Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор требований международных морских классификационных обществ в части мореходности. Постановка задачи
1.1. Практика назначения судам ограничений по волнению и району плавания из условий остойчивости и мореходности в разных странах мира
1.2. О подходе к назначению эксплуатационных ограничений по условиям мореходности судов. Постановка задачи
Глава 2. Разработка методики нормативной оценки мореходности транспортных судов при назначенииэксплуатационныхограничений
2.1. Номенклатура критериев мореходности и их нормативные уровни с учетом современного состояния методов их количественной оценки
2.2. Методические положения расчета характеристик мореходности судна
Глава 3. Проведение и анализ расчетной оценки мореходности судов 60
3.1 Расчет частных показателей мореходности 60
3.2. Обобщение данных о долговременных волновых режимных характеристиках, используемых для оценки показателей мореходности
3.3. Краткосрочные показатели мореходности 92
3.4. Долговременные общие показатели мореходности 96
Глава 4. Предложения и апробирование подхода для назначения эксплуатационных ограничений при нормировании мореходности
4.1. Подход к определению дополнительного критерия ограничения по погоде из условий мореходности
4.2. Апробирование схемы определения дополнительного критерия мореходности
Заключение 133
Литература 138
Приложение 144
- О подходе к назначению эксплуатационных ограничений по условиям мореходности судов. Постановка задачи
- Номенклатура критериев мореходности и их нормативные уровни с учетом современного состояния методов их количественной оценки
- Обобщение данных о долговременных волновых режимных характеристиках, используемых для оценки показателей мореходности
- Подход к определению дополнительного критерия ограничения по погоде из условий мореходности
Введение к работе
В современной практике назначения ограничений по району плавания и балльности волнения, отраженной в действующих Правилах классификации и постройки морских судов Российского Морского Регистра Судоходства, приняты общие ограничения, которые могут быть назначены судам, не удовлетворяющим тем или иным требованиям, предъявляемым к судам "неограниченного" района плавания.
По этим ограничениям суда разделяются на пять категорий с указанием двух контрольных характеристик: разрешаемого удаления от берега с определенным расстоянием между местами убежища (в милях) и максимально допустимой высотой волн 3% обеспеченности от 8.5 м для I ограниченного района плавания до 3.5 м для категории III СП смешанного (река-море) плавания. Под "неограниченным" районом плавания подразумевается район плавания, для которого не назначаются ограничения по предельному удалению от места убежища и условиям погоды.
Такая классификация судов по районам плавания отражает отечественный опыт проектирования постройки и эксплуатации судов различных назначений.
При этом требования к остойчивости и прочности судов соответственно снижаются по мере ужесточения налагаемых эксплуатационных ограничений. По требованиям к остойчивости, основным критерием, который зависит от района эксплуатации, является критерий погоды "К", представляющий собой отношение опрокидывающего и кренящего ветрового моментов. В принятой методике снижение уровня требований осуществляется одновременным учетом изменения расчетной амплитуды качки, влияющей на величину опрокидывающего момента, и редукцией величины расчетного давления ветра [32]. С другой стороны снижение расчетной высоты волны позволяет изменить требования, предъявляемые к общей продольной прочности судов при ограничении района плавания.
Именно последний фактор оказался решающим при проектировании большинства судов смешанного река - море плавания, т.к. в силу особенностей конструкции этих судов (низкий надводный борт, большие отношения B/D и B/L,
вытекающие из необходимости обеспечения проходной осадки при эксплуатации на внутренний водных путях, требования по максимальному габариту для прохода под мостами и т.п.) появляются предпосылки к существенным запасам остойчивости и, прежде всего, при обеспечении остойчивости по критерию погоды К. Вместе с тем, те же конструктивные особенности приводят к ухудшению мореходных качеств этих судов на морском волнении (резкая качка, заливае-мость, слеминг, потеря скорости хода на волнении и снижение управляемости и т.п.). На практике снижение мореходных качеств не заметно, пока реальные условия эксплуатации соответствуют условиям проектирования судов с учетом особенностей плавания на внутренних водных путях и ограниченного выхода в прибрежные районы морей.
