автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.03, диссертация на тему:Определение расчетных волновых нагрузок при проектировании конструкций корпуса судна

На правах рукописи

Доан Ким Тхай

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ ВОЛНОВЫХ НАГРУЗОК ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ КОНСТРУКЦИЙ КОРПУСА СУДНА

Специальность 05 08 03 - Проектирование и конструкция судов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ои

Санкт - Петербург - 2007

003070765

Работа выполнена на кафедре Конструкции судов Санкт-Петербургского государственного морского технического университета

Научный руководитель

Кандидат технических наук, доцент Тряскин Владимир Николаевич

Официальные оппоненты

Доктор технических наук, профессор Бойцов Геннадий Владимирович Кандидат технических наук, доцент Фрумен Александр Исаакович

Ведущая организация ФГУ Российский морской регистр судоходства

Защита состоится « 29 » мая 2007 г в 14-00 на заседании диссертационного совета Д 212 228 01 при Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете по адресу 190008, Санкт-Петербург, ул Лоцманская, д 3, актовый зал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного морского технического университета

Автореферат разослан « » апреля 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета д т н , профессор

А И Гайкович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современные тенденции развития мирового транспортного судостроения характеризуются интенсивностью и специализацией использования судов, многообразием архитектурно-конструктивных типов судов и, как следствие, разнообразием возможных конструктивных решений Повышаются требования к эффективности принимаемых конструктивных решений, которые связаны с необходимостью детального технического и экономического анализа вариаций принимаемых проектных решений, с борьбой за снижение аварийности судов, с необходимостью создания конкурентоспособной продукции и тд Отмеченные факторы с одной стороны, уменьшают возможность прямой экстраполяции опыта эксплуатации на вновь строящиеся суда С другой стороны приводят к необходимости более глубокого изучения физики явлений, возникающих при эксплуатации судов, то есть требуют широкого внедрения расчетных методов в практику проектирования и проверки прочности судовых конструкций

Разработка таких методов необходима как для дальнейшего совершенствования и осмысления требований правил классификационных обществ, так и для прямого использования при проектировании и проверке прочности корпусов судов новых типов, конструкции которых не охвачены действующими правилами, а также для исследовательского проектирования, которое широко развивается в настоящее время Большое место при этом занимает решение задач, связанных с определением расчетных внешних нагрузок, действующих на корпус в условиях реального нерегулярного волнения

Степень разработанности ряда вопросов, касающихся методов оценки нагрузок, обусловленных воздействием волнения на корпус, до настоящего времени еще недостаточна для исчерпывающего решения проблемы внешних усилий

Поэтому работа, посвященная рассмотрению вопросов, связанных с решением этой проблемы на современном уровне в рамках Системы автоматизированного параметрического проектирования (САППР) с учетом фактических особенностей архитектурно-конструктивного типа судна, а также реальных условий его эксплуатации, несомненно, является актуальной и представляет научный и практический интерес

Объект исследования - конструкции корпуса транспортных судов Предмет исследования - математические модели расчета волновых нагрузок, действующих на корпус транспортных судов разных архитектурно-конструктивных типов в процессе эксплуатации, и вопросы приложения этих моделей к расчету линейных волновых нагрузок, действующих на корпус, и нелинейных нагрузок при днищевом, бортовом слеминге и накате волны на палубу, а также к оценке реакций корпуса на эти воздействия

Цель и задачи исследования. Целью работы является совершенствование методики прогнозирования величин расчетных волновых нагрузок на нерегулярном волнении с учетом явлений днищевого, бортового слеминга и заливания палубы для использования в рамках САППР при исследовательском проектировании, выполнении проверочных расчетов, при определении

безопасных условий плавания по различным параметрам с помощью борто вого компьютера

Для достижения поставленной цели требуется рассмотреть совокуп ность вопросов, которые могут быть сформулированы, как задачи исследо вания

1) Выявление требований по определению волновых нагрузок, опреде ляющих общую прочность судовых конструкций, в нормативных документа различных классификационных учреждений Оценка этих требований для ряда транспортных судов различных типов и сравнительный анализ результатов,

2) Развитие математической модели для учета влияния наката волны на верхнюю открытую палубу на величину волнового воздействия на нерегулярном волнении,

3) Обоснование метода прямого расчета (direct calculation), модернизация и тестирование алгоритмов и программного обеспечения для прогнозирования линейных и нелинейных волновых нагрузок (при слеминге и заливании палубы) на нерегулярном волнении при едином подходе на основе корреляционного варианта спектральной теории волнения,

4) Расчет стандартов, краткосрочных и долговременных распределений линейных волновых, нелинейных динамических и суммарных с учетом фазы действия изгибающих моментов в сечениях по длине корпуса, а также ряда других процессов для судов разных типов Оценка величин искомых процессов с заданной вероятностью превышения (обеспеченностью) Анализ зависимостей рассмотренных процессов от параметров волнения, характера движения судов и индивидуальных особенностей корпусов судов Оценка влияния упругости корпуса, слеминга в корме корпуса, заливания палубы,

5) Сопоставительный анализ результатов расчета, полученных с использованием программного комплекса и по требованиям нормативных документов

Методы исследования. Для решения задач, поставленных в работе, потребовалось привлечение следующих методов исследования

Линейной гидродинамической теории качки - как аппарата для оценки кинематических параметров корпуса и волновых нагрузок в линейной постановке в предположении прямостенности корпуса в районе действующей ватерлинии и неограниченности осадки и высоты борта,

Комбинации метода Вагнера и энергетического метода на основе уравнения Лагранжа для решения задачи определения дополнительной нелинейной внешней нагрузки при бортовом и днищевом слеминге,

Метода Бубнова-Галеркина для решения задачи определения реакций корпуса при воздействии нагрузок в условиях наличия слеминга и заливания палубы в виде разложения общего перемещения в ряд по формам колебаний с сохранением двух форм перемещений корпуса как твердого тела и одной формы упругих колебаний,

Метода наименьших квадратов для задачи линеаризации при переходе к расчету нелинейных нагрузок с учетом нерегулярности волнения,

Спектральной теории линейных преобразований случайных процессов для расчета статистических характеристик волновых и динамических нагрузок на нерегулярном волнении,

Полновероятностной схемы для определения долговременных распределений нагрузок

Программное обеспечение решения поставленных задач реализовано с использованием аппарата объектно-ориентированного программирования в среде Borland Delphi, Digital Fortran и средств Microsoft Office и функционирует под управлением операционной Системы Windows/XP

Научная новизна работы состоит в следующем

1) Выполнен сопоставительный анализ современных требований по определению волновых нагрузок, определяющих общую прочность судовых конструкций, в нормативных документах классификационных учреждений и получены численные оценки этих требований для ряда судов различных типов и размеров,

2) Развита математическая модель, обоснован метод прямого расчета, выполнена модернизация и тестирование общего программного обеспечения для прогнозирования линейных и нелинейных волновых нагрузок (при слеминге и заливании палубы) на нерегулярном волнении при едином подходе на основе корреляционного варианта спектральной теории волнения Метод и программное обеспечение позволяют производить на стадии проектирования конструкций многовариантный анализ величин волновых нагрузок и других реакций корпуса на нерегулярном волнении,

3) Выполнены расчеты краткосрочных и долговременных распределений линейных волновых, нелинейных динамических и суммарных с учетом фазы действия изгибающих моментов в сечениях по длине корпуса для судов разных архитектурно-конструктивных типов Получены расчетом величины указанных процессов с заданной обеспеченностью, которые сопоставлены с требованиями нормативных документов

4) Дан анализ учета кормового слеминга и наката волны на верхнюю палубу на величину динамического и суммарного изгибающего момента в сечениях корпуса Также дана оценка влияния упругости корпуса и коэффициента корреляции динамического и волнового моментов

Практическая ценность работы определяется созданием алгоритмического и прикладного программного обеспечения, реализующего предложенный в диссертации метод прямого расчета и позволяющего производить в процессе проектирования корпуса судна численный эксперимент по оценке величин волновых изгибающих моментов в сечениях корпуса с учетом слеминга в носу и в корме судна и заливания палубы, а также других реакций корпуса, при вариации индивидуальных архитектурно-конструктивных параметров корпусов судов, вариантов распределения весовой нагрузки судна, условий плавания

На защиту выносятся следующие основные результаты работы

Метод прямого расчетного прогнозирования линейных волновых нагрузок, а также нагрузок при слеминге и заливании палубы на нерегулярном

волнении, базирующийся на математической модели, содержащей последо вательное рассмотрение линейной гидродинамической задачи качки судна и задачи оценки линейных волновых нагрузок, нелинейной задачи оценки ди намических погонных нагрузок при слеминге, нелинейной задачи оценки нагрузки при накате волны на палубу, задачи определения реакций корпуса судна на волновое воздействие Математическая модель обеспечивает единый подход к определению линейных и нелинейных по высоте волны нагрузок и реакций корпуса на нерегулярном волнении

Алгоритмы и прикладное программное обеспечение численной реализации предложенного метода для его использования в процессе проектирования корпуса транспортных судов, в частности, на базе САППР

Результаты численного моделирования и сопоставления с нормативными документами величин волновых нагрузок, представляющие собой основные закономерности зависимостей волновых, динамических и суммарных изгибающих моментов в сечениях корпуса судов различных архитектурно-конструктивных типов при вариации характеристик системы волнение-судно Апробация работы. Основные положения и результаты докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях 1) «Конференция по строительной механике корабля памяти академика Ю А Шиманского», СПб ЦНИИ им акад А Н, Крылова, декабрь 2003г, 2) «Конференция по строительной механике корабля памяти академика ЮА Шиманского», СПб ЦНИИ им акад А Н Крылова, ноябрь 2006г, 3) «Четвертая международная конференция молодых ученых и специалистов по морским интеллектуальным технологиям - МОРИНТЕХ-ЮНИОР», ноябрь 2006г

Публикации. По теме диссертации опубликованы 4 научно-технические работы, из них 1 в соавторстве - доля автора 60% В изданиях из Перечня ВАК опубликована одна научная статья, выполненная без соавторов

Объем и структура работы. Работа состоит из введения, 4 глав и заключения, содержит 199 страниц основного текста (включая 70 рисунков и 16 таблиц), 2 страницы оглавления, список литературы из 70 наименований

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрены современные тенденции развития мирового судостроения и практики проектирования корпуса и его конструкций Отмечено, что продолжает интенсивно развиваться процесс автоматизации про-екгно-конструкторских работ Эта проблема является актуальной для республики Вьетнам

Во введении формулируется цель диссертации, указаны задачи исследования, обосновывается актуальность выполняемых исследований, дается краткое описание рассмотренных вопросов и краткая характеристика работы

Первая глава диссертации посвящена рассмотрению, обобщению и сопоставлению требований нормативных документов ряда классификационных учреждений, входящих в Международную Ассоциацию Классификационных Обществ (МАКО) к определению расчетных внешних волновых нагрузок для

транспортных судов и выполнен сопоставительный анализ результатов расчетов по рассмотренным нормативным документам

Рассмотрены рекомендации, содержащиеся в нормативных документах следующих классификационных учреждений Американского Бюро Судоходства 2000 (АБС 00) и 2007 (АБС 07), Английского Ллойда 2000 (АЛ 00), Российского Морского Регистра Судоходства 2003 (РМРС 03), Германского Ллойда 1998 (ГЛ 98), 2000 (ГЛ 00) и 2007 (ГЛ 07), Норвежского Бюро Веритас 2000 (НБВ 00), а также в Нормах прочности морских судов Регистра СССР 1991 (НП 91), Нормах прочности морских судов Российского Регистра 2002 (НП 02)

