автореферат диссертации по транспорту, 05.22.19, диссертация на тему:Оценки безопасных условий ледового плавания судов с применением CAE-систем

На правах рукописи

Лобанов Василий Алексеевич

ОЦЕНКИ БЕЗОПАСНЫХ УСЛОВИИ ЛЕДОВОГО ПЛАВАНИЯ СУДОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ САЕ-СИСТЕМ

Специальность 05.22.19 - Эксплуатация водного транспорта, судовождение

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

005546554

о 3 ДПР 2014

Н.Новгород-2014

005546554

Работа выполнена в Федеральном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волжская государственная академия водного транспорта» (ФБОУ ВПО «ВГАВТ»).

Официальные оппоненты:

Васьков Анатолий Семёнович - доктор технических наук, профессор, государственный морской университет им. адмирала Ф.Ф.Ушакова (Новороссийск), профессор.

Грамузов Евгений Михайлович — доктор технических наук, профессор, Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е.Алексеева, профессор.

Сазонов Кирилл Евгеньевич - доктор технических наук, начальник лаборатории, ФГУП «Крыловский государственный научный центр» (Санкт-Петербург).

Ведущая организация: Федеральное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новосибирская государственная академия водного транспорта».

Защита диссертации состоится « 13 » мая 2014 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 223.001.01 на базе Волжской государственной академии водного транспорта в ауд. 231 по адресу: 603 950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, д. 5а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФБОУ ВПО «ВГАВТ», а также по ссылке ЬИр:/Лу\у\у.у§ау1:-nn.ru/science тпоуа^оп/Шез1з/018егЬоЬапоу^осх

Автореферат разослан

«

2014 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В настоящее время сохраняется необходимость в ледовом плавании судов. Она обусловлена рядом причин как объективного, так и субъективного характера. Ледовая навигация всегда связана с повышенной вероятностью получения повреждений судами. Снижение рисков таких повреждений - первоочередная задача научно-оперативного обеспечения судоходства во льдах.

Основная научно-техническая деятельность автора связана с оценками безопасных условий ледового судоходства на внутренних водных путях России и в прибрежном плавании. За последнее десятилетие флот внутреннего и смешанного река-море плавания в дополнение к реконструированным пополнился новыми грузовыми судами. В настоящее время активно расширяются транспортные коридоры «Север-Юг» и «Запад-Восток», внутренние водные пути России открываются для прохода иностранных судов. Интенсивное освоение новых выгодных грузопотоков, нежелание потерь фрахта, выполнение договорных обязательств различными судовладельцами, арендаторами флота, стивидорными компаниями вынуждают их эксплуатировать свои суда максимально интенсивно и по возможности круглогодично. Последнее, как правило, связано с риском работы судов во льдах. Недостаточная компетентность судовладельцев, арендаторов, агентов и судоводительского состава в оценке ледовых качеств своих судов и интерпретации ледовых явлений дополнительно провоцирует попадание флота в нежелательные ледовые обстоятельства.

Таким образом, задача обеспечения безопасности ледового плавания данного флота в различных прибрежных регионах России является актуальной, что подтверждается достаточно высоким уровнем его ледовой аварийности. Особо остра эта проблема для грузового флота, эксплуатируемого в битых льдах, потому что более 90% ледовых повреждений связано именно с данным видом плавания.

В последние годы под эгидой Международной морской организации ведётся формирование Полярного Кодекса. Принятие этого документа призвано узаконить общие нормы, требования и правила эксплуатации, обеспечения безопасности плавания судов, охраны человеческой жизни и предотвращения загрязнения в полярных во-

дах, покрытых льдами. При этом главным условием обеспечения безопасности ледового судоходства признано соответствие ледовых качеств судов ледовым условиям и режимам плавания.

Однако значительная пространственно-временная изменчивость ледовых условий и явлений в сочетании со сложностью их надёжного прогнозирования часто не позволяет соблюдать этот основополагающий принцип. Поэтому следует ожидать, что принятие Кодекса повлечёт за собой разработку ряда национальных нормативов, регламентирующих ледовое плавание судов (в том числе и в неарктических водах). Первый шаг в создании подобных документов уже сделан. Так в декабре 2011 года Российский морской регистр судоходства (РМРС) издал циркулярное письмо, согласно которому судам ему поднадзорным и осуществляющим ледовые плавания рекомендуется иметь специальный документ - Свидетельство о допустимых условиях ледового плавания (Свидетельство).

Этот документ призван уточнить и конкретизировать ледовые качества судна и условия его безопасной эксплуатации во льдах. Он выдаётся РМРС по заявке судовладельца после освидетельствования судна. При этом освидетельствованию должна предшествовать обязательная экспертная оценка его ледовых качеств. Она выполняется компетентной организацией, признанной для этих целей РМРС (ВГАВТ имеет такой статус). Результаты экспертизы, оформленные, например, в виде Ледового паспорта судна, учитываются при составлении Свидетельства.

Для современного судовладельца процедура получения экспертного заключения о ледовых качествах судна на основе натурных или модельных экспериментов, как правило, неприемлема по причинам экономического характера. Применение для этих целей классических полуэмпирических методик ограничено. Поэтому для решения экспертных ледовых проблем в настоящее время начинают использоваться САЕ-системы.

Инженерная практика автора была неоднократно связана с экспертной оценкой последствий ледовых аварий или происшествий на объектах водного транспорта, разработкой проектов оптимизации защиты судов от возможного ледового воздействия. Опыт показал, что существует обширный круг частных задач маневрирования судов в различных ледовых условиях, взаимодействия гидротехнических сооружений с ледяным покровом, решения которых на базе

традиционных аналитических методик неадекватны. Поэтому для повышения достоверности выводов в достаточном ряде случаев эксперты также вынуждены были прибегать к моделированию ситуации с помощью САЕ-систем.

Цель работы. Цель работы - это адаптация САЕ-систем для прогнозирования основных ледовых качеств судов при решении задач безопасности ледового судоходства на основе современных многоядерных персональных вычислительных систем.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования выступает динамическая система судно - лёд - вода. Предметом исследования являются результаты взаимодействия управляемого судна с водоледяной средой (особенности движения и маневрирования, повреждения корпуса и устройств).

Научная новизна работы. Научную новизну диссертации составляют теоретические и экспериментальные исследования, в результате которых:

- разработана реологическая модель льда для условий его взаимодействия с корпусом судна и движителями;

- обоснованы алгоритмы контактного взаимодействия тел в системе судно - лёд - вода;

- разработаны приёмы адаптации САЕ-систем для оценок ледо-вогидродинамического воздействия на суда и гидротехнические сооружения;

- получены результаты моделирования, обоснованно и принципиально противоречащие утверждениям ряда традиционных полуэмпирических методик или существенно их уточняющие при решении задач безопасности ледового судоходства (в области ходкости, управляемости, прочности);

- предложено и апробировано новое направление в проведении экспертизы ледовых качеств судов и отображения её результатов в нормативных документах по безопасности ледового плавания судна с применением современных компьютерных технологий.

Достоверность результатов. Адекватность разработанных или обоснованно выбранных моделей материалов и контактных алгоритмов подтверждена обширными литературными данными, использованными для этого, а также авторскими постановками натурных экспериментов. Достоверность результатов моделирования взаимодействия различных судов с водоледяной средой подтвер-

ждена данными, опубликованными в печатных изданиях и отчётах по НИР ГИИВТа (в настоящее время ВГАВТ), ЛИВТа (в настоящее время СПбГУВК), ГПИ (в настоящее время НГТУ им. Р.Е.Алексеева).

Личный вклад автора в научные исследования. Представленные в диссертации:

-разработки реологической модели льда для условий его взаимодействия с корпусом судна и движителями;

-обоснование алгоритмов контактного взаимодействия тел в системе судно-лёд-вода;

-приёмы адаптации САЕ-систем для оценок ледовогидродина-мического воздействия на суда и гидротехнические сооружения;

-результаты моделирования, принципиально противоречащие ряду базовых утверждений аналитических методик или существенно их уточняющие при решении краткосрочных задач безопасности ледового судоходства;

-новое направление в проведении экспертизы ледовых качеств судов и отображения её результатов в нормативных документах по безопасности ледового плавания судна с применением современных компьютерных технологий выполнены или получены непосредственно автором при использовании лицензионного компьютерного программного обеспечения, которому предшествовал этап его самостоятельного изучения.

Практическая ценность работы. Практическая значимость диссертации подтверждена разработкой и внедрением под руководством РМРС ряда нормативных документов по безопасности ледового судоходства - Свидетельства о допустимых условиях ледового плавания судна и ледового паспорта судна (Выходной документ научно-исследовательской работы по теме №34/09/1101 «Разработать ледовые паспорта танкеров пр. 19614»),

Методические подходы, предложенные в диссертации, неоднократно использовались в составе хоздоговорных работ при экспертизах ледовых аварий и разработках проектов зимнего отстоя флота: в Рыбинском порту, 2004 г.; в Автозаводском порту (Н.Новгород), 2007 г.; в Астраханском порту, 2008 г.; в Пермском порту, 2013 г.

