автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.03, диссертация на тему:Проектное обоснование технических и экономических характеристик контейнерных и накатных судов

УДК 629.12.001

На правах рукописи

БОРОДАВИН ДЕНИС ИВАНОВИЧ

ПРОЕКТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ И ЭКОНОМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОНТЕЙНЕРНЫХ И НАКАТНЫХ СУДОВ

Специальность 05.08.03 - Проектирование и конструкция судов

2 9 МД? 1Ш

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

0050201

Санкт-Петербург 2012

005020730

Диссертационная работа выполнена на кафедре Проектирования судов ФБ ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Царев Борис Абрамович

Савинов Геннадий Володарович доктор технических наук,профессор, заведующий кафедры высшей математики, СПбГУЭФ

Шагиданов Владимир Иванович кандидат технических наук, руководитель сектора, ОАО ЦКБ «Айсберг»

ЗАО Центральный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт морского флота, г. Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится «17» апреля 2012г.-в 16 час. на заседании диссертационного совета Д 212.228.01 при Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете по адресу: 190008, Санкт-Петербург,

ул. Лоцманская, д. 3, ауд. А-313.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГМТУ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписями, заверенными печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета Д.212.228.01.

Автореферат разослан «/^»марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор

А.И. Гайкович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы определяется тем, что контейнерные и накатные суда имеют большое значение для экономики всех стран, поэтому повышение их эффективности путем совершенствования проектных методик является актуальной задачей. Важную роль играет установление рациональных проектных характеристик. Среди контейнеровозов актуально выявить преимущества и недочеты компоновок с «открытой» палубой. Для накатных судов актуально исследование перспективности носовых комноновок надстройки.

Эксплуатация контейнерных и накатных судов представляет собой сложный процесс, который должен быть отображен в проектной модели. Важное значение имеет организация погрузки и разгрузки на терминалах, достижение минимального стояночного времени. Требует анализа вопрос о рациональных скоростях, рост которых сдерживается тенденцией удорожания топлива. Поэтому совершенствование способов проектирования судов с быстрой грузообработкой является актуальным и представляет как научный, так и практический интерес.

Исследование базируется на основных положениях теории проектирования судов, теории оптимизации, теории мореходных качеств и строительной механики, теории математической статистики. Отмечено, что такие ученые, как Ашик В.В., НогидЛ.М., ПашинВ.М., Нечаев Ю.И., Бронников A.B., ГайковичАЛ, Савшюв Г.В., СахноаскийЕМ, Логачев СИ, ЦойЛГ, МашевичВА, МорейнисФА, ВласовВА, Захаров АС. ШагидановВИ. и другие посвятили свои работы развитию теории проектирования судов и её приложению к относительно быстроходным судам и к судам для ускоренной грузообработки. Коллективный вклад в развитие контейнерных и накатных судов сделан учеными ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, ЦНИИ Морского Флота и ЦКБ Балтсудопроект.

Предметом исследования являются способы и вычислительные алгоритмы, входящие в методику проектного обоснования контейнерных и накатных судов, базирующиеся на современных научно-технических принципах, расширенной базе данных, алгоритмических моделях, вычислительных процедурах, реализуемых с использованием разработанных программных средств.

Объектом исследования являются логико - математические модели и графо -аналитические способы, описывающие проектирование контейнерных и накатных судов и проектные аспекты рационализации процесса эксплуатации этих судов.

Целью исследования является разработка методик проектирования контейнерных и накатных судов для экономических и эксплуатационных условий региона Балтийского и Северного морей и проверка работоспособности этой методики на конкретных примерах и в более широком диапазоне параметров.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить такие рабочие задачи, как математическое моделирование судна, процесса его проектирования и процесса его эксплуатации; разработка типовых вариантов судов; формулирование выводов о влиянии характеристик вариантов на итоговые результаты.