Расчеты выполнены с использованием средств Microsoft Office для 4-х судов реальных современных проектов контейнеровоза (L=135 0м), судна типа Po/Po (L=125 0m), судна для навалочных грузов (L=149 2m), танкера (L=250 9м) Рассмотрены состояния корпуса в грузу и в балласте

Исследованы следующие волновые нагрузки волновые (в линейной постановке), динамические, обусловленные днищевым и/или бортовым сле-мингом и заливанием палубы, суммарные перерезывающая сила и изгибающий момент в различных сечениях по длине корпуса

Анализ показал, что все классификационные общества используют практически единые обобщенные зависимости для оценки расчетных значений волновых перерезывающих сил и изгибающих моментов, как функции главных размерений корпуса Это положение является следствием принятия МАКО единого стандарта общей прочности

При оценке дополнительных (динамических) изгибающих моментов предлагаются разные методы учета Вопрос учета динамического изгибающего момента в Правилах и Нормах прочности является более сложным и не имеющим однозначного решения

В главе 2 рассмотрено современное состояние исследований по проблеме прогнозирования величин волновых нагрузок, действующих на корпус судна на морском волнении прямым расчетом, приведены зависимости для оценки величин нагрузок на основе спектрального подхода и на основе имитационного моделирования, сформулирована постановка задачи

Методы прямого расчета (прямые методы) характеризуются двумя основными чертами во-первых, учитывается вероятностная природа (случайность и нерегулярность) процессов изменения морского волнения и порождаемых им внешних сил, во-вторых, взаимодействие корпуса судна с водой рассматривается как сложное гидродинамическое явление

В настоящее время методы прямого расчета реализуются в виде двух подходов При этом каждый подход, в свою очередь, может быть реализован либо вероятностно-детерминированной либо чисто вероятностной модификацией В вероятностно-детерминированной модификации вероятностный подход осуществляется только на стадии исследования тех условий волнения, которые соответствуют максимальным силовым воздействиям на корпус судна, а определение самих силовых параметров производится детерминировано

Первый подход характеризуется тем, что волнение задается спектральной характеристикой - спектральной плотностью (спектром волнения) Решение получается с использованием предварительно найденных выходных реакций корпуса на регулярном волнении, в виде амплитудно-частотных характеристик (АЧХ), в частотной области При этом судно должно рассматриваться в виде линейной динамической системы Такая задача разработана к настоящему времени достаточно подробно и широко исследована как в работах советских-российских авторов - Бойцова, Козлякова, Кондрикова, Ко-роткина, Курдюмова, Литонова, Максимаджи, Рабинович, Ростовцева, так и зарубежных авторов Однако здесь существуют теоретические сложности при определении нагрузок, обусловленных нелинейными эффектами - сле-мингом, заливаемостью, а также при суммировании нелинейных и линейных нагрузок и обусловленных ими напряжений в корпусных конструкциях для нерегулярного волнения Решение указанных задач требует обязательного введения соответствующих специальных дополнительных допущений того или иного вида, так как спектральная теория разработана для линейных систем

Во втором подходе процесс нерегулярного морского волнения описывается его прямой характеристикой - реализацией волнения Решение ведется во временной области Этот подход позволяет обойти теоретические трудности при оценке волновых нагрузок, нелинейно-зависящих от высоты волны и кинематических параметров корпуса В настоящее время известны исследования советских-российских авторов, посвященные разработке и обоснованию различных вариантов математических моделей этого подхода - работы Картузовой, Кульцепа, Ростовцева, Рабинович, Сердюченко, Суслова, Степанова Однако этот подход развит еще недостаточно для рекомендации его использования в практических целях

На основе анализа подходов и их модификаций в работе для оценки волновых нагрузок прямым расчетом предлагается математическая модель вероятностной модификации первого подхода, дающая решение задачи прогнозирования величин волновых нагрузок на нерегулярном волнении на основе спектральной теории случайных процессов, составной частью которого является решение гидродинамической задачи для регулярного волнения Далее во второй главе обсуждены особенности и современное состояние исследований указанной задачи Дан краткий обзор литературы по этой проблеме

Для оценки выходных случайных процессов в этом подходе используется основное спектральное преобразование

й-»И (1)

где 5выс(й>) - спектральная плотность выходного процесса (в нашем случае - требуемой реакции корпуса на воздействие волнения), (¿о) - спектральная плотность входного процесса (в нашем случае - данного режима нерегулярного волнения), авых(а>) - АЧХ данной реакции корпуса, как функ-

ция частоты <х> гармонических составляющих процесса волнения

Определение спектральной плотности (спектра) входного процесса волнения является для судостроения прикладной задачей, которая долгие годы разрабатывается в соответствующих разделах океанологии, но задачей весьма непростой и до сих пор не имеющей завершенного решения Получение двумерных спектров ^ (со,О), характеризующих реальное трехмерное нерегулярное волнение и являющихся функцией частоты и направления распространения волнения, находится пока в стадии исследований В судостроении при оценке волновых нагрузок принимают

(2)

где (1со) - одномерная функция спектральной плотности, {со,в) -двухмерная функция спектральной плотности, F(6,) - функция распределения энергии волнения по направлениям, в - угол между направлением отдельной составляющей волнения и генеральным направлением волнения

Поскольку, в общем случае, не существует наиболее неблагоприятного спектра, в 1964 г II Международным конгрессом по конструкции и прочности судов была принята рекомендация, действующая до настоящего времени, для унификации результатов вероятностной оценки волновых нагрузок использовать спектр, основанный на предложениях американских ученых Пир-сона-Московица, имеющий вид

(«) = 98,2Аз%Г10>)~5 ехр[- 686/(7>)4], м2с (3) где Тх - средний период волнения, Л3% - высота волны трехпроцентной обеспеченности

Дисперсия Бвых и стандарт ств61Х «выходных» процессов (рассчитываемых реакций корпуса), определяются, как

п!2 оо

Оеых=ст2еых= { ¡ЯСиХа>М0)аиа>,(£~фах1е (4)

-я/2 О

где е - курсовой угол хода судна относительно генерального направления волнения

Стандарт является основной характеристикой случайных выходных процессов для стационарных режимов нерегулярного волнения Имея значения стандарта рассматриваемой волновой нагрузки и учитывая, что амплитуды выходных процессов распределены по закону Рэлея, можно найти величину этой нагрузки с заданной обеспеченностью Я{0), где Q - обеспеченность, т е получить краткосрочное распределение величин этой нагрузки (аналогично для любой реакции корпуса)

Нв)=сстеых (5)

Коэффициент с зависит от выбранной обеспеченности Для Q = Ю-2

с = 3.05 , для 2 = 1(Г3 с = 3 72, для е = 10"4 с = 4 29

В данном подходе экстремальные значения волновых моментов за весь период эксплуатации судна оцениваются на базе долговременных распределений волновых нагрузок по полновероятностной схеме Начало таких исследований было положено в работах Джаспера, Норденстрема, Короткина, Кондрикова В главе приведены основные зависимости этой схемы, в частности, полновероятностный интеграл, позволяющий определить долговременное распределение рассматриваемых волновых нагрузок, которое дает возможность прогнозировать величины нагрузок заданной обеспеченности за все время эксплуатации судна В качестве экстремального значения принимается величина момента с обеспеченностью = 1(Г8

Во второй главе приведена математическая и физическая постановка задачи определения волновых нагрузок, в частности изгибающих моментов, на регулярном волнении для получения АЧХ, принятая в работе Основные исходные предпосылки и допущения формулируются следующим образом рассматривается судно, элементы корпуса и весовая нагрузка которого известны Судно движется произвольным курсом на взволнованном море под действием постоянной тяги винта и гидродинамических сил, приложенных со стороны окружающей его воды Корпус представляется в виде плавающей балки с переменным недеформируемым сечением, нагруженной погонной вертикальной динамической поперечной нагрузкой, обусловленной качкой на волнении, слемингом и накатом воды на палубу Рассматривается поведение корпуса только в вертикальной плоскости - продольная качка, оцениваются величины вертикальной перерезывающей силы и изгибающего момента, обусловленные волнением, с учетом слеминга и заливаемости При определении реакции жидкости на корпус судна, погружающийся в воду, используется гипотеза плоских сечений Раздельно решаются задачи вычисления волновой низкочастотной нагрузки на основе линейной теории волн и в предположении прямобортности корпуса, неограниченности осадки и высоты борта, и оценки нелинейных нагрузок по известным из линейной задачи кинематическим параметрам корпуса Используется линейная теория продольной качки, когда нелинейная нагрузка не учитывается в уравнениях, а определяется по заранее рассчитанным кинематическим параметрам Это допущение характеризует расчет нелинейных нагрузок как первое приближение При расчете динамического изгибающего момента учитывается упругость корпуса Однако влиянием упругих перемещений на величину линейной и нелинейной нагрузки при их определении пренебрегается

В третьей главе рассмотрены вопросы, связанные с получением АЧХ изгибающих моментов с учетом слеминга и заливания палубы При этом в соответствии с постановкой задачи линейные и нелинейные задачи рассмотрены раздельно

Выписаны основные математические зависимости для оценки продольной качки и волновых нагрузок, действующих на корпус на регулярном волнении, в линейной постановке при допущении о прямостенности бортов, не-

ограниченности высоты борта и осадки, для получения АЧХ процессов, как основной составляющей решения задачи для нерегулярного волнения

В работе используется математическая модель, которая базируется на линейной гидродинамической теории качки Хаскинда в модификации, развитой Ростовцевым

Выписано выражение для вертикальной погонной гидродинамической нагрузки на регулярном волнении, которое содержит составляющие, обусловленные гидродинамическим давлением при вертикальной £ и килевой ц/ качке судна, воздействием регулярной волны на корпус, связанные с дифракцией волны на корпусе, которое представляет собой вещественную часть зависимости

{•• • •» \

С-2Uу/+ хvyi^(х,сок)-1/<у,Лзз(х,<ак)]+

|l-UyZ + Xy/ Uf0 (*, - I / СОк Л33 (х, сок)] + (6)

+ rQ \pgb(x)x2 {кт) -(o2\pn{x,co)-il (х, ¿у)]}ехр[/(<уЛ / - kx cos s )J где /0(jc) = [6'(x)/i(^)]{l/(l-i(x)/[2r(jc)])}- функция, приближенно учитывающая трехмерность обтекания в инерционно-волновой задаче, b(x) - ширина корпуса на уровне ватерлинии тихой воды в сечении х по длине корпуса, Г(д:) - осадка судна в сечении х на уровне ватерлинии тихой воды, U -скорость поступательного движения судна, %2{кТ) - поправка Смита, /лзъ(х,а)к) - погонная присоединенная масса при вертикальной качке судна, /Цз (х,£Уд) - погонный коэффициент демпфирования воды при вертикальной качке, р33(х,о}), Л^3(лг,<и) - дифракционные гидродинамические коэффициенты, со - истинная частота регулярной волны, сок - кажущаяся частота процесса, к - волновое число

Для получения полной волновой погонной нагрузки к выражению (6) следует добавить восстанавливающую погонную нагрузку

q°occm = -pgb{x\£(t) + x\ff[t\ обусловленную качкой судна, а также нагрузку от сил инерции массы судна при качке qmM =-m(x I ¿¡(t)+xyf{t)

