO делегациями ФРГ и Польши [108, 146]. Анализ ПНР 1, исследования В.В. Гарькавого 1 и авторский анализ 1 - относятся к критическим значениям для случая возвращения в порт в полном грузу с 10% запасами. Анализ ПНР 2, исследования В.В. Гарькавого 2 и авторский анализ 2 -относятся к критическим значениям для случая наихудших условий загрузки судов (таблица 2.5).
Материалы, взятые для анализа ФРГ и ПНР, были одинаковыми и основаны на материалах IMO. Исследования В.В. Гарькавого и авторский анализ базировались как на материалах IMO, так и на дополнительных отечественных и зарубежных данных. Из материалов IMO, как уже упоминалось выше, в данной работе, как и в исследованиях В.В. Гарькавого были исключены случаи опрокидывания судов, не связанные с заливанием палубы, а также все случаи, связанные с обледенением судов.
Не ставя перед собой задачи строгого сопоставления жесткости критериев {1-10}, есть смысл выполнить лишь качественное сравнение по величинам соответствующих критических параметров остойчивости. Оказалось, что системы {7} и {9} бесспорно жестче всех остальных систем.
Для выявления влияния воды на палубе судов на их остойчивость, выраженного в сравнительном ужесточении критериев остойчивости, удобно сопоставить системы критериев {5}, {7}, {9} и {6}, {8},{10}.
Как уже указывалось, системы критериев {5}, {7}, {9} и {6}, {8}, {10}, были построены для одинаковых условий загрузки судов. Сравнивая указанные системы, убеждаемся, что {7} {5} (за исключением метацентрической высоты), {7} {9} (за исключением max и е40) и {9} {5} (за исключением метацентрической высоты), а также {8} {10} {6}.
В этом частично отражена отрицательная роль воды на палубе судов. Действительно, при получении критических величин систем {7, 8} и {9, 10} из аварийных данных были исключены все случаи прямо не связанные с заливанием палубы или имеющие специфические особенности (обледенение и др.). Поэтому отрицательная роль воды на палубе рыболовных судов на их остойчивость проявилась в системах критериев {7,8,9,10} более отчетливо, что и привело к ужесточению критериев по сравнению с системами {5} и {6}.
Представляет также несомненный интерес сравнение систем критериев {7,8,9,10} с системой критериев Регистра. Системы {7,9} оказываются жестче системы критериев Регистра. Системы {8} и {10} однотипны по жесткости к системе критериев Регистра.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что для некоторых малых и средних рыболовных судов в условиях сильного заливания палубы потребуется ужесточение норм остойчивости Регистра. В ряде случаев это может быть ужесточение по отдельным критериям. Степень ужесточения будет, очевидно, в каждом конкретном случае зависеть от назначения судна, особенностей конструкций и других данных. Возможно также, если ориентироваться на наихудшие условия по загрузке (системы критериев {8} и {10}), что ужесточение критериев и не потребуется. Однако в этом случае следует убедительно показать, что данное судно не будет часто работать в особых условиях, а именно мелководье, банки, течение, устья рек и т.д. и т.п.
Требования к остойчивости для морских рыболовных судов Критерии h0 , м 20,м 30,м 40,м , м 60 м град град Є40 м рад К 1 Я. Рахола — 0,140 0,200 0,200 — — 35 60 0,080 — 2 ИМО 0,350 — — — 0,200 — 25 — 0,090 1,0 3 Регистр РФ 2017г 0,500 — — — 0,250 — 30 60 0,090 1.0 Регистр РФ (малые морские рыболовные суда) 2005г 0,500 /0,350,45/ 0,35 — — — 0.23/ 0,200,22/ 0,20 0,10 0,05 30 35 60 60 0,090 4 ИМКО, PFV 4/2 (анализ ФРГ) 0,160 0,200 0,200 0,090 5 ИМКО, PFV 4/2 (анализ ПНР,1) 0,650 0,200 0,223 0,255 30 0,083 6 ИМКО, PFV 4 /2 (анализ ПНР,2) 0,620 0,175 0,195 0,218 30 0,070 7 Исследования В.В. Гарькавого 0,630 0,210 0,248 0,207 0,265 30 0,094 8 Исследования В.В. Гарькавого 0,550 0,186 0,213 0,195 0,250 30 0,088 9 Авторский анализ, 1 0.585 0,200 0,230 0,200 0.268 30 60 0,096 10 Авторский анализ, 2 0,555 0,185 0,205 0,180 0,240 30 60 0.094 2.7.5 Анализ плеч остойчивости погибших судов при известных критических значениях параметров остойчивости
Выполним анализ плеч остойчивости погибших рыболовных судов при известных критических значениях параметров остойчивости. Такой анализ может служить как для сравнительной оценки жесткости различных норм остойчивости, так и для оценки соответствия отдельного критерия или системы критериев аварийной статистике. Показателем соответствия данного критерия аварийной статистике может служить сопоставление количества аварий судов с избыточной и недостаточной остойчивостью по данному критерию [22,187].