Для судов ограниченного района плавания НСП снижение мореходности косвенно учитывается введением критерия ускорения К*, который приводит в ряде случаев к наложению дополнительных ограничении на предельную высоту волн 3% обеспеченности (до 4 метров). Эти же требования предъявляются ко
В Jk
всем сухогрузным судам, у которых — > 2.5 или - > 0.08 (В - максималь-
d В
ная ширина судна на ватерлинии; d - средняя осадка; ho - начальная поперечная метацентрическая высота).
Резко усилившаяся в настоящее время тенденция к выходу речных судов в море и расширению районов их эксплуатации (в том числе с переходом к международным рейсам) привела к нарушению сбалансированной системы назначения этим судам ограничений по району плавания и допустимой бальности волнения. Среди основных причин такого нарушения следует назвать формальное использование указанных особенностей этих судов при их переоборудовании, сводящееся к удовлетворению возрастающих требований к прочности корпуса и реализации имеющихся запасов по основным критериям остойчивости (в том числе по критерию погоды К). При этом специальные вопросы мореходности остаются за рамками рассмотрения, поскольку в существующей практике нормирования отсутствуют соответствующие критерии.
Так, для судов ограниченных районов плавания ІІІСП и ИСП действующие критерии остойчивости практически одинаковые. Отличие только в использовании критерия К*, который к судам ІІІСП не применяется, а также в использовании для этого класса судов других значений амплитуды качки в расчете
критерия К. Изменение допустимой величины высоты волн 3% обеспеченности с 3.5 до б метров может, однако, существенно сказаться на характеристиках мореходности. При дальнейшем расширении района плавания до II и I районов (в случае установки дополнительных подкреплений и наличия соответствующих запасов для I района по остойчивости) допустимая высота возрастает до 8.5 метров при практически полном отсутствии возможности контроля обеспечения надлежайшей мореходности. Критерий ускорения К* может в этом случае быть использован только для весьма ориентировочной оценки, в том числе и потому, что вопрос его применения к судам, имеющим иные, чем для ПСП ограничения по району плавания, остается открытым до настоящего времени.
Практика показывает, что мореходность действующих судов, спроектированных для внутренних водных путей, может оказаться недостаточной с расширением района их эксплуатации в морских условиях [50].
Проблемы возникают в настоящее время и с вновь строящимися судами, которые при удовлетворении всем действующим критериям для судов первого ограниченного района плавания, показывают низкие мореходные характеристики.
С другой стороны, переход к эксплуатации судов типа «река-море» на международных линиях приводит к необходимости выполнения требований Международной конвенции о грузовой марке 1966 года (например, к прочности и характеристикам закрытий) как для судов неограниченного района плавания. Несмотря на то, что необходимость подкрепления закрытий и увеличение высот комингсов отверстий по мере расширения районов плавания представляется достаточно обоснованной, также очевидно, что некоторые из положений Конвенции, применяемые к судам неограниченного района плавания, являются слишком жесткими по отношению к судам, имеющим ограничения по погоде и району эксплуатации. Требуемое подкрепление может быть более рационально определено на основании количественной оценки характеристик заливаемости палубы, которые, в свою очередь, входят в число параметров, характеризующих мореходность судна.
Действующий подход к назначению эксплуатационных ограничений не охватывает, таким образом, существенных особенностей мореходности судов, что может приводить в ряде случаев и к необоснованному завышению параметров волнения, при которых допускается эксплуатация судна. С нашей точки
зрения, это происходит в результате того, что при существующей практике нормирования мореходности имеется "белое пятно", особенно заметное в последнее время в связи с изменившейся экономической ситуацией, приведшей к необходимости эксплуатации судов смешанного плавания на международных линиях с большим удалением от берега.
В настоящей работе ставится цель расширения нормативной базы для обоснованного назначения эксплуатационных ограничений по погоде и району плавания судов при совершенствовании Правил Российского Морского Регистра Судоходства на основе общего подхода к нормированию мореходности, согласующегося с методикой разработки новой Международной конвенции о грузовой марке 2000.