имеем q{x,t) = q*{x,t)+q*occm{x,t)+qu"v{x,t) (7)

Далее могут быть определены в линейной постановке волновая вертикальная перерезывающая сила Nw{x,t) и волновой вертикальный изгибающий момент Mw(x,t) в любом сечении по длине корпуса Поскольку в решении этой задачи упругий прогиб не учитывается, указанные реакции опреде-

В итоге,

ляются интегрированием по длине корпуса погонной нагрузки

X XX/

(8) М№{х,{)= | \д{х,1}Ых (9)

-0,5£ -0,5Л -0,5/, I

Расчет по формулам (8) и (9) для серии частот волнения позволяет найти АЧХ указанных реакций при заданной поступательной скорости и курсовом угле хода судна 1

Далее в главе рассмотрена математическая модель для Определения нелинейной гидродинамической нагрузки, обусловленной процессом днищевого и/ или бортового слеминга на регулярном волнении

В работе дан краткий обзор литературы по задаче определения силы сопротивления при погружении килеватого тела, или для двумерного случая - контура, в жидкость Указаны две различные постановки задачи - удар по контуру и задача погружения Отмечено, что теоретические основы принимаемых упрощений при решении краевой гидродинамической задачи для погружения килеватого контура не бесспорны, поэтому для определения реакций жидкости во многих исследованиях используется энергетический подход Возможность применения его вытекает из структуры формул краевых решений Вопросы корректности использования энергетического подхода обсуждались в работах Чувиковского, Абрамовича, Мазора, Осипова, Ростовцева

Для решения двумерной задачи о погружении килеватого контура в работе применяется уравнение Лагранжа, концепция мгновенных присоединенных масс Вагнера, учитывается подъем жидкости за счет пологой волны вытеснения Использование этого подхода приводит к следующей зависимости для гидродинамической нагрузки, действующей на контур

*ам=-Ат^х* Хм+1*3 Ам^Ы (10)

где //(Уиа,) - мгновенная обобщенная (присоединенная) масса жидкости В качестве мгновенной присоединенной массы принимается ее высокочастотный предел, соответствующий мгновенному значению осадки и ширины контура в данном сечении Для описания формы поперечных сечений корпуса при определении присоединенной массы используются двухпараметриче-ские кривые Льюиса

При получении выражения (10) не учтена энергия брызговых струй, однако полагается, что вблизи контура появляется пологая волна (волна вытеснения), изменяющая величину мгновенной осадки контура -

т^н(х^) = хтмги(х>*)< где тмгн(х>{) -фактическая мгновенная осадка, % -коэффициент, учитывающий подъем жидкости и зависящий от угла килева-тости погружающегося сечения

Далее принимается допущение, о том, что величина Г^Дх,/) определяется на основе решения линейных уравнений продольной качки, как погружение сечений корпуса судна, измеряемое от основной плоскости до

уровня поверхности волны

Д(*,/)=^(/)+бгМ (12) где {/(г) - перемещения судна при вертикальной и килевой качке, ¿¡п{х,{) - ординаты гармонических волн, Т(х) - осадка судна на уровне ватерлинии тихой воды, д(*,/) - относительное перемещение корпуса судна и волны в сечении с координатой х, которое для регулярного волнения (при принятом допущении о линейности уравнений качки) является гармонической функцией времени

Фактические значения относительных перемещений сечений корпуса лри погружении также будут отличаться от получаемых по формуле (12)

Аф{х,1) = ХА(х,1) (13)

Задачу оценки величины коэффициента х решали Вагнер, Фейбьюл, Осипов, Григорьев и др , но до настоящего времени известны лишь грубые оценки величины этого коэффициента Так, для клина х изменяется в диапазоне в зависимости от угла килеватости Осиповым, а также другими авторами, показано, что для контуров вида, близкого шпангоутным сечениям корпуса судна, величину х можно считать независящей от времени, т е от мгновенного значения угла килеватости Для таких контуров можно определять величину х п0 начальному углу килеватости контура данного сечения

Из зависимости (10) следует, что для вычисления нелинейной нагрузки дс,{х,/), зависящей от времени и возникающей как при погружении днища любой формы после оголения, так и при погружении непрямостенных сечений корпуса в жидкость без оголения днища, необходимо знать закон изменения во времени относительного перемещения сечений (12) и мгновенной присоединенной массы р{Тмгн) В литературе рассматривается, в основном, возможность слеминга, как днищевого, так и бортового, только в носовой оконечности корпуса судна В данной работе учтена возможность слеминга в корме корпуса, что особенно актуально для корпусов с транцевой кормой

Далее в главе рассмотрено приближенное решение задачи о нагрузке при заливании верхней палубы корпуса, указаны принимаемые допущения Отмечено, что процесс бортового слеминга во многих случаях сопровождается и заканчивается процессом наката волны на верхнюю открытую палубу Однако, работы, в которых рассмотрено одновременно решение задачи о бортовом слеминге и сопровождающем его заливании палубы отсутствуют Обычно рассмотрение процесса погружения развала борта в воду при интенсивной качке заканчивается при достижении мгновенной осадкой уровня верхней палубы Имеются данные о том, что кроме местных повреждений конструкций, заливание палубы может в ряде случаев иметь заметное влия-

ние на общие перемещения корпуса и общие нагрузки на корпус Однако число работ такого направления немногочисленно

В настоящее время отсутствуют необходимые для определения нагрузок, вызванных накатом волн на палубу, теоретические решения и экспериментальные данные Более реально при решении этой задачи применить какой-либо условный измеритель, который хотя и приближенно оценивает влияние заливаемое™ на общую прочность корпуса, но позволяет выявить основные закономерности

В работе для определения нагрузки при накате волны на палубу предлагается условный измеритель, в качестве которого принят объем воды, находящийся выше уровня палубы Высота столба воды над уровнем палубы Ив(х,() в сечении * определяется как

Ив(х,() = ^{х,()-^)-ху,{1)-Ин{х) (14) где Ин(х) - высота надводного борта корпуса в сечении х

Погонная нагрузка при заливании палубы принимается в виде

яЛ^)=ф{х)кв{хл) (15) Выражение (15) не учитывает изменение уровня волнового профиля и столба воды по ширине палубы, которое имеет место при косом курсе судна Это выражение определяет высоту столба воды в диаметральной плоскости судна Зависимость (15) учитывает влияние наката волны на палубу только на главную часть возмущающей силы

Нагрузка (15) плавно изменяется во времени либо самостоятельно, либо после действия нагрузки, обусловленной бортовым слемингом (10) Время действия этой нагрузки зависит от условий плавания и индивидуальных характеристик корпуса и составляет.определенную долю кажущегося периода килевой качки корпуса Следует отметить, что нагрузка при заливании палубы имеет другое направление действия (другой знак) по отношению к нагрузке при слеминге

Далее могут быть определены обусловленные нелинейной динамической нагрузкой дополнительные перерезывающая сила и, соответственно, изгибающий момент, которые называются динамическими (ниже приведены зависимости только для момента)

Изгибающий момент может быть определен либо путем дифференцирования по координате х функции прогиба, либо путем двукратного интегрирования по длине корпуса (балки) выражения для погонной нелинейной нагрузки обусловленной слемингом и заливаемостью

Х 7 XX (16)

X X д }У

= -[/ [|я(*)+А|(*)]—тйхг + Цчиел(х,^2 +И0х + Мй 0 0 0 0 где Ы0 и М0 представляют собой перерезывающую силу и изгибающий мо-

мент, соответственно, в начале координат, в нашем случае = М0 = О

Определение динамического изгибающего момента путем интегрирования погонной нагрузки позволяет оценить влияние упругости корпуса (упругих колебаний) на величину динамического момента Для этого динамический момент представляется суммой

м„М=А/Л*,0+МГ'М (17>

где

(18)

-1 (/)}} [ф)+лФ2 - ъ (0/ ] Ь м-

0 0 0 0

МГМ=- А СО/1 [»М+ (19)

о о

Решение задачи по определению дополнительных перемещений корпуса, как твердого тела £,(/) и уд{с), а также упругой координаты />,(/) сводится к рассмотрению дифференциального уравнения колебаний безопорной балки

дх2

= (20)

дх' ) 1 У ' 4 " где /(*) - момент инерции площади поперечного сечения корпуса, - нелинейная динамическая нагрузка при слеминге и заливаемости, представляющая собой сумму (10) и (15), т{х) - погонная масса судна, //(*) -

погонная присоединенная масса при вертикальном перемещении сечений корпуса В качестве присоединенной массы в (18) и (19) принимается ее высокочастотный предел, соответствующий значению осадки и ширины контура на уровне тихой воды в данном сечении Для описания формы поперечных сечений корпуса при определении присоединенной массы используются

двухпараметрические кривые Льюиса Коэффициент /и* отличается от коэффициента // множителем, учитывающим трехмерность обтекания при упругом перемещении и перемещении как твердого тела Перемещение ^(х^) записывается в виде суммы

=£,(,)+(*-0,5 (21)

где - дополнительное перемещение сечений корпуса как твердого тела, №У/ТР - дополнительное упругое перемещение сечений корпуса по форме Фх(х), <рх(х) - форма свободных упругих колебаний корпуса первого тона

в воздухе, р¡(г) - обобщенная координата упругого перемещения

Для определения перемещений и обобщенной координаты

/?,(;) упругих перемещений используется метод Бубнова-Галеркина В итоге в работе получена соответствующая система дифференциальных уравнений, которая может быть разделена Упругие перемещения при принятых допущениях определяются из отдельного уравнения

Зависимость (16) позволяет определить мгновенные значения динамического изгибающего момента, который является произвольной периодической функцией времени для регулярного волнения, нелинейно-зависящей от « амплитуды волны г0

Мгновенные значения суммарного момента для заданных значений длины и высоты волны определяются как

Мд{х,г0,()+ Мк{х,гъ,{) (22)

Волновой момент М№ для регулярного волнения является гармонической функцией, линейной относительно высоты волны Следует отметить, что при определении суммарного момента по (22) будет учтена корреляционная связь волнового и динамического моментов через фактические значения их фазовых углов на регулярном волнении заданной длины и высоты волны

Величина суммарного момента для регулярного волнения также является произвольной периодической функцией времени, нелинейной относительно высоты волны

Для некоторого момента времени (различного для разных значений длины и высоты волны, а также курсового угла и скорости хода судна) в пределах кажущегося периода качки величина изгибающих моментов в данном

сечении достигает максимальных значений М%(х,г0) и М^,м(х,г0) Эти значения можно трактовать как амплитудную реакцию корпуса в виде либо динамического, либо суммарного изгибающего момента на воздействие регулярного волнения заданной частоты и амплитуды Таким образом, при заданной частоте (длине волны) для нескольких амплитуд волн строятся АЧХ динамического и суммарного изгибающего момента Отметим, что АЧХ динамического перегибающего и АЧХ динамического прогибающего моментов различны

Далее используется приближенный метод, позволяющий распространить спектральную теорию на нелинейные процессы, состоящий в непосредственной линеаризации нелинейных (по высоте волны) АЧХ динамического и суммарного изгибающего момента, а также любой другой реакции корпуса Метод ранее был апробирован в работах Галаховой 3 И и Хо Куанг Туана