Результаты анализа плеч остойчивости 47 погибших от опрокидывания судов приведены на рис.2.34. В качестве критических параметров по которым производится сравнение, выбраны значения плеч остойчивости при 20, 30 и 40 градусах. Величина критических параметров принята, как в системе критериев {9} (таблица 2.5), т.е.: I20mn = 0,200 м.; I30mn = 0,230 м.; I40mn = 0,200 м.
Построение диаграмм на рис.2.34 выполнено следующим образом. Справа и слева от вертикалей, проведенных через точки оси абсцисс, соответствующие 20,30 и 40 градусам остойчивости, построены гистограммы плеч статической остойчивости погибших судов. Слева от вертикалей - по данным на момент аварии (таблица 2.6 -правая часть). Данные со звездочкой заимствованы из таблицы 2.2 для однотипных судов. Далее на каждой из вертикалей в масштабе плеч откладываются значения соответствующих критических параметров и проводятся горизонтальные линии, пересекающие гистограммы. Эти горизонтальные линии разделяют суда на суда с недостаточной и избыточной остойчивостью по каждому из рассматриваемых параметров. Из рис.2.34 видно, что отношение числа этих судов составляет для системы критериев {9}: Є20тп . 46,8% и 53,2%; 30тп - 42,5% и 57,5%; 40тп - 36% и 64%. Это можно объяснить тем, что благополучно плавающие суда имеют несколько иной архитектурно-конструктивный тип, который исключает появление на этих судах колодцев, где может скапливаться вода.
Сравнительно низкий процент «выживающих» судов заставляет сделать вывод о том, что для части судов погибших от опрокидывания, остойчивость их с проектной точки зрения была недостаточной.
Исключение судов с явно недостаточной остойчивостью из аварийной статистики приведет к большему соответствию критериев и статистики, но ценой увеличения жесткости критериев. Однако, в этом случае будет ограничена и область применения полученных критериев.
Наконец на рис.2.35 представлено распределение числа аварий по признаку удовлетворения различным требованиям остойчивости (на момент аварии), нумерация различных систем критериев или требований к остойчивости соответствует нумерации, приведенной в таблице 2.2. Из рис.2.35 видно, что 15,5% погибших судов удовлетворяли требованиям Регистра и только 11,11% удовлетворяли требованиям системы критериев – {7} и {9}. Это свидетельствует о несколько большей жесткости системы критериев – {7} и {9}, о чем говорилось в предыдущем пункте. Требованиям МКБРС-77(93) удовлетворяли 7,07% погибших судов. Доля судов с явно недостаточной остойчивостью, когда не были выполнены требования {1–10} (таблица 2.7.4.1) по всем основным показателям составила – 25,25%.
Рис.2.34 Анализ плеч остойчивости рыболовных судов (47 ед.) Из произведенного анализа можно сделать вывод, что полученная система критериев более соответствует аварийной статистике, чем система критериев Регистра и ИМО. Это свидетельствует о том, что реально существуют опасные ситуации, в которых возможно опрокидывание малых и средних рыболовных судов, удовлетворяющих по остойчивости требованиям Регистра и ИMO.
Эксперименты с моделями, стоящими лагом к регулярному и нерегулярному волнению
Рассмотрим характер поведения воды на палубе модели в зависимости от относительной частоты волн. В дорезонансной области до ав/ав = 0,95 модель, захватывая воду одним бортом, тут же сливает ее через другой, настолько велики инерционные силы, действующие на захваченную воду. В области ав/а = 0,95 -г-1,15 при развитой бортовой качке начинает сказываться вертикальная. Модель черпает воду «наветренным» бортом и почти полностью сливает ее с другого борта в момент наибольшего наклонения. В рассмотренных случаях псевдостатический крен отсутствует. В области ав/ав = 1,15 1,47 слив воды с "подветренного" борта существенно уменьшается и постепенно накапливающаяся на палубе вода приводит к появлению псевдокрена. Часть палубы модели периодически начинает входить в воду, что в ряде случаев приводит к опрокидыванию модели навстречу волне (4.14).
В области ae/(TQ = 1,47 -г- 1,7 главную роль играет вертикальная качка. Количество воды на палубе становится почти строго постоянным. Модель колеблется в устойчивом режиме при постоянной величине псевдостатического угла крена.
Дополнительно исследовалось влияние удерживающих растяжек (опыты в свободном дрейфе), фальшборта (опыты без установки фальшборта), высоты надводного борта, характеристик остойчивости, наличия начального крена. Для объяснения механизма опрокидывания моделей судов в условиях заливания палубы были предприняты теоретические исследования (см. главу 3), на основе которых была разработана методика расчета критического возвышения центра тяжести судна, стоящего лагом к крутому регулярному волнению (см. главу 3). Расчеты по этой методике в сравнении с экспериментально найденными величинами показали очень хорошие результаты.