Предлагаемый подход к определению дополнительного общего критерия мореходности для оценки эксплуатационных ограничений судов по погоде по условиям мореходности может быть использован на практике для совершенствования нормативных требований Регистра.
О подходе к назначению эксплуатационных ограничений по условиям мореходности судов. Постановка задачи
В проблеме нормирования мореходности судов на первом месте, естественно, стоит задача рационального обеспечения неопрокидывания судна под воздействием ветра и морского волнения. Требования, базирующиеся на решении этой задачи, составляют основное содержание действующих норм остойчивости судов в различных странах и международных документах ИМО. Идеи и расчетные методы, лежащие в основе критериев Правил Российского Морского Регистра Судоходства изложены в трудах [1] - [10].
Нормирование для целей назначения эксплуатационных ограничений по погоде сегодня в этой части смыкается с задачей совершенствования требований Части IV "Остойчивость" Правил PC [11] в направлении гармонизации с Международным Кодексом ИМО [12] и подготовки предложений по его дополнению [14].
Характерно, что в Кодексе ИМО большое внимание уделяется рекомендациям эксплуатационного характера. Имеется ввиду не только Информация об остойчивости для капитана, но и конкретные рекомендации при неблагоприятных погодных условиях с некоторыми впервые введенными числовыми показателями эксплуатационной мореходности (частота тяжелого слеминга, частота оголения гребного винта и др.). Кодекс, однако, не предусматривает эксплуатационных ограничений по районам и сезонам плавания судов, связанных с погодными условиями.
Предложенная в данной работе методология современного подхода к ограничениям по мореходности в принципе такая же, как и в подходе к ревизии Международной конвенции о грузовой марке LL - 1966 года и подготовке новой Конвенции LL - 2000, базирующихся на концепции перехода от статистических таблиц и эмпирических зависимостей к прямым расчетам характеристик мореходности с более полным учетом данных конкретного судна [15]. Такой подход отражает повышение доверия к достижениям в области развития методов гидродинамического анализа и техники численного моделирования движения судна в условиях регулярного и нерегулярного волнения. Многочисленные результаты показывают, что бортовая качка большой амплитуды с учетом всех степеней свободы может приводить к опрокидыванию судна при движении на различных курсовых углах к волнам, в то время как ни "лаговый", ни "попутный" "критерии погоды" часто не в состоянии выявить эти опасные ситуации. Для судов типа «река-море» опасность интенсивной качки в связи с подвижкой груза (как основной технической причиной многих аварий) на развитом волнении может оказаться более вероятной, так как большие амплитуды бортовой качки могут сочетаться с большими по амплитуде вертикальными и горизонтальными ускорениями от остальных видов колебаний. Важную роль играет также количественная оценка потери скорости хода и опасного уровня заливаемости палубы, бортового и днищевого слеминга, оголения гребного винта, снижения управляемости.
Поскольку безопасность судна на развитом волнении существенно зависит от управления скоростью и курсом судна, на первый план выступает учет роли "человеческого фактора" в критических ситуациях в отношении сохранения достаточной мореходности. Решение этой задачи связано с развитием новой технологии обеспечения эксплуатационной мореходности судна на базе бортовых компьютерных систем, которые становятся вместе с традиционной Информацией об остойчивости судна основным оперативным средством для капитана [16]. Применение таких систем рекомендуется в документах ИМО [12].
Сегодня складывается общий подход к Информации по выбору безопасных режимов штормового плавания, основывающийся на следующих положениях: - разработка ведется на базе количественных критериев эксплуатационной мореходности; - результаты представляются в виде оперативных штормовых диаграмм, простых и удобных для использования на борту судна. Диаграммы должны иметь полярную форму в координатах скорость - курс с индикацией критических зон по основным опасным проявлениям воздействия ветра и волн различных интенсивностей и направления по отношению к курсу судна; - предпочтительны не универсальные диаграммы (типа известных резонансных диаграмм качки), а учитывающие индивидуальные особенности судна, его нагрузку и ветро-волновые условия рейса [19].