Для линеаризации кривая зависимости от г0 функции М°(х,г0) или функции М°ул1(х,г0) для каждой частоты (длины волны) заменяется прямой, прохо-

дящей через начало координат, а угол ее наклона определяется по методу наименьших квадратов

На основе полученных линеаризованных АЧХ осуществляется переход к расчету спектральной плотности и стандарта динамического и суммарного изгибающего момента в сечениях корпуса на основе спектральной теории для линейных систем Далее может быть построено долговременное распределение и оценены величины заданной обеспеченности как динамического, так и суммарного моментов в каждом сечении корпуса

Кроме отмеченных реакций корпуса на основе предлагаемого метода можно определить стандарты и величины заданной обеспеченности в краткосрочном и долговременном распределении других нелинейных реакций корпуса, обусловленных слемингом и заливанием палубы дополнительных ускорений и инерционных нагрузок, скоростей соударения днища и борта с водой, высоты столба воды на палубе в каждом сечении, дополнительных давлений, длины зоны оголения и заливания

В главе 4 диссертации дается краткое описание алгоритма расчета и программного обеспечения, реализующего предлагаемый метод, а также приведены результаты и дан анализ выполненного численного эксперимента при вариации параметров системы судно-волнение Рассмотрено влияние упругости корпуса, заливаемости, а также слеминга в носу и в корме на динамический и суммарный изгибающие моменты Оценено влияние учета корреляционной связи динамического и волнового моментов Величина корреляционного момента определяется разностью фазовых углов моментов на регулярном волнении Отдельно оценены величины прогибающего и перегибающего моментов Для учета слеминга в корме расчет выполняется для 21-ого сечения по длине корпуса, при расчете слеминга в носу рассматриваются только 7 носовые сечений, соответствующих теоретическим шпангоутам Приведены сопоставления результатов расчета, полученных с использованием программного комплекса и по требованиям нормативных документов

Программные средства, обеспечивающие расчет, дают возможность оперативно выполнять многовариантный анализ конструкций, они обеспечивают расчет в замкнутом виде от автоматизированного задания исходных данных по судну и условиям его движения до получения конечного результата - стандартов и долговременных распределений реакций судна

Расчеты выполнены для судов, ранее рассмотренных в главе 1, в диапазоне скоростей хода, соответствующих значениям числа Фруда О 01 < Fr <0.15 для контейнеровоза и судна типа Po/Po, OOl^Fr^O 10 для навалочника и танкера, что соответствует возможным реальным скоростям хода в условиях волнения Линеаризация по высотам волн регулярного волнения выполнена в диапазоне высот волн 0 01 < hl Л й 0 05, что перекрывает возможный диапазон реальных крутизн волн Расчеты выполнены для семи значений курсовых углов - КУ=0, 30, 60, 90, 120, 150, 180гр , при этом 180гр - прямой встречной курс, что обеспечивает возможность учета трехмерности нерегулярного волнения при дальнейших расчетах спектров и стандартов волновых моментов

Спектральная плотность для стационарных режимов нерегулярного волнения принята в виде, рекомендованном И Международным конгрессом по конструкции и прочности судов Долговременная повторяемость режимов волнения принята в виде данных Норденстрема для района Северной Атлантики Принято равновероятное распределение курсовых углов

В 4-ой главе приведен обширный графический материал, иллюстрирующий выполненный численный эксперимент Дан анализ зависимостей АЧХ, стандартов, долговременных распределений линейного волнового изгибающего момента на миделе от скорости хода Рассмотрены распределения волнового момента по длине корпуса Уделено внимание анализу относительных перемещений, определяющих возможность слеминга и заливаемо-сти

При анализе нелинейных реакций корпуса уделено внимание оценке влияния упругости корпуса на величину динамического момента Количественное влияние упругости существенно зависит от индивидуальных характеристик данного судна

Оценена возможность слеминга в корме, который, например, для контейнеровоза и судна типа Ро/Ро может вызывать значительную вибрацию корпуса на попутном волнении Его влияние сильно зависит от формы кормовой оконечности

Учтена возможность заливания палубы после процесса бортового слеминга Рассмотрено влияние заливаемости на величину динамического момента, которое для всех рассмотренных судов оказалось незначительным

Выполнен подробный анализ влияния слеминга в носу и в корме, а также заливаемости на долговременные распределения суммарных изгибающих моментов

На рис 1а и 2а в качестве примера показано изменение во времени суммарной силы, действующей на корпус контейнеровоза и танкера, обусловленной слемингом и заливаемостью в указанных условиях хода и режима регулярного волнения Эта характеристика иллюстрирует общую подверженность корпуса слемингу и запиванию палубы Время действия силы, скорость нарастания во времени, характер изменения во времени зависят от индивидуальных особенностей корпуса и условий движения, что следует из рисунков По оси абсцисс показаны моменты времени в диапазоне кажущегося периода качки

На рис 16, 1в, 26, 2в показаны реализации во времени коэффициентов

изгибающих моментов на миделе (M(0,h,t) = M(0,h,t)/(yB£?h/2j) контейнеровоза и танкера Показано влияние учета упругости корпуса при определении динамического момента На основании совокупности таких расчетов определяются амплитудные значения динамического и суммарного момента

M°(x,h/2), M°yu{x,h/2) для заданных сечений по длине корпуса и разных

режимов регулярного волнения Здесь же приведен график изменения во времени коэффициента линейного волнового момента

На рис 3 и 4 показана графическая интерпретация процедуры линеари-

зации для суммарного момента на миделе контейнеровоза и танкера По оси абсцисс показаны высоты волн в метрах

О Сумм«рная сига (т) 1000 -

-3000

суммарная обобщенная сипа суммарная нелинейная сипа

-линейныйволновоймоменг .

— — динамичесжкймомеятбезучетаупругосп1

—•— динамический упрупш момент i

динамический момент |

в) Суммарные моменты на миделе

-линейный волновой момент

—— суммарный момент --суммарный момент без учета упругости

20000 15000 10000 X100

о

-5000 -10000

б) Динамические моменты на Миделе

0 025 0020 0 015 0 010 0 005 0 000

-0 0051

-0 010 -0015 -0 020

-линейный воинов ой момент

— — динамический момент без учета упругости —•— дннамиче ский упрупш момент динамический момент

0025 0 020 0015 0 010 0005 0 000 -0005 -ОЛЮ -0 015 -0 020

-линейный волновой момент

—— суммарный момент — — суммарный момент без учета упругости

а) Суммарная сипа

в) Суммарные моменты на миделе

Рис 1 - Контейнеровоз в грузу Рис 2 - Танкер в грузу Fr=0 07,

Fr=0 15, КУ=180гр , Ш= 1 0, h/X=0 05 КУ=180гр , WL=1 0, h/X=0 05

—s—Fi-001 —a—Fr=0 05 —û—Fi-010 —x—Fi-OlJ ОЭО

- Fi-0 01_лиеар

- Fr-0 03~лиеар

- Fr*0 10_mitap

- Fr=0 15_лиеар

| 02S

' 030

I

j 0 1S ' 010 0Д5 ООО

W

Рис 3 - Линеаризация суммарного прогибающего момента на миделе Контейнеровоз в фузу, КУ=180гр , АЛ-=1 О

- пикейный волновой момент

- динамический момент

суммирование без учет« фазы

-суммарный момент (с учетом фазы)

— — суммарный момент без учета упругости

г -1 -ОГ+Оо

2019181716151413121110 9 876543210

Рис 5 - Величины прогибающих моментов (кНм) с обеспеченностью 0=10"° Контейнеровоз в грузу, Рг=0,15 Распределение по длине судна

Рис 7 - Величина суммарного прогибающего момента (кН м) с обеспеченностью (2=10*® в зависимости от скорости хода Контейнеровоз в грузу Распределение по длине судна

Fr=0 01_лиеер Fr*0 05_лиеар Fr=007_mte«p

, 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Рис 4 - Линеаризация суммарного прогибающего момента на миделе Танкер в балласте, КУ=180гр, ХУ1_=1 О

- линейный в олнов ой момент

- динамический момент

■ суммарный момент (с учетом фазы)

— •— суммирование без учета фазы

— — 'суммарныймомент без учет»упругости

-ь-ОЕ+Оо

I 20191817161514131211109 876543210

Рис 6 - Величины прогибающих моментов (кН м) с обеспеченностью <3=10"° Танкер в балласте, Рг=0,07 Распределение по длине судна

Рис 8 - Величина суммарного прогибающего момента (кН м) с обеспеченностью 0=10"° в зависимости от скорости хода Танкер в балласте Распределение по длине судна

I

I I

I 1

Рис. 10 - Сопоставление абсолютных величин (кН.м) изгибающих моментов с обеспеченностью 0=10^ на миделе, определенных по прямому методу, с требованиями нормативных документов. Танкер

На рис.5 и 6 показано распределение по длине корпуса величины с

обеспеченностью £> = 10 8 в долговременном распределении прогибающего

линейного волнового, динамического, суммарного без учета упругости и

Рис. 9 - Сопоставление абсолютных величин (кН.м) изгибающих моментов с обеспеченностью 0=108 на миделе, определенных по прямому методу, с требованиями нормативных документов. Контейнеровоз

6вЕ-г46 5 ОЕ-ЧН» 4 0ЕЧ16 ЛОЕ+Об

2 ОЕ^М

3 ОЕ*ОЛ О 0Е-00 1.0ЕХ)« О.ОЕ+ОО

-1-ОЕ+06 -2.0Е+06 -ЗОЕ+Об

-6.0Е+06

По нормативным документам кл а сс 11 ф «кащюн них оощепв (для всем вариантов загружен)

По нормативным докл-мектам

КЛЯСС! [ф] КАЦНОННЫХ

обществ (для в«х вариантов эагру»М|)

По кормам прочности

морских судов (в грузу) ¡(в балласте)

4 вЕНК -г

2 0Е+05

О ОЕ+ОО

ОЕ+О'

Щ перегибающий ъояновоЛ момент

дополна п е щ>на я часть к перегибающему момент у

прогибающий волновой момент Щ| допотааледьная часть к прогибающему моменту

По прямомч1 метод)': РНМН {в груту) • (в балласте)

По прямому- мегоду ЕНПО (в грузу) ¿в балласт^

По нормам прочности

морских С>Ц08 »грузу) ■ (в б&штосте)

По прямому метод) РЫ)01

(в грузу) (в балласте)

По прямому методу

РР°00" (в грузу) (в балласте)

дополтгтельная часть к перегибающему

суммарного момента, определенного с учетом фазы действия двух моментов - волнового и динамического На этих же рисунках показан суммарный момент, рассчитанный суммированием максимумов моментов Рисунок 5 соответствует контейнеровозу, а 6 - танкеру

На рис 7 и 8 показано распределение по длине корпуса величины прогибающего суммарного момента с обеспеченностью Q = 10~8 в зависимости от

скорости хода для контейнеровоза и танкера

На диаграммах рисунков 9 и 10 показано сопоставление величин изгибающих моментов на миделе, определенных по нормативным документам и

величин моментов с обеспеченностью Q- 1(Г8, рассчитанных по прямому методу, для контейнеровоза и танкера

Выполненные сопоставления показывают обоснованность используемой математической модели и надежность работы программного комплекса, который может быть использован при исследовательском проектировании корпусных конструкций для сопоставительного анализа закономерностей изменения исследуемых характеристик от различных параметров