На защиту выносятся следующие основные результаты: -Разработаны методика решения внешней задачи по обоснованию типа судна с быстрой грузообработкой для линии с известным грузопотоком и методики оптимизации контейнерных и накатных судов в рамках их внутренних задач. - На основе учета модульных факторов предложен для этапа проектных обоснований унифицированный ряд предпочтительных длин и высот корпусов контейнерных и накатных судов; для такого ряда произведены системные

обоснования и оценки экономических показателей, которые могут быть применены в качестве базовых величин при конкретном проектировании.

- Проанализирован вопрос об условиях применения балластировки на контейнерных и накатных судах в связи с уменьшением средней массы фактически перевозимых контейнеров и трейлеров.

- Рассмотрено методическое значение нового параметра «длина грейдерных линий» на накатных судах; показаны пределы изменения соотношения между длиной трейлерных линий и числом трейлеров, унифицированы длины трейлеров.

- Показана рациональность носового положения надстроек для накатных судов при сохранении машинного отделения в кормовой части.

В качестве научной новизны результатов можно выделить следующие факты: -Обновлена база данных по судам с быстрой грузообработкой и систематизированы данные по взаимосвязи их проектных характеристик.

- Разработаны новые методики: методика решения внешней задачи по обоснованию типа судна с быстрой грузообработкой для конкретной линии; методики оптимизации контейнерных и накатных судов для внутренних задач.

- Установлены новые тенденции при балластировке контейнерных и накатных судов, связанные с уменьшением средней массы фактически перевозимых контейнеров и трейлеров.

-В методике проектного анализа накатных судов рассмотрено значение нового параметра «длина трейлерных» линий» и предложены варианты унификации расчетных длин трейлеров.

-В диссертации разработан ряд новых формул и графиков для практического применения в алгоритмах проектного анализа контейнерных и накатных судов. Практическая значимость исследования состоит в следующем:

- Для обоснованных в диссертации методик разработаны алгоритмы расчета, рабочие программы и проведены практические параметрические расчеты, показавшие работоспособность и практическую пользу методик.

-Для практического применения рекомендованы унифицированный ряд предпочтительных длин и типизированные теоретические чертежи

- Определены практические критерии для применения вариантов контейнерных судов с открытой палубой и накатных судов с комбинированием трейлеров с дополнительными видами груза.

- В связи с увеличением доли рефрижераторных и вентилируемых контейнеров даны рекомендации по подключению контейнеров к электропитанию и по увеличению проектной мощности судовой электростанции.

Практическое значение диссертации обеспечено также прикладной направленностью, рассмотрением расчетных примеров, возможностью использования в практике проектирования систематизированной базы данных.

Теоретическая значимость диссертационного исследования состоит в разработке и обосновании новых положений в теории и методике улучшения эксплуатационных и мореходных качеств в результате оптимизационного исследования проектируемого судна. К числу таких положений можно отнести следующие позиции: -Разработанные в диссертации методики решения внешней проектной задачи по обоснованию типа судна с быстрой грузообработкой и методики оптимизации контейнерных и накатных судов в рамках внутренних задач дополнили методический аппарат теории проектирования судов учетом модульных факторов.

-Для унифицированного ряда предпочтительных длин и высот корпусов контейнерных и накатных судов произведены системные обоснования и оценки экономических показателей, которые могут быть применены в качестве базовых ветчин при конкретном проектировании.

-Дша методическая схема анализа вопроса о применении балластировки на контейнерных и накатных судах в связи с уменьшением средней массы фактически перевозимых контейнеров и трейлеров.

Апробация работы. Наиболее важные результаты исследования докладывались в 2009 году на конференции «Моринтех-Юниор»; на конференции НТО судостроителей им. А.Н. Крылова в 2010 «Единение науки и практики», на Международной научной конференции «Инновации в науке и образовании - 2011» в Южно-Сахалинске и на научном семинаре НТО им. А.Н. Крылова.