При участии автора в ЦНИИМФ разработан новый вид Дополнения к информации об остойчивости для капитана по выбору безопасных режимов штормового плавания судна, предусматривающий ограничения по погоде и дополнительные конкретные рекомендации по безопасным скоростям и курсам в зависимости от загрузки и ветро-волновых условий в форме оперативных полярных диаграмм. Методики расчета диаграмм изложены в работах [18], [19], [20], [21]. В работе [21] также выполнен анализ условий и опыта применения на судах ограничений по погоде в части требований Правил Регистра для нормирования верхнего предела остойчивости по критерию ускорения К с учетом аварийной статистики для 16 судов. С другой стороны, накоплен некоторый опыт применения на 39 плавающих судах Дополнений к информации об остойчивости и бортовых программных комплексов по выбору безопасных режимов штормового плавания [14].
С учетом вышеизложенного в настоящей диссертационной работе ставится задача разработки и исследования теоретических основ для назначения эксплуатационных ограничений при нормировании мореходности морских судов. При этом разрабатывается методика нормативной оценки мореходности и проводится ее расчетная апробация на основе данных по существующим транспортным судам (морским и смешанного плавания).
Разработка методики назначения ограничений по районам и сезонам плавания на базе такого общего подхода к нормированию мореходности охватывает детерминированные и вероятностные характеристики, оценку общего уровня безопасности, проверку чувствительности критериев к изменению формы обводов и загрузки для судов традиционных и новых типов, развитие новых критериев для более полного отражения опасных ситуаций и создание новых средств эксплуатационного обеспечения мореходности с помощью бортовых компьютерных систем.
Номенклатура критериев мореходности и их нормативные уровни с учетом современного состояния методов их количественной оценки
При плавании на попутном волнении ((3 = 0) и на волнении с кормовых курсовых углов в секторе ±45 судно может подвергаться ряду специфических опасных явлений, степень воздействия которых зависит от размеров судна, обводов его корпуса, от фактических параметров загрузки, посадки, остойчивости и скорости хода.
Основной набор взаимосвязанных характерных опасных ситуаций следующий: 1. «Чистая» потеря поперечной остойчивости при нахождении судна на вершинах высоких попутных волн, длин которых близка к длине судна. 2. Бортовая качка в режимах основного и параметрического резонансов в сочетании с заливанием и задержкой воды на палубе (для малых судов). 3. «Захват» судна попутной волной с возможными последующими опасным разворотом лагом и накренением (брочинг). 4. Ухудшение управляемости на малых скоростях хода. Второе и четвертое обстоятельства учитываются в обязательном порядке при расчете безопасных курсов и скоростей судна для всех курсовых углов. Третья ситуация, наиболее опасная для малых судов, оценивается по апробированной в Правилах Регистра приближенной зависимостью для критических условий [38]: Эта оценка вполне соответствует предложениям, рассматриваемым в ИМО [20]. Оценка влияния первой из упомянутых опасных ситуаций базируется на следующем квазистатическом подходе. При прохождении волны вдоль судна меняется конфигурация и объем погруженной части корпуса. Соответственно, меняется и восстанавливающий момент. Плечо статического восстанавливающего момента будет наименьшим, когда гребень волны находится в районе миделя судна. Этим объясняется периодическое снижение остойчивости судна на волнении, которое при определенных соотношениях параметров волнения, характеристик корпуса и загрузки может оказаться весьма значительным. Описанная ситуация тем опаснее, чем дольше промежуток времени, соответствующий понижению плеча статической остойчивости ниже некоторого критического уровня. Расчет зон опасного снижения остойчивости выполняется в соответствии с методикой, изложенной в работе [29] и РД 31.00.57.2-91 [11]. Остойчивость судна считается недостаточной, если при скорости V за кажущийся период расчетной попутной волны тк время t(-), в течение которого плечо статической остойчивости в диапазоне углов крена от 10 до 40 падает ниже нормированного критического значения, превышает четверть собственного периода бортовой качки т0: где Кт- безразмерный коэффициент, показывающий, какую часть времени кажущегося периода волн судно имеет плечо поперечной остойчивости ниже критического. Величина те