Апробация работы. Результаты экспериментальных и теоретических исследований доложены, обсуждены и одобрены при уча-

стии автора в ряде международных, федеральных и региональных научно-практических (научно-технических, научно-методических) конференций: «ТРАНСПОРТ - XXI ВЕК» (Н.Новгород, 2003 г.); «Современные технологии в кораблестроительном и энергетическом образовании, науке и производстве» (Н.Новгород, 2006 г.); «Развитие транспорта в регионах России: Проблемы и перспективы» (Киров, 2007 г.); «Инновационное развитие транспортно-логистического комплекса прикаспийского макрорегиона» (Н.Новгород-Астрахань, 2013 г.); «Проблемы использования и инновационного развития внутренних водных путей в бассейнах великих рек» (Н.Новгород, 2013 г.).

Публикации. По теме диссертации автором опубликована монография и двадцать восемь научных статей общим объёмом более 35 п. л., десять из которых - в изданиях, рекомендуемых ВАК Российской Федерации.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, семи разделов, заключения, библиографического списка и шести приложений. Общий объём работы составляет 304 страницы.

Основная часть рукописи содержит 237 страниц, включая 159 рисунков, 16 таблиц и библиографию (109 наименований).

В приложениях представлены фрагменты специализированных программных кодов, описывающих типовые исходные конечноэле-ментные модели, а также документы, подтверждающие практическое использование результатов диссертации.

2. Краткое содержание работы

Во введении показана актуальность проблемы обеспечения безопасности судоходства во льдах, обозначены научно-методические потребности в современных средствах проведения адекватных и минимально затратных ледовых экспертиз флота, поставлены цели исследования.

В первом разделе подчёркнуто, что степень безопасности судна во льдах определяется уровнем его ледовых качеств, дано понятие термина «ледовые качества» судна.

В состав традиционного набора ледовых качеств входят: местная ледовая прочность корпуса и элементов движительно-рулевого ком-

плекса, ледовая ходкость и маневренность судна, а также работоспособность судовых систем, устройств и механизмов в ледовых условиях и при отрицательных температурах воздуха. Отмечено, что в рамках разработки Полярного Кодекса этот термин следует толковать шире, так как касается он не только судна, но и его экипажа. Поэтому современное понятие ледовых качеств расширяется до границ знания экипажем этих качеств, умения их использовать и поддерживать для обеспечения безопасности собственного судна, судоходства вообще и эффективности ледовых транспортных операций с участием собственного судна.

Прочность корпуса является основополагающим параметром судна, определяющим его безопасность во льдах. Пока это единственное нормируемое ледовое качество. По его оценкам классификационные общества устанавливают судну ледовую категорию (ледовый класс), согласно которой регламентируются базовые допустимые ледовые условия и режимы его эксплуатации.

Проведён обзор ледовокатегорийного и возрастного состава флота внутреннего и смешанного река-море плавания привлекаемого к ледовым транспортным операциям (Рис. 1, 2).

Установленная ледовая категория, см

Рис. 1. Ледовокатегорийный состав флота

Возрпп судов. год

Рис. 2. Возрастной состав флота

Статистический анализ показал, что основная часть исследуемого флота (90,2%, рис. 1) имеет уровень установленных ледовых категорий не выше класса «1се-1» («лсд-40»). Между тем, ледовый режим даже неарктических Российских бассейнов по данным многолетних наблюдений отличается более чем 50%-ой повторяемостью умеренных и суровых зим. Учитывая сложность надёжного прогнозирования ледовых явлений, вероятность работы таких судов в ледовых условиях, не соответствующих их ледовым классам, остаётся высокой. Ситуация усугубляется значительным «износом» основной части этого флота. Только шестая часть эксплуатируемых судов (16,6%, рис. 2) находится в «допустимом» возрастном интервале (не старше 25 лет).

Выполненный анализ ледовой аварийности показал, что ни попытки совершенствования организации ледовых транспортных операций, ни наращивание ледокольной группировки, ни повышение надёжности навигационного и гидрометеорологического обеспечения пока не способствуют повышению уровня безопасности ледового судоходства исследуемого флота. Особый акцент сделан на недостаточную компетентность судоводительского состава в оценках возможностей своих судов в складывающейся ледовой обстановке. Показано, что Свидетельство призвано, в первую очередь, стимулировать судоводителей в изучении ледовых качеств судов.

Отмечено, что анализ ледовых качеств в настоящее время, как правило, сведён к расчётам по фактическому состоянию судна с использованием эмпирических, полуаналитических или численных методик, обоснованное предпочтение которым отдают эксперты. Проведён обзор современных методик оценок основных ледовых качеств судов применительно к исследуемому флоту. В рамках настоящей работы отмечены труды Андрюшина A.B., Баева A.C., Гра-музова Е.М., Зуева В.А., Ионова Б.П., Каштеляна В.И., Курдюмова В.А., Малого П.А., Матлаха А.П., Попова Ю.Н., Рывлина А .Я., Сазонова К.Е., Сандакова Ю.А., Тронина В.А., Хейсина Д.Е., Цоя Л.Г., Яковлева А.Я., и др. Показано, что во многих случаях достоверность оценок этих качеств требует специального рассмотрения экспертных групп.

Под специальным рассмотрением принято понимать процедуру принятия решения в условиях недостаточности репрезентативной информации об исследуемом ледовом процессе. При невозможности осуществления натурного эксперимента приемлемые для практики решения ледовых проблем может обеспечить только их моделирование. При этом подразумеваются как реальные, так и виртуальные модели (САЕ-модели). Степень точности реализации условий процесса определяет уровень адекватности модели.

Принципиальными недостатками реального моделирования являются невозможность разделения гидродинамических и ледовых нагрузок на корпусе судна и необходимость пересчёта результатов с модели на натуру. Всё это вносит погрешности в модель, ограничивающие применение данного метода. Сюда же можно отнести еже-разовую сложность подготовки и выполнения полномасштабного опыта, а в ряде случаев - его неосуществимость (например, постановку процесса сжатия судна льдами с анализом поведения корпусных конструкций).

Формирование новой детальной виртуальной модели также трудоёмкий процесс, однако, он существенно облегчается и ускоряется при поддержании библиотек «образов моделей», созданных в предыдущих сеансах (и особенно, если вновь моделируемая ситуация близка к прототипу). Реализация виртуальной модели позволяет имитировать, практически, любой процесс взаимодействия судна с ледяным покровом. Поэтому виртуальная модель является не только

альтернативой реальной модели, но и в ряде случаев - единственным средством получения достоверных данных.

Второй раздел посвящен краткому описанию технологии решения задач в САЕ-системах. CAE-системы (Computer Aided Engineering - компьютерная система поддержки инженерных расчетов, проведения инженерного анализа) используют численные методы решения таких задач, как оценки прочности конструкций; моделирование тепловых процессов; гидравлические, гидродинамические и аэродинамические расчёты; оптимизация процессов литья, штамповки и механической обработки материалов; анализ взрыва; радиоактивность и так далее. В этих системах, как правило, используются трехмерные модели изделий (сред), предварительно разработанные либо собственными средствами, либо во внешних CAD-системах, с которыми имеется интерфейс.

Применительно к численным экспериментам по оценке основных ледовых качеств судов они позволяют вводить обоснованные критерии безопасности, корректировать традиционные аналитические методы или определять границы их применимости. В общем случае, традиционные решения, поверенные контрольным численным моделированием с помощью CAE-систем - это инструмент, обеспечивающий оптимальное соотношение затрат судовладельца на проведение анализа ледовых качеств судов с достоверностью получаемых результатов.

В достаточно обширном ряду особо отмечены такие CAE-системы, как ANSYS, NASTRAN, LS-DYNA. Это обусловлено рядом их достоинств, описанных ниже.

Универсальность. Они позволяют в одной задаче описать взаимодействие тел и сред разных физических состояний (жидкое, газообразное, твёрдое). При этом допустимы различные формулировки конечных элементов для их описания: Лагранжевы и Эйлеровы обо-лочечного и объёмного типа, метод сглаженных частиц, комбинированные методы. Могут быть использованы как явные, так и неявные методы решений систем дифференциальных уравнений, описывающих поведение материалов под нагрузкой.

Надёжность. Адекватность результатов моделирования подтверждена многолетней практикой применения пакетов в различных областях (механический контакт, теплоперенос, взрыв). Последние версии систем содержит несколько сотен отлаженных и проверен-

ных моделей материалов и алгоритмов контактного взаимодействия с развитой системой автоматического контроля сходимости решений.

Адаптируемость. Системы содержат обширную библиотеку материалов и контактных алгоритмов, применение которой достаточно для описания большинства видов механического взаимодействия. Основная пользовательская сложность в адаптации систем заключается в определении «ненормируемых» физико-механических констант используемых моделей материалов и назначении ряда переменных в контактных алгоритмах. Для этого, как правило, требуются постановки дополнительных специальных натурных испытаний материалов и изучения «физики» взаимодействия исследуемых тел и сред. Принципиально важным условием адаптации является возможность разработки и внедрения пользовательских моделей материалов, уравнений состояния и контактных алгоритмов.