Публикации. Результаты диссертационного исследования опубликованы в 7 статьях, из которых 3 - в рецензируемых научных журналах и изданиях (выполнены без соавторов. Из публикаций в четырех работах доля диссертанта составляет 100 %, в двух работах доля автора составляет 50% и еще в одной работе 33%.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, содержит 191 странице основного текста (имеется 30 таблиц и 75 рисунков). Список литературы включает 149 наименований. Объем приложений составляет 53 страницы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, описываются главные особенности исследуемых судов, намечаются основные цели, вопросы и задачи темы, характеризуется последовательность их решения.

Первая глава посвящена постановке задачи и подзадач исследования на основе обзора литературы, посвященного состоянию работ по контейнерным и накатным судам, а также по их эксплуатации. Охарактеризована база данных по упомянутым судам, рассмотрена взаимосвязь проектных характеристик в виде графиков и формул. Методической особенностью диссертации является то, что она ставит основной задачей учесть новые явления в эксплуатации и проектировании контейнерных и накатных судов для корректировки ранее разработанных методик, в том числе, - путем более четкого учета модульности. Дополнительно ставится задача возможного выбора для конкретных линий самого тина судна с ускоренной грузообработкой. Анализ базы данных позволил дополнить методики и определить новые измерители, показатели и поправочные коэффициенты.

Дан также обзор литературы по рассмотрению вопросов методики оптимизационного проектирования контейнерных и накатных судов. В дополнение к работам специалистов, упомянутых на стр. 3 автореферата, дана характеристика исследований Балкашина А.И., БукшеваА.В., Белецкого В.В., Данилова Д.И., Кутенева A.A., Ляховицкого А.Г., Никитина Н.В., Прокудина С.А., Разуваева В.Н., Смирнова А.Г., Суслова А.Н., Николаева В.А., Сахновского Э.Б., посвященных совершенствованию методики проектирования судов с точки зрения учета требований к мореходности, безопасности и экономичности.

Отмечается, что проектный анализ рассматриваемых судов включает оптимизацию основных элементов и характеристик на основе базы данных, логико-математической модели и выбранного критерия оптимизации.

По контейнерным судам наиболее распространенный вариант компоновки соответствует рис. 1.

Рис. ¡.Средний контейнеровоз типичной компоновки с грузовым устройством

Обобщенная схема решения внешней задачи включает в себя изучение базы данных, сопоставление показателей эффективности контейнеровоза и накатного судна, выбор одного из них для решения внутренней задачи. В отношении формы обводов для накатных судов будут благоприятны обводы с большим развалом бортов, а для контейнерных судов - со значительными участками прямостенности. В модель проектного анализа войдут зависимости, учитывающие наиболее важные группы свойств этих судов, в том числе - экономические показатели, являющиеся частными критериальными условиями:

Условие проверки экономичности по капиталовложениям - цене судна:

Ц-аУ-Р+а хР+а хР + а хР + а, х Р, Гп

•Ч к к ус ус эу эу эш эш "фп фп и,'

где Рк - масса корпуса с оборудованием; Рус - масса устройств и систем; Р,у - масса энергетической установки; /\,„ - масса электрооборудования'и штурманских приборов; Рф„ - масса дополнительного функционально полезного оборудования (например, конкретных перегрузочных устройств, не учтенных в группах «корпус» и «устройства и системы»).

Условие проверки эксплуатационной экономичности по затратам за навигацию - годовым эксплуатационным расходам судна:

Э = а]хЦ + а2хРгхпр+а3хпж+а4хЦ (2)

где а! - доля амортизационных, ремонтных и снабженческих отчислений; а2 -стоимость одной тонны топлива; Рт - количество топлива, входящее в полную массу судна; пр - количество рейсов на заданную дальность за год; а3 - среднегодовая зарплата одного члена экипажа (с учетом накладных и навигационных расходов); пж -численность экипажа; а4- доля налогов и сборов по отношению к цене судна.