рассчитывается по формуле ИМО [20]: Здесь h - расчетная метацентрическая высота, которая при S-образной диаграмме статической остойчивости на тихой воде равна (l[(r -1 )-57.3, где 1д„и 1 - плечи диаграммы Рида при углах крена 9 и 10 соответственно. При не S образной диаграмме h равна начальной метацентрической высоте ho [11]. Нормируемое критическое плечо остойчивости в зависимости от типа судна и конкретного случая его загрузки выбирается наибольшим из значений : 0.1 м; 0.6 lw; 1Ц, где lw- плечо кренящего момента от давления бокового ветра; 1ц- плечо кренящего момента на установившейся циркуляции. Для определения коэффициента Кт рассчитываются плечи «мгновенных» диаграмм остойчивости, полученных при статической постановке судна на попутную волну для различных положений ее вершины по длине судна. Высота расчетной волны равна врасч Расчет таких диаграмм производится методом В.Г.Власова-С.Н.Благовещенского [5] в диапазоне углов крена от 10 до 40 с учетом влияния свободного дифферента и изменения посадки в предположении о гидростатическом распределении давления в волне. За исходную принимается посадка судна на тихой воде без крена с фактическими осадкой и дифферентом. По «мгновенным» диаграммам для каждого из заданных углов крена определяется интервал времени, в течение которого плечо остойчивости меньше критического. Среднее значение указанного интервала времени, деленное на тк, равно коэффициенту Кт. Окончательно скорость судна, опасная с точки зрения потери «чистой» остойчивости на попутном волнении, характеризуется зависимостью: Условия (2.92), (2.94) реализуются в виде зон на полярных диаграммах в секторе курсовых углов ± 45 от чисто попутного волнения для скоростей V Vkp по условию потери управляемости. XV Допускаемая скорость судна по условию управляемости При штормовом плавании ветер, волны и качка приводят к ухудшению управляемости судна. Внешние силы и момент стремятся развернуть судно, вызвать рыскание на курсе, инициируют ветровой и волновой дрейф. При этом влияние волнения и качки проявляется наиболее существенно на попутных курсовых углах при условиях движения, соответствующих явлению брочинга. В остальных случаях преобладающее влияние оказывает воздействие ветра. Поскольку ограничения по брочингу рассматриваются отдельно (см. п. 2.11), то основным условием для определения допускаемой скорости V без потери судном управления на всех других режимах штормового плавания считается возможность прямолинейного движения под действием ветра со скоростью V при максимально допустимом угле перекладки руля с учетом компенсации рыскания судна. Расчет выполняется по стандартной методике, изложенной, например, в справочнике [48]. В качестве основных исходных параметров в расчет входят: площадь парусности по действующую ватерлинию, приведенная площадь погруженной части диаметральной плоскости, эффективная площадь рулей ( с учетом коэффициента нагрузки винта) и допустимый угол перекладки руля5Яд, причем 5Rfl =5Rmax - 5Rp (8R -угол компенсации рыскания на тихой воде и волнении).
Обобщение данных о долговременных волновых режимных характеристиках, используемых для оценки показателей мореходности
Показатель Qs используется для нормирования заливаемости контейнеровозов открытого типа при назначении грузовой марки.
Сводный график всех основных относительных показателей заливаемости на Рис.3.8 дает общее представление о характере и количественных соотношениях их зависимостей от интенсивности погружения по сравнению с эффективной высотой надводного борта.
Все показатели нелинейно связаны с интенсивностью и периодом погружения палубы в воду. С ростом вероятности заливания растут и все остальные показатели, причем их относительные величины имеют определенные пределы при интенсивной качке. Полученные нами предельные оценки существенны для анализа мореходности судов ограниченного плавания, имеющих малый надводный борт. Так, при отсутствии запаса надводного борта средняя высота воды на палубе при ее равномерном заливании не может быть больше величины hs = 0.8a , что дает возможность достаточно просто оценить, например, максимальную статическую нагрузку на люковые крышки. По максимальной величине параметра S можно оценить наибольший возможный средний объемный расход воды Qs, влившейся в открытый трюм или палубный колодец. Величина Qs наиболее просто контролируется на мореходных модельных испытаниях и используется при проектных проработках различных конструктивных мер защиты от заливания [69].