Распараллелепность. Во всех модификациях пакетов предусмотрено решение задачи путём разделения её на ряд параллельных процессов. Современные персональные компьютеры, имеющие многоядерные процессоры, работают с версией SMP (Shared Memory Parallel - распределённая общая память).

Контролируемость. Помимо автоматического осуществим постоянный пользовательский контроль хода решения с возможностью создания контрольных точек восстановления для случаев несанкционированного прерывания.

Любая CAE-система объединяет в себе три автономные структурные единицы: препроцессор, процессор и постпроцессор.

Препроцессинг включает в свой состав процедуры формирования геометрии модели, её конечноэлементного разбиения, выбора типов и формулировок конечных элементов, задания моделей материалов и их физико-механических свойств, определения алгоритмов контактного взаимодействия, установки граничных условий, а также вывода содержания и объёмов информации для последующей постпроцессорной обработки (Рис.3).

Рис. 3. Окно препроцессора САЕ-системы

Процессинг связан с отладкой исходного файла модели и непосредственно расчётом (Рис. 4).

да м>;и|Уид\*|>-1ич; ииетщЕ 1 |"ши-[. ьуняшсммн? г.>:аи:кг (\а - *

шшштт^тшшш^., ~

Рис. 4. Окно процессора САЕ-системы

Постпроцессорная обработка данных заключается в анализе результатов моделирования с помощью разнообразного виртуального

Рис. 5. Окно постпроцессора САЕ-системы

Постпроцессоры современных САЕ-систем располагают богатым набором средств анализа модели. Эти средства имеют несколько сотен опций, объединённых в многоуровневое меню (Рис. 5).

В третьем разделе обоснован выбор реологической модели льда и алгоритмов контактного взаимодействия тел с ним.

Основная особенность льда как материала заключается в том, что в естественных условиях он находится в сравнительно высокотемпературном состоянии и процессы его деформирования часто сопровождаются фазовыми переходами. В результате при деформировании лёд может проявлять свойства линейной и нелинейной упругости, запаздывающей упругости, вязкоупругости, ползучести, пластичности. При этом имеются методические различия и технические трудности в проведении экспериментов по определению его физико-механических свойств. Всё это затрудняет построение определяющих соотношений, описывающих деформирование льда, и нередко служит источником противоречивых результатов.

Для прогнозирования реологии льда были обобщены обширные литературные и авторские данные, поставлен ряд специальных экспериментов. В результате этого получен набор статистических зависимостей, характеризующих поведение пресноводного льда под нагрузкой. Данные зависимости были использованы при численном

моделировании с использованием нескольких характерных моделей материалов из библиотек САЕ-систем.

Анализ результатов моделирования отдал предпочтение изотропному материалу, который описывается упругопластической средой Прандтля-Рейсса с условием текучести Мизеса (табл. 1). При этом связь девиатора напряжений со скоростями пластических деформаций следующая:

8,^^=20^ (1)

_ 3ОАН(А) Л) - -2--(2)

ау

А = Ят,Ап (¡,;\т,п = 1,2,3), (3)

где Б у — компоненты девиатора напряжений;

С - модуль сдвига;

Н(А) - функция Хевисайда;

с7у — предел текучести льда.

Условие текучести выражено:

В свою очередь, предел текучести является функцией эффективной пластической деформации:

о-у = о-0+Ереи/, (5)

где <т0- постоянное значение предела текучести;

Е - расчётный модуль пластического упрочнения, определяемый:

Щ

е' = 1Г¥,- <6)

где Е - модуль Юнга льда;

Е1 - исходный модуль упрочнения.

Величина эффективной пластической деформации выражается как интеграл пошаговых приращений пластических деформаций за период времени ?:

£е/ =

(7)

Внутренние давления на к + 1 шаге интегрирования рассчитываются:

= К

1

V V У А-+1

■1

(8)

где К - модуль объёмного сжатия льда;

— относительный объём элемента на к + 1шаге интегрирования. Модель материала дополнена условиями разрушения:

Рк+1 <

8с/ > ^Пгп

(9)

где р1т; £Пт — предел прочности на растяжение и деформация разрушения льда соответственно.

Таблица 1

Расчётные физико-механические характеристики льда

Параметр Значение

Плотность, кг/м3 910,0

Модуль Юнга, Па 5,00 • Ю9

Модуль упрочнения, Па 0,67 • 10"

Модуль сдвига, Па 1,87 • 10ч

Модуль объёмного сжатия, Па 5,20 • 109

Предел текучести, Па 2,50« 10й

Предел прочности на сжатие, Па 4,80 • 106

Предел прочности на растяжение, Па 1,20 • 106

Коэффициент Пуассона 0.34

Деформация разрушения 0,012

Натурные наблюдения показали, что удар твёрдого тела о кромку льда вызывает её смятие, а разрушенный лёд выжимается на поверхность в виде мелкораздробленной ледяной крошки. Выжимание раздробленного льда в зоне контакта предполагает наличие некоторого промежуточного слоя конечной толщины, образующегося между поверхностью тела и неразрушенной массой кристаллического льда. Разрушение в твёрдых телах связано с образованием поверхностей разрыва, по одну сторону от которых материал является уп-

ругим телом, а по другую может рассматриваться как вязкая жидкость.

Подобная форма разрушения льда применена в выбранной модели льда. При этом по достижении любого из критериев разрушения (9) элемент остаётся в матрице жёсткости, но компоненты девиатора напряжений обнуляются, элемент теряет способность противостоять растягивающим нагрузкам, т.е. ведёт себя подобно жидкости.

При движении судна в ледовых условиях результирующие нагрузки на корпус и движительно-рулевой комплекс будут определяться их непосредственным контактом с ледяным покровом, а также взаимодействием отдельных ледяных образований между собой и с водой. Примеров явного описания алгоритмов контакта льда с этими средами в задачах с конечноэлементной формулировкой автором не обнаружено. В некоторых источниках приводятся лишь косвенные упоминания о применённых моделях в использованных CAE-системах. Современные CAE-системы, претендующие на универсальность, предлагают пользователям несколько десятков алгоритмов расчёта поведения контактных границ тел. Они апробированы многолетней практикой и дают надёжные результаты. Корректность применения алгоритма в первую очередь определяется знанием физики моделируемого процесса, поэтому в наиболее усовершенствованных пакетах предусмотрены возможности корректировки предлагаемых моделей или создания авторских.

Всю совокупность методов можно разделить на две группы: несимметричные и симметричные. Несимметричные алгоритмы предусматривают деление контактных поверхностей на главную и подчинённую (master - slave), в симметричных такое подразделение отсутствует. Кроме этого в каждой группе предусмотрены модели с условием разрушения одной или нескольких поверхностей (eroding) или без такого условия.

Для обоснования выбора контактных алгоритмов была поставлена серия экспериментов, которая затем была смоделирована средствами CAE-систем с использованием двадцати шести моделей контактов. Численные эксперименты показали приемлемое соответствие результатов моделирования и натуры при использованных алгоритмах, показанных в табл. 2.

Таблица 2

Выбранные модели контактных алгоритмов

Модель контакта Контактирующая пара Фрикционный параметр

FS (статический) FD (динамический) FRIC (твердотельный)

Несимметричный «УЗЛЫ- ПОВЕРХНОСТЬ» без разрушения лёд - стальная конструкция обо-лочечного типа 0,15 0,10 -

Несимметричный «УЗЛЫ- ПОВЕРХНОСТЬ» без разрушения лёд - лёд 0,25 0,20 -

Симметричный «ПОВЕРХНОСТЬ-ПОВЕРХНОСТЬ» с разрушением лёд - лёд 0,25 0,20 -

Несимметричный «ПОВЕРХНОСТЬ-ПОВЕРХНОСТЬ» с разрушением лёд - стальная конструкция объёмного типа 0,15 0,10 -

Несимметричный «УЗЛЫ-НЕДЕФОРМИ-РУЕМАЯ СТЕНА» лёд - неде- формируемая среда - - 0,20

Несимметричный «ЛАГРАНЖЕВО-ЭЙЛЕРОВО СВЯЗЫВАНИЕ» лёд - вода, конструкция -вода - - -

В четвёртом разделе изучено влияние льда на гидродинамику тел. Показано, что результаты численного моделирования, в общем случае, не подтвердили один из базовых постулатов полуэмпирических методик - независимость ледовых и гидродинамических нагрузок на корпусе судна и движителях (Рис. 6, 7).

Рис. 6. Гидродинамическое сопротивление судна в различных ледовых условиях

(1 — чистая вода; 2, 3 - тёртый лёд; 4 — мелкобитый лёд; 5 — сплошной лёд) Продольные гидродинамические нагрузки на корпусе судна в ледовых условиях превышают этот параметр для чистой воды. При этом отмечается тенденция роста сопротивления с уменьшением степени раздробленности льдов и с увеличением их сплочённости (Рис. 6).

—I-1--1-1-i-1-i-^

Time, s

Рис. 7. Сравнение ледовых и гидродинамических нагрузок, действующих на винт при постоянной частоте вращения

(А - упор в чистой воде; В - ледовое сопротивление; С - «чистый» упор во льдах; D - результирующий упор во льдах)

Влияние льда на тяговые характеристики винта значимо даже в сопоставимых режимах работы движителя. При этом воздействие льда дестабилизирует и снижает упор винта (Рис. 7).