Приведенные результаты показывают актуальность дальнейших исследований расчетных изгибающих моментов, особенно по прогнозированию величин динамического момента при днищевом слеминге, бортовом слемин-ге и сопутствующей ему заливании палубы с использованием математических моделей методов прямого расчета на основе моделирования поведения корпуса на нерегулярном волнении

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В Заключении сформулированы основные результаты работы

1) Выполнен анализ требований по определению волновых нагрузок, определяющих общую прочность судовых конструкций, в нормативных документах ряда классификационных учреждений, входящих в МАКО Оценены эти требования для четырех современных проектов транспортных судов различных типов и размеров Дан сравнительный анализ расчетных волновых нагрузок,

2) Предложена математическая модель для оценки линейных волновых и нелинейных динамических нагрузок при слеминге и заливании палубы на нерегулярном волнении Сформулирован метод прямого расчетного прогнозирования величин волнового, динамического при слеминге и заливании палубы, а также суммарного изгибающих моментов в сечениях корпуса на нерегулярном волнении с учетом корреляционной связи двух моментов Метод позволяет оценивать также ряд других реакций корпуса,

3) Разработаны алгоритмы и создан при участии автора прикладной программный комплекс, который обеспечивает возможность последовательного расчета процессов слеминга и заливания палубы, и оценки их влияния на величину изгибающего момента в сечениях корпуса на регулярном и нерегулярном волнении Рассчитываются стандарты и краткосрочные распределения реакций корпуса для заданных стационарных режимов нерегулярного

волнения, а также их долговременные распределения и величины заданной обеспеченности,

4) Выполнены численные эксперименты для 4-х судов, на основании которых

- исследованы закономерности изменения линейного волнового, дополнительного динамического и суммарного изгибающих моментов в сечениях корпуса при изменении параметров движения судна и параметров регулярного и нерегулярного волнения,

- исследовано влияние упругости корпуса на величины динамического и суммарного изгибающего момента в сечениях корпуса на регулярном и нерегулярном волнении,

- исследовано влияние носового и кормового слеминга, а также сопровождающей слеминг заливаемости на величины динамического и суммарного изгибающих моментов на регулярном и нерегулярном волнении,

- приведено сопоставление результатов расчета прогибающего и перегибающего изгибающих моментов по прямому методу и по Правилам классификационных учреждений

Основное содержание диссертации изложено в работах

В изданиях, рекомендованных перечнем ВАК:

1 Доан Ким Тхай Определение расчетных волновых нагрузок, действующих на корпус судна на интенсивном нерегулярном волнении (статья) /Доан Ким Тхай // Научно-технический и информационно-аналитический журнал «Морской вестник» - СПб 2007 - №2 (22) - С 15-18 - Автор -100%

В других изданиях:

2 Доан Ким Тхай Математическая модель программного блока расчета волновых нагрузок для морских катамаранов (тезисы доклада) / Рабинович О Н, Доан Ким Тхай // Труды конференции по строительной механике корабля памяти академика ЮА Шиманского - СПб ЦНИИ им акад АН Крылова, 2003 - С 41-42 - Автор-60%

3 Доан Ким Тхай Учет заливаемости палубы в задаче прогнозирования величин изгибающих моментов на регулярном волнении для транспортных судов (тезисы доклада) / Доан Ким Тхай // Труды конференции по строительной механике корабля памяти академика Ю А Шиманского - СПб ЦНИИ им акад АН Крылова, 2006 - С 40-41 -Автор-100%

4 Доан Ким Тхай Сопоставительный анализ требований правил классификационных организаций к расчетным волновым нагрузкам на корпус судна (доклад) / Доан Ким Тхай // Сборник докладов 4-ой международной конференции молодых ученых и специалистов по морским интеллектуальным технологиям «МОРИНТЕХ-ЮНИОР 2006» СПб изд-во НИЦ «Моринтех», 2006 -С 81-86 -Автор-100%

ИЦ СПбГМТУ, Лоцманская, 10 Подписано в печать 19 04 2007 Зак 3416 Тир 100 1,2 печ л

ВВЕДЕНИЕ.

1 ОЦЕНКА ВОЛНОВЫХ НАГРУЗОК НА ОСНОВЕ НОРМАТИВНЫХ ДОКУМЕНТОВ КЛАССИФИКАЦИОННЫХ УЧРЕЖДЕНИЙ.

1.1 Общие замечания.

1.2 Обобщенные формулы для линейных волновых нагрузок.

1.3 Нормирование нагрузок, обусловленных днищевым и бортовым слемингом.

1.4 Анализ результатов расчета по нормативным документам и по Нормам прочности.

2 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДЛЯ МЕТОДОВ ПРЯМОГО РАСЧЕТА ВОЛНОВЫХ НАГРУЗОК НА НЕРЕГУЛЯРНОМ ВОЛНЕНИИ.

2.1 Общие положения. Современное состояние проблемы определения волновых нагрузок па нерегулярном волнении прямым расчетом

2.2 Основные положения математической модели определения линейных волновых нагрузок на нерегулярном волнении с использованием спектральной теории.

2.3 Краткое описание математической модели поведения корпуса на нерегулярном волнении па основе имитационного моделирования

2.4 Общая постановка задачи прогнозирования волновых нагрузок на регулярном волнении.

3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОЛНОВЫХ НАГРУЗОК НА РЕГУЛЯРНОМ ВОЛНЕНИИ. ПОЛУЧЕНИЕ АЧХ ВОЛНОВЫХ ПЕРЕРЕЗЫВАЮЩИХ СИЛ И ИЗГИБАЮЩИХ МОМЕНТОВ.

3.1 Предлагаемая математическая модель оценки линейных волновых нагрузок, действующих па корпус судна на регулярном волнении.

3.1.1 Общие замечания.

3.1.2 Основные зависимости для получения амплитудно-частотных характеристик вертикальной волновой перерезывающей силы и вертикального волнового изгибающего момента в сечениях корпуса.

3.2 Определение нелинейных нагрузок, обусловленных слемингом и заливанием палубы на регулярном волнении.

3.2.1 Общие замечания.

3.2.2 Определение гидродинамической силы сопротивления погружению непрямостенных сечений корпуса судна в жидкость на основе уравнения Лагранжа.

3.2.3 Нагрузки при заливании палубы. ^

3.3 Определение дополнительных динамических перемещений при слеминге и заливаемости.

3.4 Динамические изгибающие моменты в сечениях корпуса судна на регулярном волнении, обусловленные воздействием иагрузки при слеминге и заливании палубы.

3.5 Приближенный метод линеаризации для прогнозирования изгибающих моментов, обусловленных слемипгом и заливаемостью на нерегулярном волнении на основе спектрального подхода. | ^

4 ОПИСАНИЕ АЛГОРИТМА ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТОВ.

4.1 Алгоритм математической модели метода прямого прогнозирования величин волновых нагрузок. Краткое описание программного комплекса, реализующего расчет.

4.2 Результаты расчета качки и волновых нагрузок в линейной постановке

4.3 Анализ результатов расчета динамических изгибающих моментов в сечениях корпуса при слеминге и заливаемости, а также суммарных изгибающих моментов.

4.4 Сопоставительный анализ результатов прямых расчетов с нормативными документами Классификационных обществ и Нормами прочности.

Анализ тенденций развития мирового морского транспортного судостроения позволяет выделить ряд общих положений, важных по их влиянию па процесс проектирования и обеспечения прочности судового корпуса.

Это в первую очередь продолжающийся непрерывный количественный рост по общему водоизмещению, дедвейту, суммарному объему перевозок, числу судов, их номенклатуре. Увеличилась напряженность использования транспортных судов за счет сокращения времени вспомогательных операций, повышения скорости хода, увеличения продолжительности межремонтных периодов. Суда относительно больший срок плавают в суровых погодных условиях. В настоящее время складываются, а далее еще более будут развиваться стабильные грузопотоки. Судно теперь часто выступает как элемент общей системы грузовых перевозок.

В связи с этим необходима узкая специализация судов и приспособление к ней архитектурного облика судов. Таким образом, изменение характера использования судов ведет к изменению и развитию общего конструктивно-архитектурного облика судов, и характера его эксплуатации.

Многообразие узкоспециализированных функций приводит к многообразию конструктивно-архитектурных типов и, как следствие, определяет возможное разнообразие конструктивных решений для конструкций корпуса. Возрастающие требования к эффективности производства усиливают необходимость более детального технического и экономического анализа вариаций принимаемых проектных решений по корпусу.

В связи со сказанным, с одной стороны, уменьшается возможность прямой экстраполяции опыта эксплуатации на вновь строящиеся суда. Требуется уточнение, а в ряде случаев разработка и создание методологических основ для обоснованного обобщения такого опыта и переноса его на современные условия.

С другой стороны, повышение требований к эффективности использования судов и, следовательно, к эффективности принимаемых конструктивных решений, в частности, по судовым конструкциям приводит к необходимости более глубокого изучения физики явлений, возникающих при эксплуатации судов.

Снижение аварийности транспортных судов в условиях морского волнения помимо развития средств навигационного обеспечения мореплавания обусловлено также совершенствованием методов расчета и проектирования корпусов судов.

Современные условия рыночной экономики, темпы развития производственных технологий также выдвигают перед создателями новых судов дополнительные требования конкурентоспособности их продукции.

В связи с этим, в последние годы интенсивно развивается процесс автоматизированного проектирования корпуса и, в частности, его конструкций [15], [23], [59], [60].

Современная теория проектирования судов не мыслима без применения электронно-вычислительной техники. Вычислительные средства, обеспечивающие реализацию теории и методов проектирования, в настоящее время объединяются в специализированные системы, получившие название систем автоматизированного проектирования (САПР). САПР начали разрабатываться практически одновременно с появлением и освоением первых высокопроизводительных ЭВМ. Первоначально, в качестве основной цели создания САПР рассматривалось снижение трудоемкости конструкторского труда.

Дальнейшее развитие автоматизированные системы проектирования получили в результате придания им интеллектуальных возможностей. Целью создания этого типа САПР явилось получение новых научных результатов проектного характера, поэтому они часто называются исследовательскими системами [1], [17], [23], [18], [62], [64].

Проблемы автоматизации проектно-конструкторских работ и дальнейшие исследования в области судостроения являются актуальной задачей для республики Вьетнам.

Одной из сложных и трудоемких проблем при проектировании, которая требует высокой квалификации проектанта, является параметрическое проектирование прочных элементов судовых конструкций, то есть определение размеров конструктивных элементов корпуса, обеспечивающих общую и местную прочность конструкций корпуса судна. Трудоемким является также процесс проверочных расчетов прочности, в частности, общей прочности корпуса.

В течение уже примерно 20 лет на кафедре конструкции судов Санкт-Петербургского Государственного Морского Технического Университета ведется комплекс исследований и практических разработок по созданию Системы автоматизированного параметрического проектирования связей корпуса транспортных судов (САППР) [16],[59],[60].

Важнейшей задачей при параметрическом проектировании является обеспечение общей и местной прочности конструкций корпуса судна. Поэтому обязательной составной частью САППР является блок определения внешних расчетных нагрузок, обеспечивающих предельную прочность и усталостную долговечность конструкций в течение заданного срока эксплуатации судов. Особенно важны внешние нагрузки, обусловленные воздействием на корпус морского волнения.