Примеры результатов выполненных автором расчетов для теплохода «Борис Полевой» приведены на Рис.3.9+3.12. На графиках Рис.3.9 и Рис.3.10 представлена зависимость числа заливания в час ns от курсового угла при различной интенсивности волнения для двух значений метацентрической высоты (п0=10.5м и п0=12.5м). Рассматривается заливание в районе грузового трюма. По этим графикам видно, что, благодаря высокому надводному борту, даже в условиях сильного шторма на неблагоприятных курсах частота заливания мала, тем не менее, если заливание происходит, средняя величина часового объема воды, влившейся в трюм относительно небольших размеров (1т=124.7м, Ьт=24.5м), может быть достаточно велика. Об этом дают представление графики, изображенные на Рис.3.11,3.12.
Безопасный уровень частотных краткосрочных критериев мореходности достаточно полно отражен в Табл.3.7. Данные Табл.3.7 могут служить дополнительным подтверждением обоснованности норм, назначенных при разработке настоящей методики [40]. Следует обратить внимание на критерий заливания Ps =0.05 (5%), согласованный в ИМО для нормирования высоты надводного борта [71]. Эта нормативная величина определяется для поперечного сечения 0.1 L от НП для судна в полном грузу на встречном волнении. Она хорошо согласуется с принятой в настоящей методике рекомендацией Аэртссена (ng=7 за 100 периодов килевой качки). Действительно, по формулам (2.95), (2.97) при t lOOT и Ps =0.05 величина ns =5х 1хг =6 + 7, поскольку обычно т =1.2-Ї-1.3Т2. Таким образом, используемый в предлагаемой в данной работе методике критерий вполне согласуется с принятым в последнее время в ИМО подходом к оценке заливания палубы при разработке ISLL-2000.
В комплексе критериев мореходности для судов ограниченных районов плавания по условиям погоды одним из основных выступает критерий ускорений. Критерии для характерных расчетных амплитуд вертикальных ускорений в общем подтверждают принятую Регистром норму О.Зд, либо норму 0.25д для величины ускорения, рассчитываемого по формуле, согласованной с ИМО [56] (подробнее этот вопрос рассмотрен в работе [44]).
Хорошо известно, что повышенные ускорения при качке создают опасность смещения грузов, снижают работоспособность команды и вызывают «морскую болезнь» у пассажиров, ограничивают возможности использования судовой техники. Первый (и основной) фактор для транспортных судов вполне учитывается при обеспечении безопасной технологии морских грузовых операций и перевозок. Он учтен в соответствующих национальных и международных Правилах [22], [37]. Прежде всего, это нормативы по контролю остойчивости судов при перевозке зерновых и других видов навалочных грузов, предусматривающие оценку условий безопасной перевозки сыпучего груза с косвенным учетом инерционных сил при качке. Далее, при нормировании эффективности устройств для крепления генеральных грузов применяются расчетные методы, основанные на прямом определении внешних сил по нормативному ускорению. Например, по Циркуляру ИМО (КБМ № 664) проверка упрощенным методом выполняется для поперечных ускорений (1.0д), либо при полном расчете по указанным в Табл.3.8 нормативам для судов неограниченного района плавания [37].
Следует отметить, что при расчете креплений учитываются как дополнительно силы от ветрового давления и «всплеска» волны (1кН/м2), которые могут воздействовать на палубный груз, так и возможность повышения нормативных величин ускорений, если амплитуда бортовой качки превышает 30, или судно испытывает удары о встречную волну. Рекомендуется при этом предусмотреть возможность снижения скорости хода или изменения курса.