Отмечено что, точные численные решения задач ледовогидро-динамического контакта (и особенно прогноза ходкости и управляемости судна) отличает повышенная ресурсоёмкость. Многовариантные расчёты с применением персональных вычислительных систем (например, при разработке ледового паспорта судна) при временных затратах, исчисляемых сотнями часов машинного времени, неприемлемы.

Одним из приёмов адаптации САЕ-систем к приближённым решениям ледовых проблем на базе доступных многоядерных персональных компьютеров при многократном (примерно на порядок) снижении ресурсоёмкости задач является замена воздействия воды как контактной среды силами на поверхностях ледяных образований, корпусе судна и движителях. При этом используется следующий приём моделирования.

На первом этапе производится конечноэлементное моделирование буксировочных испытаний судна во льдах заданных характеристик (толщина, сплочённость, раздробленность, ширина ледового канала). Процесс движения сопровождается качественным анализом характера «обтекания» льдом кормовой оконечности судна (Рис. 8).

б

Рис.8. Характер «обтекания» битыми льдами кормовой оконечности судов

(а-танкер проекта 19614; б —танкер проекта 118Т27)

На втором этапе для нескольких фиксированных параметров работы движителя (скорости, моменте на гребном валу или частоты вращения) с учётом наиболее вероятного распределения льдов в районе расположения реализуется модель его изолированной работы. По результатам статистической обработки данных, полученных здесь, строится кривая результирующего ледового упора винта в зависимости от характеристик его работы.

Заключительный этап связан с непосредственной оценкой ходкости судна. Особенность его заключается в том, что действие судовых винтов заменяется узловыми корпусными силами, сосредоточенными в районе движителей. Закон изменения этих сил - это кривая результирующего ледового упора винтов, полученная на предыдущем этапе.

При использовании приближённых методов требуется корректировка значений гидродинамических нагрузок, полученных для чистой воды. Для условий ледового канала автор рекомендует использовать для этого поправочный коэффициент, определяемый по графикам рис. 9.

Рис. 9. Коэффициент увеличения корпусных гидродинамических нагрузок в ледовых условиях

Для судов внутреннего и смешанного плавания с традиционной формой обводов корпуса и открытыми гребными винтами приближённую оценку потерь полезной тяги движителей в мелкобитых и тёртых льдах допустимо производить по графикам рис. 10.

Рис. 10. Потери полезной тяги движителей во льдах (а — сплочённость мелкобитых и тёртых льдов 9-10 балл; 6-8 балл; в - 6 балл)

На рис. 10 приняты следующие обозначения: Т - относительный упор движителей; V - относительная скорость движения судна;

к - относительная толщина льда.

При отсутствии натурных данных кривые гидродинамического сопротивления судна и тяговые параметры движителя в чистой воде предпочтительно определять численными методами, но допустимо рассчитывать с использованием традиционных методик.

В пятом и шестом разделах проведён сравнительный анализ прогнозов достижимых и допустимых режимов эксплуатации судов в ледовых условиях, полученных средствами конечноэлементного моделирования, и результатов аналитических расчётов с использованием традиционных методик. При этом рассмотрены методики оценки основных ледовых качеств судов - ходкости, маневренности, местной прочности корпуса и движителей при ударном взаимодействии со льдом и от нагрузок ледового сжатия.

Отмечено, что все полуаналитические зависимости, описывающие процесс движения судна в мелкобитых льдах, получены в предположении свойств однородности, изотропности ледяной среды и сплошности её контакта с корпусом судна. Согласно первому свойству, средняя плотность мелкобитого льда является постоянной величиной. Изотропность означает, что свойства среды не зависят от произвольно выбранного направления в её плоскости. Однако на практике эти условия далеко не всегда выполняются, что приводит к эффектам противоположным прогнозу традиционных методик.

В краткосрочных задачах безопасности это часто проявляется в нарушении теоретического баланса скорости судна и его ледового сопротивления, согласно которому ледовые усилия находятся в квадратичной зависимости от скорости движения. Фактически при возмущении ледяной среды подвижным судном образуются локальные зоны её торошений и наслоений, чередующиеся с разводьями (Рис. 11). Сплочённость, а частично и толщина льда перераспределяются, приводятся в движение его большие массы, что порождает рост ледового сопротивления при снижении скорости хода судна (Рис. 12).

40 сек

70 сек

Рис. 11. Качественная картина движения судна в битых льдах

Х-рогсе ап<1 Уе|ос|гу уегэиз Т1ще (Н0.5 1.5.0 ЭО.Эб геди1аг)

_А. Х-Р01 се этоот В х^огсе РЕМ _С_. Х-УеЮсИу

Рис. 12. Сравнение временил/х зависимостей ледового сопротивления и скорости движения судна

Сведение реального воздействия ледяной среды на корпусе судна к сплошной нагрузке, распределённой в плоскости конструктивной ватерлинии, также не подтверждено численными экспериментами. Фактически льдины контактируют с обшивкой в нескольких локальных зонах, чаще находящихся вне уровня рабочей ватерлинии. Причём это справедливо как для разреженных, так и для сплочённых льдов (Рис. 13).

б

Рис. 13. Характер контакта сплочённых мелкобитых льдов с корпусом судна при его криволинейном движении

Следует признать, что имеет место перераспределение ледовых нагрузок по корпусу. Это можно показать данными рис. 14, на котором приведён пример одномоментных кривых напряжения по периметру нескольких ватерлиний (А - рабочая; В - уровень 1 м ниже рабочей; С - уровень 2 м ниже рабочей; Э - уровень 3 м ниже рабочей).

Stress along WL

WL level:

В working -1 m С working - 2 m D working - 3 m

A working

k

50

100

160

200

Distance Along WL, m

Рис. 14. Распределение ледовых напряжений в корпусе по периметру ватерлиний

Но характер этого перераспределения в границах ледового пояса судна (Рис. 14) несопоставим с его интегральным описанием.

Другой принципиально важный теоретический результат численных экспериментов по ледовой ходкости и управляемости - это отрицание постоянной составляющей (не зависящей от скорости движения) в сопротивлении битых льдов для подвижного судна. Последняя присутствует в структуре всех полуэмпирических зависимостей. Конечноэлементное моделирование показало, что эту составляющую следует толковать только как «потенциальную сопротивляемость ледяного покрова для неподвижного судна», подобную статическому трению в механике, ибо степень подвижности судна сказывается на свойствах ледяной среды (Рис. 15).

Г^ _^ _1_;_1_,_

Скорость, м/с

Рис. 15. Ледовое сопротивление танкера проекта 19614 при различных кривых разгона

Отмечено, что сейчас существует достаточное количество аналитических зависимостей для расчёта ледового сопротивления судна в различных режимах движения. Однако уже само многообразие этих решений говорит не в пользу их безупречности. Каждое имеет свои изъяны, в первую очередь проявляющиеся в весомых различиях расчётных ледовых нагрузок для сопоставимых условий. Расхождения в выборе аргументов предлагаемых зависимостей — другой признак несовершенства.

Изобилие используемых корректирующих коэффициентов также указывает на недостатки традиционных методик. Последнее является результатом введения различных оговорок, упрощений, допущений, априорно принимаемых условий. При этом источники статистической информации для получения этих коэффициентов ограничены определённым набором данных натурных или модельных испытаний.

Попытки экстраполяции методик на иные условия или суда, как правило, приводят к некорректным результатам вплоть до их неприемлемости. Поэтому в краткосрочных задачах маневрирования оценки ходкости, инерционных характеристик или параметров управляемости судов практически во всём спектре ледовых аргументов (толщина, сплочённость, раздробленность, разрушенность льдов, ширина ледового канала или граничные условия) обнаружили

значимые расхождения результатов численного моделирования и полуэмпирических расчётов (Рис. 16 - 18).

Compare У-Fore* and Velocity {Н0.5 SO.96 no regular)

Time, s

Compare X-Force and Velocity (H0.5 L20.0 S0.96 regular)

E

é

ft

'\c . _ —E_______E----!

~ • •• . с "f" - -

•'.E ^v... ч\ > A ! /V / j / 1 / i "■A _ ... i ..... .

/V \ V E \ 1 / V' 1 Л щ !.....X...

n . . B .......D . - - I

|-—-4 f E 1 1 1 1 -1-

Issue:

A, Force FEM В Velocity FEM С ..Force D.Force E Veloclity JLVeloclity

E i

— ■ л___ _ -------fc........... 1

- -------f---

....... ( j V ......; ,/х.....

I | : I 1. D Г \ /1 « / i ......... :*t> .. Ь. . ... Jfl .......