Условия проверки экономической эффективности

а) суммарная годовая провозоспособность в тоннах:

(3,=2*Ргр*пр (3)

где Ргр - грузоподъемность; пр - число рейсов.

б) суммарный доход:

д=/хд (4)

здесь Д - полный доход; / - тариф за одну тонну или за одну УГЕ; 0 -провозоспособность в соответствующей форме.

в) минимум себестоимости перевозки тонны груза (или одной грузовой единицы):

.и

Это условие наиболее пригодно для применения в качестве критерия оптимизации

Э/б = -*тт (5а)

г) годовая прибыль:

ПР = Д-Э (6)

д) срок окупаемости капиталовложений:

= ПР (7)

здесь /„„ - срок окупаемость; Ц-обозначает стоимость судна по (1).

Одним из выводов анализа информации является тот факт, что характеристики рассматриваемых судов меняются динамично. Поэтому можно сделать рекомендацию о том, что простой пересчёт с прототипа может оказаться недостоверным, если судно-прототип спроектировано давно.

При оптимизационном проектировании судна с ускоренной грузообработкой проектную задачу целесообразно разделять на несколько этапов, в том числе, на внешнюю и внутреннюю задачи. Практика оптимизационных исследований показала, что по ряду проектных величин область допустимых вариантов нередко совпадает с областью, фиксируемой при изучении графических представлений характеристик, входящих в базы данных. В подобной ситуации стихийной оптимизации логично искать оптимумы только для таких параметров, по которым база данных мала и не позволяет выявить четкие тенденции.

Установление критерия оптимизации проводится с применением формул (1)-(7). В критериальной части проектной модели выбирается один из подходящих экономических показателей целевой эффективности, либо производится комбинирование («свертка») нескольких критериев.

При определении сетки проектных вариантов формулируются сравниваемые варианты значений проектных величин, предназначенных для оптимизационного исследования (в практически рациональном интервале), и путем проверки включенных в модель ограничивающих условий отбираются технически допустимые варианты (рис. 2). В данном диссертационном исследовании применены принципы оптимизации в постановке В.М. Пашина и взята за основу предложенная им обобщенная схема решения внутренних проектных задач. После уточнения задания и систематизации базы данных по прототипам определяются главные размерения и коэффициент общей полноты судна. Для этой цели можно использовать метод последовательных приближений в той или иной реализации, либо существующие упрощенные оптимизационные модели, в том числе, рассмотренные В.М. Пашиным при описании конкретных моделей оптимизации элементов и характеристик судов.

Важную роль играет предварительное определение конструктивных элементов корпуса и подбор двигателей основных механизмов и оборудования с помощью моделей, предназначенных для оптимизации корпуса и энергетического комплекса. По полученным данным определяются масса и стоимость составляющих нагрузки, которые в последующем не будут зависеть от небольших изменений элементов, а также измерители для пересчета массы и координат центра тяжести.

Оптимизационный подход позволяет установить рациональные элементы судна: главные размерения, коэффициент общей полноты, абсциссу центра величины

для удифференговки, тип двигателя по частоте вращения, число и диаметр гребных винтов. Рассмотрение задачи на основе судна-прототипа позволяет в ответственных случаях использовать прямые расчетные методики.

Так же определяются исходные данные при решении остальных частных задач -оптимизации компоновки и размещения унифицированных грузов, а также для оптимизации гидродинамического комплекса и показателей безопасности.