При плавании на взволнованной поверхности моря на корпус судна действуют статические и гидродинамические силы, вызывающие качку судна и связанные с ней силы инерции. Кроме этого в условиях интенсивного штормового волнения на корпус судна действуют дополнительные нагрузки от слеминга и заливания палубы, которые имеют динамический характер воздействия на корпус в целом. Можно отметить также нагрузку, связанную с волновой вибрацией (периодическим изменением давления воды с частотой, близкой к частоте упругих колебаний корпуса первого топа), возникающую при достаточно коротких волнах.

Традиционно результат взаимодействия судна и среды представляется в виде суммы двух составляющих - усилий на тихой воде и дополнительных усилий на волнении. Нагрузка на тихой воде зависит только от загрузки судна и обводов корпуса и управляема человеком.

Вторая же составляющая определяется в большей степени климатическими условиями акваторий, в которых эксплуатируются суда, что предопределяет случайный характер изменения ее параметров.

Методы оценки статической составляющей достаточно просты и хорошо отработаны. Определение усилий на тихой воде в каждом конкретном случае в настоящее время не встречает принципиальных затруднений.

Степень разработанности ряда вопросов, касающихся методов оценки нагрузки, связанной с воздействием волнения, до настоящего времени еще недостаточна для исчерпывающего решения проблемы внешних усилий.

Данная работа посвящена рассмотрению вопросов, связанных с решением этой проблемы на современном уровне в рамках САППР.

Для корпусов транспортных судов блок прогнозирования внешних сил является, как уже отмечено, составной частью общей САППР. Этот блок, в первую очередь, должен содержать программные модули, реализующие определение расчетных значений нагрузок на тихой воде и волновых нагрузок в соответствии с требованиями действующих нормативных документов. Для транспортных судов нормативными документами являются, в частности, Правила классификации и постройки морских судов Морского Регистра Судоходства России, а также нормативные документы других классификационных учреждений - классификационных обществ, входящих в Международную ассоциацию МАКО.

Однако для судов, имеющих характеристики, выходящие за интервалы, определенные нормативными документами, для проверочных расчетов, а также в исследовательских целях для прогнозирования возможных величин нагрузок используются специальные методики, основанные на непосредственном (прямом) решении задачи о поведении корпуса судна на нерегулярном морском волнеиии, которое описывается той или иной математической моделью этого процесса [28], [61].

Кроме того, в связи с ужесточением требований к условиям эксплуатации судна, связанным с ростом скорости перевозок, сокращением длительности по-грузо-разгрузочных операций, выявилось, что правила расчета не всегда обеспечивают в полном объеме проведение анализа поведения конкретной конструкции корпуса судна в условиях воздействия на нее реального нерегулярного волнения. Во многих случаях необходимо более точно учитывать и количественно определять зависимость поведения конкретного судна на волнении от параметров судна и окружающей его среды.

За последние 50 лет разработаны аналитические теории о волновых нагрузках, действующих на корпус морских судов, позволяющие более точно моделировать поведение корпуса судна на реальном морском волнении [28], [7]. Поэтому результаты, получаемые по аналитическим теориям о поведении и волновой нагрузке корпуса судна на волнения, имеют значение не только при параметрическом проектировании размеров элементов конструкций корпуса, но и при оценке других эксплуатационных характеристик корпусов судов:

- оптимальных скоростей и курсовых углов хода судна на волнении;

- оптимальных условий погрузки;

- систем крепления грузов;

- динамической остойчивости;

- эффективности силовых установок на волнении;

- устойчивости на курсе и маневренности судна.

Таким образом, кроме эмпирического метода определения волновых нагрузок по обобщенным формулам нормативных документов для определения волновых воздействий в настоящее время используется непосредственное (прямое) решение соответствующей гидродинамической задачи о внешних волновых нагрузках и непосредственное моделирование поведения корпуса судна в различных условиях эксплуатации на нерегулярном волнении.

Такой подход принято называть методом прямого расчета волновых нагрузок (direct calculation).

Разработка таких методов необходима, как для возможности дальнейшего совершенствования требований нормативных документов Классификационных учреждений, так и для прямого использования при проектировании и проверке прочности корпусов судов, для исследовательского проектирования, особенно корпусов судов новых типов, конструкции которых не охвачены действующими документами.

В настоящее время практически все классификационные общества имеют программное обеспечение для определения величин расчетных волновых нагрузок, в котором используются результаты гидродинамических и теоретико-вероятностных расчетов.

Алгоритмы соответствующих программных комплексов осуществляют в той или иной постановке непосредственное решение задачи о качке и величине волновых нагрузок, действующих на корпус судна в различных условиях эксплуатации на нерегулярном морском волнении, о величине расчетных нагрузок заданной обеспеченности.

В состав блока прогнозирования волновых воздействий на корпус в САППР должно быть включено такое программное обеспечение, реализующее метод прямого расчета (прямой метод расчета).

Уточнение способов расчета эксплуатационных нагрузок, действующих на корпусные конструкции в условиях волнении, использование методов прямого расчета в значительной мере определяет перспективы совершенствования конструкций корпусов судов.

Эти методы характеризуются двумя основными чертами: во-первых, учитывается вероятностная природа (случайность и нерегулярность) процессов изменения морского волнения и порождаемых им внешних сил; во-вторых, взаимодействие корпуса судна с водой рассматривается как сложное гидродинамическое явление.

Методы прямого расчета поведения корпуса на волнении и оценки волновых нагрузок базируются на двух проблемах различной сложности:

1) Определение вида зависимостей гидродинамических давлений или погонных нагрузок от параметров волн и кинематических параметров качки судна и, в общем случае, упругих перемещений корпуса, то есть решение гидродинамической задачи для жесткого или упругого корпуса (здесь возможна линейная и нелинейная постановки задачи);

2) Определение параметров качки и упругих перемещений корпуса.

Первая проблема включает задачи, решение которых даже для абсолютно жесткого корпуса представляет значительные трудности. Вторая сводится к решению системы обыкновенных дифференциальных уравнений.

При изучении силовых воздействий волнения на корпус судна, его традиционно принято считать полой коробчатой балкой переменного по длине поперечного сечения, непроницаемой снаружи и свободно плавающей на воде. При этом внешние волновые воздействия должны быть представлены в виде таких интегральных характеристик от волновых гидродинамических и гидростатических давлений, как волновые перерезывающие силы, изгибающие и крутящие моменты в сечениях корпуса.

Для расчета изгибных напряжений в сечениях корпуса от общего изгиба и решения задачи обеспечения его общей прочности достаточно знать величины изгибающего момента в сечениях корпуса. Изгибающий момент является интегральной нагрузкой от гидродинамических и гидростатических давлений по контуру сечений корпуса и по длине корпуса. Изгибающий момент в данном сечении линейно связан с изгибными напряжениями от общего изгиба корпуса, поэтому он может рассматриваться в качестве реакции корпуса, определяющей его общую прочность.

Отметим, что в данной работе основное внимание уделено задаче оценки вертикального изгибающего момента в сечениях корпуса, определяющего общую прочность корпуса в диаметральной плоскости на нерегулярном морском волнении. При этом рассмотрено прогнозирование величин так называемого волнового изгибающего момента, определяемого в линейной постановке в предположении прямостенпости бортов корпуса, неограниченности его осадки и высоты борта, и так называемого дополнительного динамического изгибающего момента, обусловленного бортовым, днищевым слемингом и заливанием палубы, а также суммарного изгибающего момента, как суммы этих двух моментов.

С 60-х годов прошлого века, в океанографии были разработаны способы описания нерегулярного волнения как случайного процесса, и его статистические характеристики начали интенсивно накапливать и систематизировать. Вместе с этим стали существенно меняться методы расчета на прочность корпуса судна [19], [22], [26], [36], [49].

Судно стало рассматриваться как динамическая система, на которую действует входной случайный процесс - морское нерегулярное волнение, в связи с чем, реакции корпуса на волнение будут представлять собой тоже случайные процессы. Для случайного процесса любой реакции корпуса при известном законе распределения амплитуд волнения можно установить связь между значением реакции и вероятностью ее появления или превышения.

Появилась возможность определять величины случайных процессов волновых нагрузок, характеризующих воздействие нерегулярного морского волнения на конструкции судового корпуса, с любой заданной степенью риска их превышения при фиксированной интенсивности волнения, соответствующей конкретному участку моря и конкретному времени. Получаемый кратковременный прогноз относится только к одной интенсивности волнения на конкретной акватории в определенное время. Законы математической статистики позволяют устанавливать и долговременные прогнозы, относящиеся ко всему сроку службы судна, если известно, какую часть этого срока судно находится на том или ином участке моря при той или иной интенсивности волнения. Это дополнительно требует знания повторяемости морского волнения на различных участках моря в различные периоды года.

Введение возможности оценки расчетных величин внешних нагрузок на основе методов прямого моделирования поведения корпуса па волнении в САППР является первым шагом к анализу прочности корпуса по абсолютным значениям нагрузок.

Методы прямого расчета позволяют еще на стадии проектирования определять комбинации периода волнения, скорости хода, курсового угла, приводящие к наибольшим нагрузкам для различных вариантов загрузки данного судна и для различных судов.

Методы прямого расчета и прогнозирования величин внешних волновых нагрузок, в частности изгибающих моментов, на нерегулярном волнении с учетом динамических воздействий при слеминге и заливаемости могут быть основаны на одном из двух подходов.

Первый, традиционный и более развитый в настоящее время, подход состоит в раздельном рассмотрении проблемы определения параметров качки судна и волновых низкочастотных воздействий, в частности, так называемых, волновых изгибающих моментов на основе линейной теории волн и линейной гидродинамической теории качки, и дальнейшей оценке нелинейных нагрузок, связанных с явлениями слемипга и заливания палубы, по известным из линейной задачи кинематическим параметрам движения судна на волнении. Учет слеминга и заливания палубы соответствует учету геометрической нелинейности при оценке волновых воздействий. Отметим, что другие виды нелинейности, в частности, нелинейная теория волн, в работе не рассматриваются.

Таким образом, суммарную нагрузку, действующую на корпус судна на волнении, условно разделяют на две составляющие - волновую, линейно связанную с высотой волны и качкой судна, обуславливающую относительно медленный изгиб корпуса на волнении и дополнительную динамическую (ударную) нагрузку, нелинейно зависящую от высоты волны и перемещений корпуса, обуславливающую дополнительные динамические перемещения корпуса судна.

В итоге общая задача определения внешних сил, действующих на корпус судна на волнении, разделяется на две задачи: первая задача - вычисление волновых давлений и, так называемых, квазистатических волновых изгибающих моментов на основе теории линейной продольной качки в предположении прямо-стенности корпуса, неограниченности осадки и высоты борта; а вторая - нахождение дополнительных динамических давлений и дополнительных динамических изгибающих моментов, вызванных слемингом и заливаемостыо палубы.

Для расчета волновых воздействий в линейной постановке на нерегулярном волнении в этом подходе используется хорошо разработанный аппарат корреляционного варианта спектральной теории. Решение ведется в частотной области с использованием частотного спектра волнения и амплитудно-частотных характеристик реакций корпуса (АЧХ) [7], [27], [28], [75], [76], [77].

Второй подход предполагает решение задачи о поведении корпуса на нерегулярном волнении с учетом слеминга и заливаемости на базе имитационной стохастической модели. Такой подход позволяет отказаться от традиционного условного разделения нагрузок на линейно зависящие от высоты волны и нелинейно зависящие от этого параметра. Решение ведется во временной области с использованием прямой характеристики волнения - его реализации во времени [28], [24], [77], [56]. Этот подход находится в стадии развития и его использование для целей настоящей работы пока не представляется возможным.