X.J--------г"..... " -з . .Е в й......£-, : . F . .4L

|

10 20 JL 1 40 50 60 70

Time, s

В

Data Issue

_A Force FEM 6 Velocity FEM

^LForce D Force E Velocilty F Velociity

Рис, 16. Сравнение зависимостей ледового сопротивления и скорости движения судна, рассчитанных по различным методам (кривые А, В - численный эксперимент; С, Е - методики Рывлина-Сандакова; Б, Б - методики Тронина-Полякова)

Path of Vessel Stern (H0.5 S10)

200

£ 150

с

1 a>

8 ioo-r

"K

£. Г-н

. ■■■ A

s

0

y

'—i—

Ice Condition:

A Channel (no reg) B free floating Feld (no reg) _C .Channel (L5.0) D free floating Feld (L5.0) E Infinite Feld (L5.0) _F__Ship Breadth G clear Water H

150 200 250 300 X-Dispiacement, m

Рис. I 7. Траектория движения кормы судна при отвороте

(кривые A-G - численный эксперимент; Н - методика Тронина)

а

б

Рис. 18. Кривые ледовой ходкости танкера проекта Я8Т27

(а - численный эксперимент; б - расчёт по нормативной методике ЛИВТа; в - расчёт по методикам Рывлина-Сандакова)

Достоверность традиционных методик в отношении прогнозов допустимых режимов эксплуатации судов во льдах также была неоднократно подвержена сомнению результатами численных экспериментов. Так в работе показано, что для ударного нагружения аналитически корректно решена задача определения только суммарного контактного усилия в пределах упругих деформаций борта. С ростом пластических деформаций накапливается ошибка расчёта. При этом для сложных в конструктивном исполнении частей корпуса судна эти решения нельзя назвать адекватными.

В случаях сжатий расчётные ледовые нагрузки приняты равными предельным усилиям, разрушающим лёд заданной толщины и прочности. Однако в реальных условиях корпуса судов, имеющих слабые ледовые подкрепления, могут получить неприемлемые для эксплуатации деформации в начальной стадии навала льдов (ещё до начала их интенсивного разрушения и торошения). Нагрузки в этот период импульсно возрастают, достигая величин, значительно превосходящих их последующий уровень.

J

Принципиальным преимуществом конечноэлементного моделирования ледового взаимодействия является возможность количественной оценки суммарных повреждений судна (или его устройств), что недоступно полуэмпирическим методам (Рис. 19, 20).

Рис. 19. Характер ударных повреждений бортового перекрытия

судна

J

Рис. 20. Характер повреждений цилиндрической вставки судна при сильном сжатии льдами

При этом автором использован параметр повреждений, представляющий сумму произведений пластических деформаций конечных элементов на их относительную площадь:

к е

где О - параметр повреждений бортового перекрытия корпуса судна;

I - порядковый номер конструкции бортового перекрытия (1 - обшивка, 2 - рамные шпангоуты, 3 - холостые шпангоуты и т.д.); к - количество моделируемых конструкций бортового перекрытия; 7 - порядковый номер конечного элемента ¡-ой конструкции; е - количество конечных элементов ¡-ой конструкции;

- расчётная пластическая деформация ¡-го конечного элемента ¡-ой конструкции;

Ау - относительная площадь ]-го конечного элемента ¡-ой конструкции:

где Ач - площадь^го конечного элемента ¡-ой конструкции.

Такой подход для комплексного описания уровня повреждений вполне правомерен ввиду однотипности конечных элементов, образующих расчётные корпусные конструкции. Другим надёжным критерием повреждений можно признать суммарную внутреннюю энергию исследуемой конструкции.

Величины данных параметров показывают явную корреляцию с характеристиками ледяного покрова и скоростью движения судна (Рис. 21), что рекомендовано использовать при назначении допустимых скоростей движения или условий самостоятельного плавания при угрозе ледовых сжатий.

(10)

Скорость (»удярмшя, м с

Рис. 21. Зависимости параметра повреждений корпуса от скорости движения судна при плавании в битых льдах

(1 - толщина льда 1.0 м; 2 - толщина льда 0,5 м; 3 - толщина льда 0,3 м)

При возможности упругопластических деформаций корпуса судна применение подобных графиков для выбора безопасных скоростей движения (или условий самостоятельного плавания) в заданной ледовой обстановке сводится к назначению допустимого уровня повреждений. Например, его можно установить, исходя из требований Регистров, используя в качестве аргумента нормативы на остаточные прогибы конструкций корпуса. Не исключено употребление другого уровня, обоснованного хорошей практикой эксплуатации судов. В любом случае конечноэлементное моделирование представляет в помощь возможности визуализации результатов расчёта (Рис. 19, 20).

В составе ледовых качеств движительно-рулевого комплекса судна с помощью традиционных полуэмпирических методик корректно определяется несущая способность лопастей гребного винта, прочность валопровода, руля и его баллера при нормируемых ледовых нагрузках. А вот достоверная оценка местной ледовой прочности кромок лопастей винта пока доступна только численным методам. При этом кроме расчётного режима «фрезерование», обязательному анализу подвергается и режим «навала» неработающего винта на припайный лёд (Рис. 22, 23).

Рис. 22. Оценка прочности гребного винта в режиме «фрезерование»

льда

Рис. 23. Оценка прочности лопасти гребного винта в режиме «навала» неработающего винта на неподвижный лёд

Седьмой раздел посвящён разработке нормативных документов по безопасности ледового судоходства.

Отмечено, что первоначальная форма Свидетельства о допустимых условиях ледового плавания судна, предложенная РМРС, далеко не в полной мере соответствовала основному назначению этого документа - уточнить и конкретизировать ледовые качества судна и условия его безопасной эксплуатации во льдах. Подчёркнуто, что эта цель могла быть достигнута только при использовании развёрнутого приложения к Свидетельству, содержащего результаты экспертизы основных ледовых качеств судна, оформленные, например,

в виде Ледового паспорта судна. Приведена согласованная и утверждённая РМРС форма Свидетельства (Рис. 24).

Приведена структура Ледового паспорта, содержащего необходимую и достаточную информацию при организации ледовых транспортных операций с участием судна:

1. Технические характеристики судна

2. Анализ ледовых условий, организации ледовых транспортных операций в районах плавания и обоснование расчётных режимов эксплуатации судна

3. Достижимые режимы эксплуатации судна во льдах

3.1. Ходкость

3.2. Инерционные характеристики

3.3. Поворотливость

4. Допустимые режимы эксплуатации судна во льдах

4.1. Допустимые скорости движения

4.2. Допустимые условия самостоятельного плавания

4.3. Безопасные дистанции при движении в караване

4.4. Оценка надёжности движительно-рулевого комплекса

5. Выводы и общие рекомендации

6. Термины и определения

На примере танкера проекта 19614 показаны особенности использования САЕ-систем в сочетании с нормативными полуэмпирическими методиками для разработки Ледового паспорта судна. Особо подчёркнута полезная методическая новизна, заключающаяся в возможности отображения в документе важных результатов моделирования с использованием средств визуализации (Рис. 8, 11, 13, 19, 20, 22, 23). Рекомендовано активно использовать электронные приложения к Ледовому паспорту в виде анимационных файлов. Трёхмерная графическая картина развития повреждений судовых комплексов или конструкций, характера взаимодействия корпуса ледяным покровом, перераспределения льдов в процессе движения судна, особенностей маневрирования судна, безусловно, являются информативным дополнением к классическим формам представления данных (графикам, таблицам, диаграммам).

шиш! ыврш! unrip щнцти 3.1

IUSSI6I UM11IME |[шп! й siirrin свидетельство о допустимых условиях ледового плавания судна /се NAVIGATION SHIP CERTIFICATE

К настоящему Свидетельству прилагаются документ «Ледовый паспорт т/х «Механик Антонов»,

содержащий рекомендации по ледовой безопасности судна, учтен ГУР 07 августа 2012 г. By this Certificate sttached document entitled "tee passport m/v "Mekhanic Antonov", which contains

Название судна Name of Ship Механик Антонов / Mekhanic Antonov ИМО N9 IMO No. - 9598359

Флаг Flap Россия 1 Russia ■ ^ ¿--••"" f'-. • Класс Class PC RS

Порт приписки Port of г eqistry Санкт-Петербург / St Petersburg ■ Per. № класса Ciass Id. No. 100425

Символ класса Class notation KMC) Ice1 R2-RSN AUT3 VCS oil lanker/ESP)

Настоящим подтверждается, что: This is to certify that:

1. Судно может совершать самостоятельное плавание во льдах в соответствии с разработанным «Волжской государственной" академией водного транспорта» 23.01.2012 г. документом «Ледовый паспорт», содержащим - рекомендации по ледоаой безопасности для т/х «Механик Антонов».

Ship mentioned above may navigate in accordance with the developed by «Volga State Academy of Water Transport" on 23.01.2012 document "Ice passport" containing recommendations on ice safety for the m/v "Mekhanic Antonov". >:■■ i ;

2. Судно может совершать плавание под проводкой ледокола во льдах 9 соответствии с разработанным «Волжской государственной/академией водного транспорта» 23.01.2012 г. документом «Ледовый паспорт», содержащим рекомендации по ледовой безопасности для т/х «Механик Антонов». ,:-.•

Ship mentioned above may navigate with icebreaker'assistance in accordance with the developed by «Volga State Academy of Water Transport* pftj/23.01.2012 document "ice passpotl" containing recommendations on ice safety for the m/v" Mekhanic Antonov".