По мере роста показателей остойчивости моделей наблюдалось уменьшение роли вертикальной качки и приближение опасных частот волн к частотам там резонансных волн по бортовой качке.
Влияние нерегулярности волнения на характер поведения судна было исследовано на варианте «А». Двухмерное нерегулярное волнение с заданной наперед формой спектра создавалось пневматическим волнопродуктором, управляемым автоматическим устройством. И на нерегулярном волнении вплоть до интенсивности волнения в 9 баллов (в пересчете на натуру) опрокидывания моделей, остойчивость которых удовлетворяла требованиям Правил Регистра, не наблюдалась. В целом условия заливания палубы моделей на нерегулярном волнении смягчались по сравнению с крутым регулярным волнением, за исключением случаев очень узких спектров волнения, когда на небольших интервалах времени (при групповой структуре волнения) наблюдалось весьма интенсивное заливание палубного колодца и опрокидывание.
Для получения зависимости уровня воды в палубном колодце в зависимости от курсового угла модели, скорости движения модели и характеристик волнения модель (вариант «А» и «А ») устанавливалась и совершала эволюцию в соответствии со схемой, представленной на рис. режима, курсового угла и остойчивости приведены в таблице 4.3. На рис.4.16а-б представлены рабочие моменты во время проведения испытаний.
В результате обработки экспериментальных данных приближенно построены кривые количества воды, задерживающейся на палубе.
В подавляющем большинстве опытов наиболее интенсивное заливание кормовой части модели наблюдалось на длинах волн Х„ = (1,0-1,5)1. Было показано, что интенсивность заливания уменьшается с ростом скорости хода модели и резко увеличивается при дифференте на корму, особенно при отсутствии хода. Попадающая на палубу вода с некоторой начальной скоростью очень быстро распространяется по всей длине палубы.
Испытания также показали следующее, что зависимость уровня воды на палубе от длины и высоты волны, проявляется в основном через их влияние на амплитуду относительных колебаний оконечности, и высота воды на палубе линейно зависит от подъема воды на борту. Поэтому при оценке остойчивости малых рыболовных судов при ходе на попутном волнении в условиях заливания палубы с кормы следует определить наиболее опасный режим движения. Опасная скорость хода должна быть достаточна велика для того, чтобы снижение остойчивости было ощутимым, но все же не столь велико, чтобы уменьшить заливаемость палубы с кормы.
На рис. 4.17 представлена зависимость объема воды на палубе в зависимости от скорости движения судна, где цифрой «1» обозначены результаты, относящиеся к случаю отсутствия «кормовых ворот», а цифрой «2» - к случаю установки «кормовых ворот». Как видно из рис. 4.17 количество воды на палубе примерно одинаково как в случае наличия кормовых ворот, так и в случае их отсутствия на стоянке (V = 0) и при эксплуатационной скорости хода (V = 0,6 м/с). На промежуточных скоростях наличие фальшборта в корме уменьшает количество воды на палубе на 15-17%.
Таким образом, установка фальшборта в корме уменьшает заливаемость модели на скоростях, меньших эксплуатационной скорости, не оказывает влияние на заливаемость модели на стоянке и эксплуатационной скорости.
Анализ испытаний позволяет сделать вывод, что заливание практически мало зависит от особенностей архитектуры и формы корпуса и определяется, главным образом, высотой надводного борта, высотой борта и длиной судна, подверженность заливанию палубы в кормовой оконечности зависит от интенсивности относительных колебаний на характерном 20 теоретическом шпангоуте. В отличие от обычного заливания, когда вода поднимается по борту выше палубы, у судов со слипом вода может оказаться на палубе при амплитуде относительных колебаний, значительно меньшей высоты надводного борта (см. рис. 4.18, 4.19). Отдельно это явление не исследовалось. Для этой цели необходимы дополнительные исследования моделей с различной конфигурацией слипа и кормовой оконечности. На рис.4.20 представлены зависимости среднего уровня воды на палубе модели в диапазоне крутизны волнения (hw/A) от 1/11 до 1/15, чисел Фруда Fr=0…0,15, курсовых углов 5=0…25. Обработка экспериментальных записей показала, что амплитуды бортовой качки модели при ее движении на попутном и косом попутном регулярном волнении достигали 10…13 для попутного волнения и несколько больше или того же порядка для косого попутного волнения. Принципиально важным результатом испытаний модели на косом попутном волнении является подтверждение возможности возникновения параметрического резонанса бортовых колебаний также, как это имеет место при ходе на «чисто» попутном волнении (рис.4.21).
Опыты показали, что с ростом курсового угла усиливается роль бортовой качки, и она занимает промежуточное положение между попутным и лаговым курсом.
Эксперименты наглядно показали, что именно заливание палубы забортной водой и явилось причиной опрокидывания модели судна при ходе на попутном волнении, практически во всех опытах при крутизне волнения более 1/13 наблюдалось опрокидывание модели (рис.4.22).