Задача определения волновых нагрузок в линейной постановке на базе АЧХ исследована в настоящее время достаточно хорошо. По-видимому, можно считать законченным определенный этап развития этого прямого метода оценки волновых нагрузок при рассмотрении задачи в частотной области. Выполнен подробный анализ спектров волнения, произведена их унификация. Разработаны достаточно надежные математические модели для расчета АЧХ, то есть реакций корпуса на регулярное волнение, хорошо согласующиеся с экспериментальными данными. Накоплен обширный материал по повторяемости волнения и обеспеченности высот волн и периодов [12], [19], [20], [35].

Однако есть место для дальнейшего развития и уточнения факторов, влияющих на результаты такого подхода оценки волновых нагрузок. Это связано с учетом нагрузок, вызываемых такими нелинейно-зависящими от высоты волны явлениями как слеминг (днищевой и бортовой) и накат волны на палубу, которым подвержены суда на интенсивном волнении.

Задача расчета и прогнозирования величин этих нестационарных нелинейных нагрузок, имеющих динамический характер воздействия на корпус, для нерегулярного волнения не имеет законченного решения, поскольку спектральная теория разработана для линейных систем. Особенно значительные сложности возникают при суммировании волновых линейных и дополнительных динамических изгибающих моментов в сечениях корпуса.

Сказанное определяет актуальность данной работы, которая посвящена исследованиям и разработкам ряда вопросов, связанных с оценкой внешних волновых нагрузок с учетом слеминга и заливаемости применительно к задаче их прогнозирования методом прямого расчета в рамках САПГТР на базе спектрального подхода.

Работа является развитием и обобщением исследований, посвященных проблеме автоматизации процесса параметрического проектирования судовых конструкций морских транспортных судов, выполняющихся па кафедре Конструкции судов Санкт-Петербургского Государственного Морского Технического Университета. Из этой сложной и комплексной проблемы рассмотрена часть вопросов, в решении которых принял участие автор.

Целью работы является совершенствование методики расчетного прогнозирования величин волновых нагрузок на нерегулярном волнении с учетом явлений днищевого, бортового слеминга и заливания палубы для использования в рамках САППР при исследовательском проектировании, при выполнении проверочных расчетов, при определении безопасных условий плавания по различным параметрам с помощью бортового компьютера.

В работе выбрана обоснованная, надежная, удобная для программирования и пригодная для практического применения при проектировании корпусных конструкций математическая модель учета влияния нагрузок от слеминга, дополненная учетом заливаемости палубы.

Сформулирован метод, позволяющий последовательно решить необходимые задачи. Метод основан на применении спектральной теории при рассмотрении нерегулярного волнения и обеспечивает единый подход при прогнозировании величин линейных и нелинейных изгибающих моментов. Для чего использован разработанный на кафедре Конструкции судов СПбГМТУ и опробованный в работе [63], [14] оригинальный приближенный подход для получения спектральной плотности и стандартов нагрузок с учетом слеминга. Метод базируется на непосредственной линеаризации нелинейных по высоте волны амплитудно-частотных характеристик реакций корпуса, в частности, изгибающих моментов, определенных для регулярного волнения.

В связи с этим задача определения дополнительных нагрузок при слеминге и заливании палубы решается сначала во временной области для регулярного волнения, затем после линеаризации осуществляется переход к нерегулярному волнению с использованием спектрального преобразования.

Разработанный аппарат предназначен для углубленного расчетного анализа волновых нагрузок, действующих на корпус судна с заданными характеристиками формы и распределением весовой нагрузки при днищевом, бортовом слеминге и заливаемости палубы. Предусмотрена оценка влияния слеминга и заливаемости на величины максимальных расчетных нагрузок - перерезывающих сил, изгибающих моментов на нерегулярном волнении. Рассмотрен также ряд других реакций корпуса.

Предлагаемая математическая модель реализована в виде программного комплекса, с помощью которого выполняется расчет от автоматизированного задания исходных данных по судну и условиям его движения до получения конечного результата: краткосрочных и долговременных распределений ряда реакций корпуса с учетом нагрузок при слеминге и заливаемости.

Для достижения поставленной цели выполнен ряд частных исследований. Центральное место здесь занимает сопоставительный анализ требований нормативных документов классификационных учреждений, решение задачи об учете заливания палубы в общей проблеме учета нестационарных нелинейных воздействий волнения на корпус при бортовом слеминге в носовой части корпуса и в кормовой части и дальнейшее развитие и апробация использования спектрального подхода для оценки нагрузок на нерегулярном волнении с учетом нелинейных составляющих.

Основным содержанием работы является рассмотрение следующих вопросов:

1) Выявление требований по определению волновых нагрузок, определяющих общую прочность судовых конструкций, в нормативных документах различных классификационных учреждений;

2) Оценка этих требований для ряда транспортных судов различных типов;

3) Сравнительный анализ результатов, полученных по требованиям различных классификационных обществ, входящих в МАКО;

4) Развитие математической модели для учета влияния наката волны на верхнюю палубу на поведение судна и величины волновых воздействий на нерегулярном волнении;

5) Обоснование математической модели, модернизация и тестирование программного обеспечения для прогнозирования линейных и нелинейных волновых нагрузок (при слеминге и заливаемости палубы) на нерегулярном волнении методом прямого расчета при едином подходе на основе корреляционного варианта спектральной теории волнения;

6) Расчет стандартов, краткосрочных и долговременных распределений линейных волновых, нелинейных динамических и суммарных с учетом фазы действия изгибающих моментов в сечениях по длине корпуса, а также ряда других процессов, характеризующих и обуславливающих прочность и мореходность корпусов судов на волнении для судов разных типов. Оценка величии искомых процессов с заданной вероятностью превышения (с заданной обеспеченностью);

7) Анализ зависимостей рассмотренных процессов от параметров волнения, характера движения судов и индивидуальных особенностей корпусов;

8) Сопоставительный анализ результатов расчета, полученных с использованием программного комплекса и по требованиям нормативных документов.

Работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы.

В первой главе рассмотрены, обобщены и сопоставлены требования нормативных документов различных классификационных учреждений, входящих в Международную Ассоциацию Классификационных Обществ (МАКО) к определению расчетных внешних волновых нагрузок для транспортных судов и выполнен сопоставительный анализ результатов расчетов по рассмотренным нормативным документам.

Рассмотрены рекомендации, содержащиеся в нормативных документах следующих классификационных учреждений: Американского Бюро Судоходства 2000 (АБС.00) и 2007 (АБС.07), Английского Ллойда 2000 (АЛ.00), Российского Морского Регистра Судоходства 2003 (РМРС.03), Германского Ллойда 1998 (ГЛ.98), 2000 (ГЛ.00) и 2007 (ГЛ.07), Норвежского Бюро Веритас 2000 (НБВ.00), а также в Нормах прочности морских судов Регистра СССР 1991 (НП.91), Нормах прочности морских судов Российского Регистра 2002 (НП.02).

Рассмотрены следующие волновые нагрузки: волновые в линейной постановке, динамические, обусловленные днищевым и/или бортовым слемипгом, суммарные перерезывающая сила и изгибающий момент в различных сечениях по длине корпуса. Анализ выполнен для четырех транспортных судов разных типов: контейнеровоза, судна типа Ро/Ро, навалочника и танкера, при двух состояниях загрузки - в грузу и в балласте.

Вторая глава посвящена рассмотрению статистико-вероятностных подходов к прогнозированию величин волновых нагрузок на нерегулярном волнении. Обсуждено современное состояние проблемы определения нагрузок на нерегулярном волнении методами прямого расчета.

Рассмотрена постановка задачи, принятая в работе. Дано подробное описание математической модели вероятностной оценки волновых нагрузок на нерегулярном волнении на базе использования корреляционного варианта спектральной теории случайных процессов, которая лежит в основе предлагаемого в работе прямого метода прогнозирования величин изгибающих моментов в сечениях корпуса.

Рассмотрен возможный вариант метода прямого исследования поведения корпуса судна на нерегулярном волнении на основе имитационного моделирования.

В третьей главе рассмотрены вопросы, связанные с прогнозированием линейных и нелинейных нагрузок, обусловленных такими явлениями на интенсивном штормовом волнении, как днищевой слемииг, бортовой слеминг, накат воды па палубу на регулярном волнении. Подробно рассмотрена задача оценки линейных нагрузок на регулярном волнении и построения АЧХ волновых нагрузок, как составная часть общей проблемы.

Получены зависимости для расчета гидродинамических нагрузок при сле-минге с использованием энергетического подхода, а также приближенное решение для задачи заливаемости палубы на регулярном волнении.

Производится учет явления заливаемости палубы, которое сопровождает во многих случаях бортовой слеминг, при оценке дополнительных динамических перемещений корпуса, перерезывающих сил и изгибающих моментов в сечениях корпуса.

Рассмотрен метод линеаризации нелинейных по высоте волны амплитудных характеристик для возможности перехода к оценке перерезывающих сил, изгибающих моментов и других реакций корпуса на нерегулярном волнении на основе спектрального подхода.

В четвертой главе дается общее описание алгоритмов модернизированного с участием автора программного комплекса, реализующего предложенный метод расчета линейных и нелинейных нагрузок (при слеминге и заливаемости палубы) на нерегулярном волнении, приведен анализ результатов расчета величин изгибающих моментов, полученных с использованием разработанного программного комплекса и сопоставление этих результатов с результатами, рассчитанными по нормативным документам. Впервые в российской практике рассмотрен вопрос о бортовом слеминге в кормовой части судна.

В заключении сформулированы основные результаты исследований, представленных в диссертации.

Основные результаты диссертации могут быть сформулированы следующим образом:

1) Выполнен анализ требований по определению волновых нагрузок, определяющих общую прочность судовых конструкций, в нормативных документах ряда классификационных учреждений, входящих в МАКО. Оценены эти требования для четырех современных проектов транспортных судов различных типов и размеров. Дан сравнительный анализ расчетных волновых нагрузок;

2) Предложена математическая модель для оценки линейных волновых и нелинейных динамических нагрузок при слеминге и заливании палубы на нерегулярном волнении. Сформулирован метод прямого расчетного прогнозирования величин волнового, динамического при слеминге и заливании палубы, а также суммарного изгибающих моментов в сечениях корпуса на нерегулярном волнении с учетом корреляционной связи двух моментов. Метод позволяет оценивать также ряд других реакций корпуса;

3) Разработаны алгоритмы и создан при участии автора прикладной программный комплекс, который обеспечивает возможность последовательного расчета процессов слеминга и заливания палубы, и оценки их влияния па величину изгибающего момента в сечениях корпуса на регулярном и нерегулярном волнении. Рассчитываются стандарты и краткосрочные распределения реакций корпуса для заданных стационарных режимов нерегулярного волнения, а также их долговременные распределения и величины заданной обеспеченности;

4) Выполнены численные эксперименты для 4-х судов, на основании которых:

- исследованы закономерности изменения линейного волнового, дополнительного динамического и суммарного изгибающих моментов в сечениях корпуса при изменении параметров движения судна и параметров регулярного и нерегулярного волнения;

- исследовано влияние упругости корпуса на величины динамического и суммарного изгибающего момента в сечениях корпуса на регулярном и нерегулярном волнении;

- исследовано влияние носового и кормового слеминга, а также сопровождающей слемипг заливаемости на величины динамического и суммарного изгибающих моментов на регулярном и нерегулярном волнении;

- приведено сопоставление результатов расчета прогибающего и перегибающего изгибающих моментов по прямому методу и по Правилам классификационных учреждений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Александров B.JL, Матлах А.П., Нечаев Ю.И., Поляков В.И., Ростовцев Д.М. Интеллектуальные системы в морских исследованиях и технологиях. - СПб.: ГМТУ, 2001.