Сопоставляя данные по ускорениям в таблицах 3.7и 3.8, можно видеть, что нормативы в расчетах крепления груза значительно жестче. Обеспечение несмещаем ости груза под воздействием ускорений при качке имеет, таким образом, достаточно развитую нормативную базу. При этом имеющиеся предложения по эксплуатационным ограничениям основаны на корректировке расчетных амплитуд качки согласно методике требований к остойчивости по критерию погоды [35].
Использование более жестких отдельных нормативов мореходности по ускорениям отражает эксплуатационные запасы на «человеческий фактор», то есть на несоблюдение требований правил технологии перевозок.
Практика нормирования ускорений как критерия мореходности связана также с условиями укачиваемости человека. К сожалению, даже многие профессиональные моряки тяжело переносят качку. Порог чувствительности человека к вертикальным ускорениям находится на уровне 0.15д, который можно считать условием сохранения 100% работоспособности. Уровень полной потери работоспособности - примерно 0.45д [21]. Базой может служить международный стандарт ISO 2691/3-1985(E) и Британский стандарт BS6841:1987. Согласно ISO, порогом ухудшения работоспособности человека считаются вертикальные ускорения, равные 1.75 м/с2 = 0.18д. Как видно из Табл.3.7, принимаемые нормативы по мореходности на уровне О.Зд соответствуют середине диапазона снижения работоспособности человека (0.15g+0.45g).
Отметим, наконец, рекомендации по непосредственному ограничению амплитуд бортовой качки при нормировании эксплуатационной мореходности. Например, имеются рекомендации, указанные в Табл.3.7 (строки 15+19), по ограничению значительных амплитуд на уровне 8-И0 град. Для наиболее тяжелых условий выживаемости корабля указывается норма 0О = 30 (принято в ВМФ США).
Подход к определению дополнительного критерия ограничения по погоде из условий мореходности
Отметим, что использование аналитических режимных функций вместо таблиц позволяет существенно сократить объем требуемой исходной информации, обеспечивает сглаженные результаты и, главное, дает возможность дальнейшего аналитического анализа показателей мореходности с использованием эмпирических коэффициентов.
Для расчета долговременных характеристик мореходности требуется также знать условную вероятность распределения различных генеральных направлений ветра и волнения относительно курса судна при определенной интенсивности {h3%i тві j. Поскольку в различных районах океанов и морей ветер и волнение имеют различные преобладающие направления, а определенная статистика по соответствующей условной повторяемости весьма ограничена [9], [59], для целей нормирования мореходно-прочностных характеристик судов используется либо направление для наиболее жестких условий (например, встречное или лаговое волнение), либо все направления считаются равновероятными. Последнее принято автором также в настоящей работе. Специальный анализ свидетельствует о том, что возможная изменчивость курсовых углов встречи волн слабо влияет на результат определения суммарных показателей мореходно-прочностных характеристик [7], [23]. Для рассматриваемой задачи возможность учета неравновероятности курсовых углов встречи волн отнесена к аспектам дальнейшей детализации методики.