3. , Корпус, главные двигатели, движители и руг^вые устройства судна освидетельствованы и найдены

'а состоянии,.учтенном s Расчетах его ледовых характеристик. . ,г. - \{> ' \

Hull, Main Engines, Propellers and Steering gear of ihe Ship have been surveyed and found in condition •

accounted in the catculabon of her ice characteristics. • ; _ * !

Настоящее Свидетельство действительно до . 07 августа'201 7 г. This Certificate is valid until August 07. 2017

•-Петербург/ Russia: St; Petersburg ;. ■ G7 августа /August 07.2012

' ' Sa/P'aœ 0' «sue a' Cerfk-a>e • - . л , лги ьы¡¡рм^Лэи o/iisue

\л регистр судоходства

iister of Shipping

Евенга 6.И. / Evenko V.I.

jfnCS.'SfniM

Рис. 24. Свидетельство о допустимых условиях ледового плавания

судна

3. Основные результаты работы

Основные результаты работы состоят в следующем:

1. По итогам анализа тенденций развития судоходства отмечена сохраняющаяся потребность в ледовом плавании судов и её перспективный рост.

2. Выполнен обзор качественного состава отечественного грузового флота внутреннего и смешанного река-море плавания, привлекаемого к ледовым транспортным операциям.

3. По результатам анализа навигационной ледовой аварийности и современных способов оценки ледовых качеств судов сделан вывод об ограниченности традиционных полуэмпирических методик при решении широкого круга проблем, связанных с обеспечением безопасности ледового судоходства.

4. Проведён обзор возможностей САЕ-систем применительно к задачам научно-оперативного обеспечения безопасности плавания судов во льдах и для оценок ледовогидродинамического воздействия на гидротехнические объекты.

5. Обоснованы реологическая модель льда и алгоритмы контактного взаимодействия тел со льдом в задачах с конечноэлемент-ной постановкой.

6. Разработаны приёмы адаптации САЕ-систем для прогнозирования основных ледовых качеств судов при решении задач безопасности ледового судоходства на основе современных многоядерных персональных вычислительных систем.

7. Получены результаты моделирования, обоснованно и принципиально противоречащие утверждениям традиционных полуэмпирических методик или существенно их уточняющие при решении задач безопасности ледового судоходства (в области ходкости, управляемости, прочности).

8. Предложено и апробировано новое направление в проведении экспертизы ледовых качеств судов и отображения её результатов в нормативных документах по безопасности ледового плавания судна с применением современных компьютерных технологий.

4. Публикации по теме диссертации

Публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ

1. Лобанов В. А. Влияние льда на гидродинамику суд-на//Интернет-журнал «Науковедение». 2013 №3 (16) [Электронный ресурс].-М. 2013. - с. 1-6. - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/06tvn313.pdf, свободный - Загл. с экрана.

2. Лобанов В.А. Использование САЕ-систем в прогнозах повреждений судов при ледовых сжатиях / Лобанов В.А. // Речной транспорт (XXI век). 2013. - № 1 (60). - с. 71-76. - Режим доступа: http://www.rivtrans.com/sites/default/files/science/NAUKA_RT_l-60_2013.pdf

3. Лобанов В.А. Использование САЕ-систем при оценках ледовых качеств судов / Лобанов В.А.// Речной транспорт (XXI век).

2012. - № 5 (59). - с. 69-77. - Режим доступа: http://www.rivtrans.com/sites/default/files/science/NAUKA_RT_5-59_2012.pdf

4. Лобанов В.А. Ледовая ходкость сухогруза смешанного пла-вания//Интернет-журнал «Науковедение». 2013 №4 (17) [Электронный ресурс].-М. 2013. - с. 1-12. - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/72tvn413.pdf, свободный - Загл. с экрана.

5. Лобанов В.А. Ледовая ходкость танкера река-море плавания с нетрадиционными носовыми обводами//Интернет-журнал «Науковедение». 2013 №1 (14) [Электронный ресурс].-М. 2013. - с. 1-13. -Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/55tvnll3.pdf, свободный

- Загл. с экрана.

6. Лобанов В.А. Ледовые качества и ледовая аварийность флота внутреннего и смешанного плавания //Интернет-журнал «Науковедение». 2013 №4 (17) [Электронный ресурс].-М. 2013. - с. 1-12. -Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/70tvn413.pdf, свободный

- Загл. с экрана.

7. Лобанов В.А. Опыт разработки ледового паспорта танкера река-море плавания / Лобанов В.А.// Речной транспорт (XXI век).

2013. - № 2 (61). - с. 77-84. - Режим доступа:

http://www.rivtrans.com/sites/default/files/science/NAUKA_RT_2-61_2013.pdf

8. Лобанов В.А. Прогноз ледового воздействия на суда Пермского портового флота при планировании его зимнего отстоя //Интернет-журнал «Науковедение». 2014 №1 (20) [Электронный ресурс].-М. 2014. - с. 1-13. - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/34tvnl 14.pdf, свободный - Загл. с экрана.

9. Лобанов В.А. Разработка с применением САЕ-систем нормативных документов по безопасности ледового плавания судна //Интернет-журнал «Науковедение». 2013 №4 (17) [Электронный ресурс] ,-М. 2013. - с. 1-14. - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/71tvn413.pdf, свободный - Загл. с экрана.

10. Лобанов В.А. Численные оценки ледовых качеств гребных винтов//Интернет-журнал «Науковедение». 2012 №4 (13) [Электронный ресурс].-М. 2012. - с. 1-15. - Режим доступа: http://naukovedenie.ni/PDF/5 ltvn412.pdf, свободный - Загл. с экрана.

Публикации в прочих изданиях

1. Лобанов В.А. Алгоритм контактного взаимодействия тел со льдом в задачах с конечноэлементной постановкой. Дифференциальные уравнения и процессы управления. Электронный журнал, per. №П2375 от 07.03.97 ISSN 1817-2172, №3, 2009. - с. 19-25. - Режим доступа: http://www.math.spbu.ru/diffjournal/pdf/lobanov2.pdf

2. Лобанов В.А. Визуализация результатов численных экспериментов по оценке ледовых качеств судов. Научная визуализация. Электронный журнал, ISSN 2079-3537, № гос. per. 0421100125/0013, № 3/03, 2011. - с. 34-65. - Режим доступа: http://sv-journal.com/201 l-3/03.php, ограниченный.

3. Лобанов В.А. Гидродинамика льда в задачах с конечноэлементной постановкой. Дифференциальные уравнения и процессы управления. Электронный журнал, per. №П2375 от 07.03.97 ISSN 1817-2172, №1, 2010. - с. 10-17. - Режим доступа: http://www.math.spbu.ru/dif5ournal/pdf/lobanov3.pdf

4. Лобанов В.А. Допустимые скорости плавания судов во льдах. Современные технологии в кораблестроительном и энергети-

ческом образовании, науке и производстве. Материалы Всероссийской научно-технической конференции, посвященной памяти выдающихся выпускников Нижегородского государственного технического университета P.A.Алексеева и И.И.Африкантова.23-26 октября 2006 г. Н.Новгород: Изд-во Нижегородского государственного технического университета, 2006. - с. 141-147.

5. Лобанов В.А. Использование конечноэлементного моделирования для оценки безопасных условий плавания судов во льдах. Развитие транспорта в регионах России: Проблемы и перспективы: Материалы Всероссийской научно-практической конференции. 5 марта 2007 г. - Киров, 2007. - с. 74-77.

6. Лобанов В.А. Использование средств визуализации САЕ-систем в прогнозах повреждений судов при ледовых сжатиях. Научная визуализация. Электронный журнал, ISSN 2079-3537, № гос. per. 0421100125, № 3/04, 2012. - с. 35-51. - Режим доступа: http://sv-journal.com/2012-3/04/index.html, ограниченный.

7. Лобанов В.А. Конечноэлементное моделирование гидродинамики льда. Вестник научно-технического развития. Электронный журнал, ISSN 2070-6847, № гос. per. 0421200120/0044, №11, 2011. -с. 10-19. - Режим доступа: http://www.vntr.ru/ftpgetfile.php7icH557

8. Лобанов В.А. Ледовая ходкость танкера проекта RST-27. Инновационное развитие транспортно-логистического комплекса прикаспийского макрорегиона. Материалы международной научно-практической конференции. 23 мая 2013 г. - Астрахань, 2013. - с. 248-253.

9. Лобанов В.А. Моделирование взаимодействия льда с конструкциями. Вестник научно-технического развития. Электронный журнал, ISSN 2070-6847, № гос. per. 0421200120/0042, №10, 2011. -с. 31 -40. - Режим доступа: http://www.vntr.ru/ftpgetfile.php?id=554

10. Лобанов В.А. Моделирование льда в задачах с конечноэле-ментной постановкой. Дифференциальные уравнения и процессы управления. Электронный журнал, № гос. per. 0420800080, per. №П2375 от 07.03.97 ISSN 1817-2172, №4, 2008. - с. 19-29. - Режим доступа: http://www.rnath.spbu.ru/diffjournaI/pdf/lobanov.pdf

11. Лобанов В.А. Моделирование ударных ледовых нагрузок методом конечных элементов. Вестник Волжской государственной академии водного транспорта. Выпуск 18. - Н.Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2006. - с. 11-23.