2. Бельгова М.А. Изгибающие моменты для судов внутреннего плавания на волнении.-Л.: Судостроение, 1966.

3. Березницкий A.B., Постнов В.А. Численная оценка влияния различных факторов на гидродинамические силы при днищевом слеминге. Труды конференции по СМК, посвященной памяти акад. Ю.А. Шиманского. СПб.: 2001.

4. Бойцов Г.В., Кноринг С.Д. Прочность и работоспособность корпусных конструкций. Л.: Судостроение, 1972, 264 с.

5. Бойцов ГВ., Кудрин М.А. Оценка влияния слеминга на усталостную прочность продольных связей корпуса. Труды конференции по СМК, посвященной памяти акад. Ю.А. Шиманского. СПб.: 1999.

6. Бойцов ТВ., Кудрин М.А. Оценка влияния динамической составляющей внешних нагрузок на усталостную долговечность корпуса. Труды конференции по СМК, посвященной памяти проф. П.Ф. Папковича. СПб.: 2000.

7. Бойцов ГВ., Палий О.М. Прочность и конструкция корпуса судов новых типов. -Л: Судостроение, 1979,360 с.

8. Болотин В.В. Статистические методы в строительной механике. М.: Изд-во литературы по строительству, 1965.

9. Болотин В.В. Применение методов теории вероятностей и теории надежности в расчетах сооружений. -М.: Изд-во литературы по строительству, 1971.

10. Ю.Бородай И.К., Нецветаев Ю.А. Качка судов на морском волнении. Л.: Судостроение, 432с.

11. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: 1962. 564 с.

12. Ветер и волны в океанах и морях. Справочные данные. Под ред. И.Н. Давидана, Л.И. Лопатухина, В.А. Рожкова. Л.: Транспорт, 1974, 359 с.

13. Галахова З.И., Рабинович О.Н., Ростовцев Д.М. Учет заливаемости палубы понтонов в задаче оценки внешних волновых нагрузок, действующих на корпус ППБУ. Труды ЛКИ. Прочность и надежность судовых конструкций, 1982, с.20-27.

14. М.Галахова З.И. Внешние силы, действующие на полупогружные платформы в режиме перегона на волнении. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Л.: 1984.

15. Гайкович А.И. Проблемы разработки САПР кораблей и судов нового поколения. Сборник Материалы конференции Моринтех-95. СПб.: 1995.

16. Гарин Э.Н., Ю.А. Смирнов, Тряскин В.Н. Методология параметрического проектирования в специализированных САПР судовых конструкций. СПб.: Труды конференции МОРИНТЕХ 1997, т.4, с. 270-273.

17. Губкин С.А. Особенности развития теории исследовательского проектирования кораблей и его автоматизации иа современном этапе. Сборник Материалы конференции Моринтех-95,-СПб.: 1995.

18. Губкин С.А. Особенности информационного обеспечения систем автоматизированного исследовательского проектирования. Программные продукты и системы, 1993, №4.

19. Давидан И.Н., Лопатухин Л.И., Рожков В.А. Ветровое волнение как вероятностный гидродинамический процесс. Л.: Гидрометеоиздат, 1978, 287 с

20. Давидан И.Н., Лопатухин, Рожков В.А. Ветровое волнение в Мировом океане. -Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 256 с.

21. Екимов В.В. Вероятностные методы в строительной механике корабля. Л.: Судостроение, 1966.

22. Захаров И.Г. Теория компромиссных решений при проектировании корабля. -Л.: Судостроение, 1987.

23. Картузова Т.А., Ростовцев Д.М., Рабинович О.Н. Оценка волновых и вибрационных моментов, действующих на корпус судна в условиях нерегулярного волнения. Труды ЛКИ. Строительная механика и прочность судовых конструкций, 1981, вып. 160, с.41-48.-Л.: 1981.

24. Козляков В.В., Курдюмов A.A. Прочность корабля. Учебное пособие, ЛКИ, 1966, 100с.

25. Короткин Я.И. Вопросы прочности морских транспортных судов. Л.: Судостроение, 1965, 388с.

26. Короткин Я.И., Ростовцев Д.М., Сивере Н.Л. Прочность корабля. Л.: Судостроение, 1974, 432 с.

27. Короткин Я.И., Рабинович О.Н., Ростовцев Д.М. Волновые нагрузки корпуса судна. Л.: Судостроение, 1987, 235 с.

28. Крыжевич Г.Б. Учет пространственности обтекания носовой оконечности судна при оценке динамических нагрузок на корпус. Труды конференции по СМК, посвященной памяти проф. П.Ф. Папковича, с. 36-37. СПб.: 2002.

29. Кудрин М.А. Анализ влияния формы носовой оконечности судна на величину динамического изгибающего момента. СПб.: ВНТО им.акад. А.Н.Крылова, 1993, вып.529, с.34-48.

30. Курдюмов A.A. Вибрация корабля. -JI.: Судпромгиз,. 1961.

31. Курдюмов A.A. Прочность корабля. -JL: Судпромгиз, 1956, 384с.

32. Курдюмов A.A. Применение статистического метода в строительной механике корабля.-Л.: Изд-во ЛКИ, 1962.

33. Лопатухин Л.И. Анализ распределений элементов волн. Труды ВНИИГМ и МЦД, 1974, вып. 1, с. 116-142.

34. Максимаджи А.И. Прочность морских транспортных судов. Л.: Судостроение, 1976,311 с.

35. Матлах А.П., Нечаев Ю.И., Поляков В.И. Концепция создания морских тренажерных систем новых поколений. В сб. Материалы конференции Моринтех-2003.-СПб.: 2003.

36. Нормы прочности морских судов Регистра СССР 1991.

37. Сборник нормативно-методических материалов. Российский морской регистр судоходства 2002.

38. Осипов O.A. Изгибающие моменты, действующие на корпус судна при ударе волн в развал бортов. Тезисы докладов на Всесоюзной НТК «Проблемы прочности и надежности конструкций перспективных транспортных судов и плавучих сооружений».-Л.: 1979.

39. Пашин В.М. Оптимизация судов. Л.: Судостроение, 1983.

40. Повицкий A.C. Посадка гидросамолетов. Труды ЦАГИ, 1939, вып.423.

41. Повреждения судовых конструкций. Н.В. Барабанов, Н.А.Иванов, В.В.Новиков и др. Л.: Судостроение, 1977.

42. Повреждения и пути совершенствования судовых конструкций/ Н.В .Барабанов, И.А.Иванов, В.В.Новиков и др. Л.: Судостроение, 1989.

43. Постнов В.А., Калинин В.О., Ростовцев Д.М. Вибрация корабля. Л.: Судостроение, 1983, 248 с.

44. Постнов В.А., Тарануха H.A., Чижиумов С.Д. Проектирование формы носовой оконечности судна с учетом нагрузок при слеминге. СПб.: Судостроение 2001, №5.

45. Правила классификации и постройки морских судов. Российский Морской Регистр судоходства 1995.

46. Правила классификации и постройки морских судов. Российский Морской Регистр судоходства 2003.

47. Путов Н.Е. Проектирование конструкций корпуса морских судов часть II. Л.: Судостроение, 1977.

48. Рабинович О.Н., Ростовцев Д.М. Гидродинамические нагрузки в носовой части, возникающие от днищевого слеминга на регулярном волнении. Механика и прочность судовых конструкций. Л.: Труды ЛКИ, 1980, С.75-82.

49. Рабинович О.Н., Смирнов Ю.А., Тряскин В.Н. Прогнозирование волновых нагрузок на корпуса судна с учетом слеминга на нерегулярном волнении. Труды ЦНИИ им. академика А.Н.Крылова, вып. 23(307), СПб. 2005, с. 79-92.

50. Ремез Ю.В. Качка корабля. Л.: Судостроение, 1983, 328с.

51. Родионов A.A. Математические модели автоматизированного проектирования корпуса. В сб. Материалы конференции Моринтех-95. -СПб.: 1995.

52. Ростовцев Д.М. Гидроупругие колебания судовых конструкций. Учебное пособие.-Л.: ЛКИ, 1977.

53. Суслов В.П. Об экстремальных волновых нагрузках, действующих на корпуса судов на морском волнении. Труды НКИ, 1978. Вып. 136. С. 15-22.

54. Суслов В.П., Сердюченко А.Н. Динамическая структура морского волнения и вопросы оценки экстремальных волновых нагрузок на корпуса судов. Труды НКИ, вып. 136, 1978.

55. Справочник по строительной механике корабля, т.З, раздел V. Л.: Судпромгиз, 1960.

56. Хаскинд М.Д. Гидродинамическая теория качки корабля. -М.: Наука, 1973.328с.

57. Худяков JI.IO. Исследовательское проектирование кораблей. JL: Судостроение, 1980.

58. Хо Куанг Туан. Прогнозирование ударных волновых нагрузок на конструкции корпуса судна. Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук. СПб.: 2004,28с.

59. Четвертаков М.М. Технология математического моделирования при автоматизированном исследовательском проектировании корабля. Сборник Материалов конференции Моринтех-95.-СПб.: 1995.

60. Чувиковский Г.С. Условия безударного плавания судна на волнении. Журнал «Судостроение» № 6, 1965.

61. Чувиковский Г.С. Динамический изгиб корпуса при ударе о встречные волны. Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, вып.245, 1968.

62. Шиманский Ю.А. Динамический расчет судовых конструкций. Д.: Судпром-гиз, 1948.

63. American Bureau of Shipping. Rules for Building and Classing Steel Vessels 2000, 2007.

64. Lloyd's Register of Shipping. Rules and Regulation for the Classification of Ships 2000.

65. Germanischer Lloyd. Rules for Classification and Construction Ship Technology 1998.

66. Germanischer Lloyd. Rules for Classification and Construction Ship Technology 2000, 2007.

67. Det Norske Veritas. Rules for Classification of Ships 2000.

68. IACS. Common Structural Rules for Bulk Carriers 2006.

69. IACS. Common Structural Rules for Double Hull Oil Tankers 2006.

70. ISSC. Proceedings of the 14th international ship and offshore structures congress 2000.

71. ISSC. Proceedings of the 15th international ship and offshore structures congress 2003.

72. Ship Structures Symposium '93. 1993 Arlington, Virginia.

73. Adegeest, L., Braathen, A. and Vada, T. (1998). "Evaluation of Methods for Estimation of Extreme Nonlinear Ship Reponses Based on Numerical Simulations an Model Tests", Proc. 22nd Symp. on Naval Hydrodynamics, Washington, D.C., pp. 70-84.

74. Beck, R.F. and Reed, A.M. (2001). "Modern Computational Methods for Ships in a Seaway", SNAME Transaction, 109, pp. 1-51.

75. Liut, D.A., Weems, K.W. and Lin, W.M. (2002). "Nonlinear Green Water Effects on Ship Motions and Structural Load", Proc. 24th Symp. on Naval Hydrodynamics, Fu-kuoka, Japan.