В соответствии с предложенной автором в данной работе методикой, отраженной на схеме Рис.1.2, как итоговый общий результат анализа вероятностных краткосрочных показателей и их нормирования определяются условия безопасности штормового плавания судна для стационарных ветро-волновых режимов [43]. Режимы штормового плавания представляются в виде полярных диаграмм в координатах скорость (V) - курс судна (р) с индикацией благоприятных (безопасных) и неблагоприятных (опасных) зон. Диаграммы строятся для каждого из краткосрочных критериев мореходности с учетом естественной потери скорости судна. Окончательно формируется общая диаграмма безопасного штормового плавания как суммарный эффект наложения всех опасных и безопасных зон. Примеры диаграмм приведены в [40], [43], [53], [68]. Стационарный режим нерегулярного волнения при принятом его энергетическом спектре характеризуется двумя параметрами: высотой пз% (h-i/з) и периодом тДт,), а при использовании соотношения (3.2) - одним из них. Общий показатель возможности выбора безопасных режимов штормового плавания судна W определяется как отношение площади Qs всех безопасных зон к общей площади Q0 диаграммы для скорости судна на тихой воде (Q0 = 7tV в ) При этом показатель W может быть представлен как произведение двух показателей Ws и Wv, отдельно характеризующих: Ws - условия выбора безопасных режимов в области Qv, возможной по ходовым качествам судна и ограниченной наибольшей достижимой скоростью хода на волнении без перегрузки двигателя и Wv - естественную потерю скорости судна при ветре и волнении: где Qv- площадь диаграммы, охватывающая естественную потерю скорости судном. Очевидно, что W, Ws, Wv є[0, 1] , т.е. эти показатели могут иметь значения от 0до1. Как общие краткосрочные показатели мореходности конкретного судна величины W определяются для каждого варианта нагрузки в зависимости от параметра стационарного режима ветра и волнения заданных интенсивности и направления. При этом в расчетной схеме принято, что генеральные направления распространения развитого ветрового волнения и истинного ветра совпадают. В общем случае при использовании двухпараметрического волнового спектра ITTC для расчета краткосрочных критериев мореходности показатели W также зависят от двух параметров волнения: высоты h3% (hi/3) и периода тв(т1), так что для определения долгосрочных показателей в соответствии с данными по режимным функциям волнения необходимо рассчитать матрицу {Wjj} при всех возможных значениях {h3o/oi,TBJ}. При использовании для упрощенного анализа осредненного соотношения между тви h3% (формула (3.2)) достаточно иметь зависимость W от одного параметра h3% (hi/3). Для примера на Рис.3.15 приведен типичный график зависимости показателей W и Wv для условий развитого ветрового волнения различной интенсивности. График построен автором для т/х типа «Лусь» (L= 140м) при двух характерных вариантах загрузки (ho=0.27M и ГІ0=2.68М) И посадки (с дифферентом 0.17dcp и без дифферента). Судно имеет неограниченную по погоде и району категорию плавания по номенклатуре РМРС. Характерно, что показатель Ws существенно зависит от условий загрузки, тогда как для Wv эта зависимость проявляется при большом изменении посадки (от полной загрузки до состояния в балласте). Надо иметь в виду, что Wv -это показатель, характеризующий не обычную потерю скорости судна, а интегральную, осредненную для различных направлений волнения и ветра.
Необходимо обратить внимание на то, что расчет диаграмм штормового плавания (а, следовательно, и показателей W) выполняется на базе анализа качки судна как линейной динамической системы (с использованием статистической линеаризации). Частные критерии мореходности по основным опасным явлениям определяются, как обычно, с помощью нелинейных преобразований кинематических параметров судна по теории выбросов случайных процессов. Теоретически линейная теория качки должна ограничивать возможности оценки поведения судна на волнении большой интенсивности. Подобные ограничения связаны с бортовой качкой, рысканием, поведением судна на попутном волнении и другими характеристиками, наиболее подверженными влиянию нелинейных эффектов. Влияют на корректность оценки, конечно, также геометрические характеристики судна и его загрузка. Способы прямой оценки такого рода ограничений, насколько известно, не предлагались. Исследования, выполненные в связи с разработкой расчетного метода нормирования надводного борта судов при подготовке новой Конвенции ICLL-2000 продемонстрировали возможность использования линейной модели для оценок критериев мореходности по заливанию судов всех типов в диапазоне интенсивностей волнения по крайней мере до h-i/з = 9.0 м [62]. Отметим, что этим диапазоном высот волн ограничивается, по-существу, и область надежных сведений о частотном распределении волновых режимов по данным о долговременной волновой статистике [23].
Выполненный автором расчетный анализ показателя W привел к заключению, что сравнительная оценка мореходности по суммарному эффекту может быть выполнена, как правило, на базе линейной модели по крайней мере для диапазона интенсивностей волнения, перекрывающего принятые в Правилах МРС условия ограничения по погоде, т.е. для волнения с высотой п3% более 8.5 м. Если для оценок долговременных показателей мореходности судов неограниченного плавания требуется охватить условия волнения больших интенсивностей в области h3% «10 -ь 11 м, используется экстраполяция зависимости \Л/(пз%).