12. Лобанов В.А. Оценка ледовой ходкости судна численными методами. Дифференциальные уравнения и процессы управления. Электронный журнал, per. №ФС77-39410 от 15.04.2010 ISSN 18172172, №1, 2011. с. 34-47. - Режим доступа: http://www.math.spbu.ru/diffjournal/pdf/lobanov5.pdf

13. Лобанов В.А. Оценка местной ледовой прочности корпуса судна численными методами. Дифференциальные уравнения и процессы управления. Электронный журнал, per. №ФС77-39410 от 15.04.2010 ISSN 1817-2172, №3, 2010. - с. 1-9. - Режим доступа: http://www.math.spbu.ru/difl5ournal/pdf/lobanov4.pdf

14. Лобанов В.А. Оценки ледовых качеств судов с применением CAE-систем: монография / В.А. Лобанов. - Н. Новгород: Изд-во ФБОУ ВПО «ВГАВТ», 2013.-296 с.

15. Лобанов В.А. Применение CAE-систем для оценки ледовых качеств судна. Ходкость. Вестник Волжской государственной академии водного транспорта. Выпуск 29. - Н.Новгород: Изд-во ФБОУ ВПО «ВГАВТ», 2011. - с. 23-39.

16. Лобанов В.А. Численная оценка ледовых качеств судна. Прочность. Вестник научно-технического развития. Электронный журнал, ISSN 2070-6847, № гос. per. 0421200120/0048, №12, 2011. -с. 7-19. - Режим доступа: http://www.vntr.ru/ftpgetfile.php?id=563

17. Лобанов В.А. Численная оценка ледовых качеств судна. Управляемость. Вестник научно-технического развития. Электронный журнал, ISSN 2070-6847, № гос. per. 0421200120, №8, 2012. - с. 18-34. - Режим доступа: http://www.vntr.ru/ftpgetfile.php?id=619

18. Лобанов В.А. Численная оценка ледовых качеств судна. Ходкость. Вестник научно-технического развития. Электронный журнал, ISSN 2070-6847, № гос. per. 0421200120/0002, №1, 2012. - с. 12-28. - Режим доступа: http://www.vntr.ru/ftpgetfile.php?id=571

19. Лобанов В.А., Бобков А.П. Опыт ледового плавания в Азовском море. Вестник Волжской государственной академии водного транспорта. Выпуск 23. - Н.Новгород: Изд-во ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2007. - с. 40-47.

Формат бумаги 60x84'/16. Гарнитура «Тайме» Ризография. Авт. л. 1,9. Усл. печ. л. 2,0. Уч.-изд. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ 021

Издательско-полиграфический комплекс ФБОУ ВПО «ВГАВТ»

603950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а

Федеральное бюджетное образовательное учреадение высшего профессионального образования «Волжская государственная академия водного транспорта»

(ФБОУ ВПО «ВГАВТ»)

05201450906 На правах рукописи

Лобанов Василий Алексеевич

а

Оценки безопасных условий ледового плавания судов с применением

САЕ-систем

Специальность 05.22.19 - Эксплуатация водного транспорта, судовождение

Диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук

Н.Новгород - 2014

Содержание

Введение 4

1 .Ледовые качества флота 8 1.1.Общие понятия. Ледовые качества и навигационная аварийность

флота 8

1.2.Современные методы оценок ледовых качеств судов 21

1.3.Ледовые качества судов как предмет специального рассмотрения. Частные задачи ледовой безопасности 44

2.Технология решения задач с применением САЕ-систем 52 2.1.Основные сведения о САЕ-системах 52

2.2.Препроцессинг 53

2.3.Процессинг 60

2.4.Постпроцессинг 64

3.Моделирование ледовых воздействий с применением САЕ-систем 67 3.1 .Основные сведения о свойствах льда 67 3.2.0боснование реологической модели льда 70

3.2.1.Физико-механические характеристики и определяющие соотношения для льда 70

3.2.2.Результаты моделирования ползучести 77

3.2.3.Результаты моделирования разрушения 85 3.3. Выбор алгоритмов контактного взаимодействия тел со льдом 91

3.3.1 .Моделирование контакта льда с конструкцией 92

3.3.2.Моделирование контакта льдин 101

4.Гидродинамика тел во льдах 108 4.1 .Моделирование гидродинамического воздействия с применением САЕ-систем 108

4.2.Влияние льда на гидродинамику судна и его движителей 117

4.3.Приближённый учёт гидродинамического воздействия в ледовых 122

условиях

5.Сравнительный анализ оценок достижимых режимов эксплуатации судов во льдах 131

5.1 .Общие сведения 131

5.2.Ходкость 132

5.3 .Поворотливость 15 8

5.4.Устойчивость на курсе 165

6.Сравнительный анализ оценок допустимых режимов эксплуатации судов во льдах 178

6.1 .Прочность корпуса при ударных ледовых нагрузках 178

6.2.Прочность корпуса при ледовых сжатиях 192

6.3.Ледовая прочность судовых движителей 200

7.Разработка нормативных документов по безопасности ледового плавания судна с применением САЕ-систем 211

7.1 .Структура ледового паспорта и Свидетельства о допустимых

условиях ледового плавания судна 211 7.2.0собенности использования САЕ-систем при разработке ледового

паспорта судна 213

7.2.1 .Достижимые режимы ледовой эксплуатации судна 213

7.2.2.Допустимые режимы ледовой эксплуатации судна 219

Заключение 224

Библиографический список 226

Приложения 238

Введение

В настоящее время сохраняется необходимость в ледовом плавании судов. Она обусловлена рядом причин как объективного, так и субъективного характера. Ледовая навигация всегда связана с повышенной вероятностью получения повреждений судами. Снижение рисков таких повреждений - первоочередная задача научно-оперативного обеспечения судоходства во льдах.

Основная научно-техническая деятельность автора связана с оценками безопасных условий ледового судоходства на внутренних водных путях России и в прибрежном плавании. Необходимо отметить, что планомерная кампания по продлению периода физической навигации на внутренних судоходных водоёмах, активно проводимая в период 70-х - 80-х годов прошлого века, к началу 90-х годов была свёрнута по причинам экономического характера. Кроме того, речной флот «поредел» (много судов было реконструировано для условий смешанного плавания), а оставшийся - «постарел» (сейчас его средний возраст составляет около 30 лет), поэтому его «ледовая» активность невелика. К настоящему времени сохранились потребности лишь в эпизодических ледовых транспортных операциях, обычно сопутствующих весеннему периоду развёртывания навигации. И хотя проблемы обеспечения безопасности ледового плавания (или зимнего отстоя судов) на внутренних водных путях сохраняются, о них не заявлено ни на уровне разрозненных мелких судоходных компаний, ни на уровне Министерства транспорта. В лучшем случае дело ограничивается редкими анализами ледовых аварий при судебных разбирательствах.

Но в отношении отечественного флота смешанного река-море плавания

негативная ситуация уже переломлена. За последнее десятилетие в дополнение к

реконструированным он ощутимо пополнился новыми грузовыми судами [46,68].

В настоящее время активно расширяются транспортные коридоры «Север-Юг» и

«Запад-Восток», внутренние водные пути России открываются для прохода

иностранных судов. Интенсивное освоение новых выгодных грузопотоков,

нежелание потерь фрахта, выполнение договорных обязательств различными

4

судовладельцами, арендаторами флота, стивидорными компаниями вынуждают их эксплуатировать свои суда максимально интенсивно и по возможности круглогодично. Последнее, как правило, связано с риском работы судов во льдах. Недостаточная компетентность судовладельцев, арендаторов, агентов и судоводительского состава в оценке ледовых качеств своих судов и интерпретации ледовых явлений дополнительно провоцирует попадание флота в нежелательные ледовые обстоятельства.

Таким образом, задача обеспечения безопасности ледового плавания данного флота в различных прибрежных регионах России является актуальной, что подтверждается достаточно высоким уровнем его ледовой аварийности [42]. Особо остра эта проблема для грузового флота, эксплуатируемого в битых льдах, потому что более 90% ледовых повреждений связано именно с данным видом плавания.

В последние годы под эгидой Международной морской организации ведётся

формирование Полярного Кодекса. Принятие этого документа призвано

узаконить общие нормы, требования и правила эксплуатации, обеспечения

безопасности плавания судов, охраны человеческой жизни и предотвращения

загрязнения в полярных водах, покрытых льдами. Главным условием обеспечения

безопасности ледового судоходства является соответствие ледовых качеств судов

ледовым условиям и режимам плавания. Ледовые качества нормируются

классификационными обществами (в России - Регистрами судоходства) и

присваиваются судну в виде ледового класса (ледовой категории). Однако

значительная пространственно-временная изменчивость ледовых условий и

явлений в сочетании со сложностью их надёжного прогнозирования часто не

позволяет соблюдать этот основополагающий принцип. При этом знание

характеристик судна в рамках ледового класса не является гарантией принятия

обоснованного решения в оперативной обстановке. Поэтому следует ожидать, что

принятие Кодекса повлечёт за собой разработку ряда национальных нормативов,

регламентирующих ледовое плавание судов (в том числе и в неарктических

водах). Первый шаг в создании подобных документов уже сделан. Так в декабре

5

2011 года Российский морской регистр судоходства (РМРС) издал циркулярное письмо [70], согласно которому судам ему поднадзорным и осуществляющим ледовые плавания рекомендуется иметь специальный документ - Свидетельство о допустимых условиях ледового плавания (Свидетельство).

Рекомендательное наличие Свидетельства со временем приведёт к его «добровольной обязательности», ибо его отсутствие наверняка будет связано с дискриминационными мерами (скорее всего, в явно не выраженном виде) при организации ледовых проводок. Поэтому уже сейчас заинтересованные и дальновидные судовладельцы подтверждают свои намерения в обеспечении Свидетельствами, по крайней мере, вновь построенных и имеющих ледовые категории судов. Этот документ призван уточнить и конкретизировать ледовые качества судна и условия его безопасной эксплуатации во льдах. Он выдаётся РМРС по заявке судовладельца после освидетельствования судна. При этом освидетельствованию должна предшествовать обязательная экспертная оценка его ледовых качеств. Она выполняется компетентной организацией, признанной для этих целей РМРС (ВГАВТ имеет такой статус). Результаты экспертизы, оформленные, например, в виде ледового паспорта судна [47,59], направляются для согласования в ГУ РМРС и учитываются при составлении Свидетельства.

Для современного судовладельца процедура получения экспертного заключения о ледовых качествах судна на основе натурных или модельных экспериментов, как правило, неприемлема по причинам экономического характера. Применение для этих целей классических полуэмпирических методик ограничено. Поэтому для решения экспертных ледовых проблем в настоящее время начинают использоваться САЕ-системы [103,105].

Инженерная практика автора была неоднократно связана с экспертной

оценкой последствий ледовых аварий или происшествий на объектах водного

транспорта, разработкой проектов оптимизации защиты судов от возможного

ледового воздействия [18,48]. Опыт показал, что существует обширный круг

частных задач маневрирования судов в различных ледовых условиях,

взаимодействия гидротехнических сооружений с ледяным покровом, решения

6

которых на базе традиционных аналитических методик неадекватны. Подобные процессы сравнительно непродолжительны, как правило, конкретизированы или оговорены дополнительными условиями, а поставленные задачи в конечном итоге сводятся к анализу ледовых качеств при указанных ограничениях. Поэтому для повышения достоверности выводов в достаточном ряде случаев эксперты также вынуждены были прибегать к моделированию ситуации с помощью САЕ-систем.

САЕ-системы - это программные комплексы, обеспечивающие численные (чаще в конечноэлементной постановке) решения в задачах механики твёрдых тел и различных сред. Трудоёмкость описания и относительная длительность выполнения задач в большой степени окупается высокой достоверностью, наглядностью, детализацией рассматриваемых процессов. Реализация методов строительной механики на базе современных высокопроизводительных вычислительных комплексов, дающая адекватный отклик, является признанным инструментом прогнозирования поведения конструкций в ряде отраслей науки и техники. Применение здесь упомянутых систем является не только средством анализа, но источником получения и контроля статистических данных и особенно в тех случаях, когда постановка эксперимента невозможна или экономически неоправданна.

Применительно к численным экспериментам по оценке основных ледовых качеств судов они позволяют вводить обоснованные критерии безопасности, корректировать традиционные аналитические методы или определять границы их применимости. В общем случае, традиционные решения, поверенные контрольным численным моделированием с помощью САЕ-систем - это инструмент, обеспечивающий оптимальное соотношение затрат судовладельца на проведение анализа ледовых качеств судов с достоверностью получаемых результатов.

Цель работы - это адаптация САЕ-систем для прогнозирования основных ледовых качеств судов при решении задач безопасности ледового судоходства на основе современных многоядерных персональных вычислительных систем.

1.Ледовые качества флота

1.1.Общие понятия. Ледовые качества и навигационная аварийность флота

Степень безопасности судна во льдах определяется уровнем его ледовых качеств. В классической трактовке ледовые качества - это способность судна противостоять ледовым явлениям как водного, так и атмосферного характера с целью обеспечения безопасности плавания и поддержания своих эксплуатационно-технических характеристик. Необходимо отметить, что в свете последних требований в рамках разработки Полярного Кодекса [50] этот термин следует толковать шире, так как касается он не только судна, но и его экипажа. Поэтому современное понятие ледовых качеств расширяется до границ знания экипажем этих качеств, умения их использовать и поддерживать для обеспечения безопасности собственного судна, судоходства вообще и эффективности ледовых транспортных операций с участием собственного судна. Хотя обязательные требования к компетентности команды для условий ледовой эксплуатации судна ещё не утверждены Международной морской организацией, в последнее время начинают использовать ледовые тренажёры [76] для обучения ледовых экипажей. К сожалению, математические модели, реализуемые в таких тренажёрах, не подлежат обсуждению, так как являются «know how» их разработчиков. С высокой вероятностью можно предположить их полуэмпирическое происхождение, периодически корректируемое методом «экспертных оценок». И хотя специализированная подготовка ледовых экипажей не является предметом исследования в данной работе, CAE-системы как инструмент оценки и корректировки моделей подобных тренажёров не стоит отвергать.

В состав традиционного набора ледовых качеств входят: местная ледовая

прочность корпуса и элементов движительно-рулевого комплекса, ледовая

ходкость и маневренность судна, а также работоспособность судовых систем,

устройств и механизмов в ледовых условиях и при отрицательных температурах

воздуха. Прочность корпусных конструкций является основополагающим

8

параметром судна, определяющим его безопасность во льдах. Пока это единственное нормируемое ледовое качество. По его оценкам классификационные общества устанавливают судну ледовую категорию (ледовый класс) [53,60], согласно которой регламентируются базовые допустимые ледовые условия и режимы его эксплуатации. Научные интересы автора настоящей работы связаны с изучением ледовых качеств грузовых судов внутреннего и смешанного река-море плавания, работающих в неарктических судоходных водоёмах. Этот флот поднадзорен как Российскому речному регистру, так и Российскому морскому регистру судоходства. Соответствие ледовых категорий этих классификационных обществ в отношении названного флота приведено в табл. 1.

Таблица 1

Соответствие категорий ледовых усилений судов по правилам Российского речного регистра и Российского морского регистра судоходства

Ледовая категория по правилам РРР Ледовая категория по правилам РМРС

Наименование Нормированные условия безопасной эксплуатации Наименование Нормированные условия безопасной эксплуатации

лёд 10 Эпизодические самостоятельные плавания в мелкобитых льдах толщиной не более 10 см

лёд 20 Эпизодические самостоятельные плавания в мелкобитых льдах толщиной не более 20 см

лёд 30 Эпизодические самостоятельные плавания в мелкобитых льдах толщиной не более 30 см

лёд 40 Эпизодические самостоятельные плавания в мелкобитых льдах 1се-1 Эпизодические самостоятельные плавания в мелкобитых льдах толщиной не более 40 см со

Ледовая категория по правилам РРР Ледовая категория по правилам РМРС

Наименование Нормированные условия безопасной эксплуатации Наименование Нормированные условия безопасной эксплуатации

толщиной не более 40 см скоростью не более 5 уз. Эпизодические плавания за ледоколом в канале в сплошном льду толщиной 35 см со скоростью не более 3 уз.

*лёд 60 Регулярные самостоятельные плавания в мелкобитых разреженных льдах толщиной 60 см со скоростью не более 5 уз. Регулярные плавания за ледоколом в канале в сплошном льду толщиной 55 см со скоростью не более 3 уз. 1се-2 Регулярные самостоятельные плавания в мелкобитых разреженных льдах толщиной 55 см со скоростью не более 5 уз. Регулярные плавания за ледоколом в канале в сплошном льду толщиной 50 см со скоростью не более 3 уз.

*лёд 80 \ Регулярные самостоятельные плавания в мелкобитых разреженных льдах толщиной 80 см со скоростью не более 5 уз. Регулярные плавания за ледоколом в канале в сплошном льду толщиной 75 см со скоростью не более 3 уз. 1се-3 Регулярные самостоятельные плавания в мелкобитых разреженных льдах толщиной 70 см со скоростью не более 5 уз. Регулярные плавания за ледоколом в канале в сплошном льду толщиной 65 см со скоростью не более 3 уз.

Примечание.

* - категории являются нормируемыми в соответствии с Инструкцией [23].

Следует отметить, что подавляющая часть грузового речного и флота смешанного плавания, если и имеет ледовые подкрепления, то их уровень редко превышает категорию «лёд-40» («1се-1»). В тоже время практика эксплуатации этих судов демонстрирует их частые попадания в ледовые условия, не соответствующие нормированному ледовому качеству. Поэтому обеспечение их безопасности в таких случаях требует также обоснованного выбора режима движения. Последнее связано с оценкой другого важнейшего ледового качества судна - ледовой ходкости.

Ледовая ходкость описывает способность судна к прямолинейному перемещению в ледяной среде, развивая некоторую достижимую скорость. В общем случае она связана не только с безопасностью судна, но и с эффективностью его эксплуатации в ледовых условиях. Поэтому в проект Полярного Кодекса [50] впервые включены предложения по нормированию этого ледового качества для судов арктических ледовых классов. Часто ледовую х