(1.Задача но перевозку Л груза. Qgfi 2 ib )

2. Ограничения по оборудобонности

портоб назначения» окОатории функций ни робо ни«

З.Ваполненв условия благоприятные для накотнде с:

1)Ьоднае прегради

2) расстояния умереннее

3)ограниченда но границ» госудорстБ 4^бхпсутгапЛие кпмттм>ииналпЬ

накотное

Да

6. База данных для бнборо конпг судно-прототипа путем перебора бориантоа

_ЦВД.Р.УДпта_

7. База доннах для бвборо нокотн

судно-прототипа путем перебора бориантоЬ

9. Для принятого прототипа рссчетв себестоимости перебозкц провозоспособности

№.Расчет рентабелоности прототипа [Рент]

tt. Изменения характеристик судно-прототипа под требования заказчика и региона росчет проектируемого судна

tH'*t»i_

11 Расчет рентабельности Рент, для принятого бориснто судно при провозоспособности Q

15.Росшарение бта доннскэо счет ноЪвх вариантов судоС (расчет нескольких Вариантой)

/ 18. Детализация задания \

г но проектирование комтсуднсД

UBJ.D.V.N.r^ i архитектурно- компоновочные } \особенности,оборудо6оние /

Г

/ 19. Детализация эодония \ / но проектирование иакатнсудна\

l-.B,T,D,V,N,nJSj,n w \ архитектурно- компонобочные 1 \особенностй. оборудование /

Рис. 2. Решение внешней проектной задачи контейнерных и накатных судов

Координация последовательно решаемых задач, имеющая целью подчинить выбор всех проектных решений достижению максиматьной эффективности судна, осуществляется

с помощью частных критериев. Расчетная модель В.М. Паишна позволяет рассчитать большинство характеристик и параметров, входящих в функции ограничений и критерия эффективности судна. Методика проектного анализа, излагаемая в диссертации, в вопросах общего проектирования и разработки компоновок является развитием этой схемы.

Наиболее важные массы в составе нагрузки контейнерных и накатных судов определяются по методикам А.И. Гайковича и A.C. Захарова. В массе судна порожнем наибольшее значение имеет масса корпуса, поэтому при её минимизации используются рекомендации по рациональному выбору материала, изложенные в работах Г.В. Бойцова, О.М. Палия, A.A. Родионова. Для накатных судов конструктивные разработки направлены на более точное определение нагрузки и на минимизацию потерь при размещении трейлеров. На основе конструктивных разработок возможны оценки технологических вопросов, влияющих на экономические показатели, -трудоемкости постройки и стоимости корпуса.

Ограничивающие условия на область оптимизации целесообразно рассматривать в такой логичной последовательности, чтобы наиболее важные вопросы рассмотреть раньше и уменьшить число «возвратов» к началу модели («возврат» может потребоваться при невыполнении проверяемого ограничения).

Условие вместимости по объему грузовых единиц в корпусе:

V + а(Н -T)LB + WH>^fVJ (8)

где V - объемное водоизмещение; Ч'н - объем надстроек; IVj - отдельные объемы по конкретному функциональному назначению.

Помимо объёмов, при анализе вместимости и компоновки необходимо также решить частные задачи оценки числа грузовых единиц, исходя из целочисленности числа их рядов по длине, ширине и высоте. На практике эти величины определяются менее строго на основе установившихся соотношений между теоретическими объемами трюмов и числом контейнеров п полн в зависимости от положения трюмов по длине судна:

Пполн = kL nL * kB ПВ * kH ПН (9)

здесь ül , Па и Пн - число рядов по длине, ширине и высоте; kL, kB и кн - поправочные коэффициенты на учет криволинейности обводов корпуса. Аналогичная формула применима для определения число контейнеров на верхней палубе, только поправочные коэффициенты будут гораздо ближе к единице.

Условие вместимости по площадям (для накатных судов с преимущественной перевозкой трейлеров):

п,

Spac = {а х Lx Вх К яр )пяр > £ Sj (10)

7 = 1

где Spac„ - располагаемая площадь; а - коэффициент полноты конструктивной ватерлинии; Кяр - коэффициент использования площади ярусов; пяр - число ярусов используемых грузовых пространств; Sj - требуемая площадь по j-ой составляющей для различных накатных грузов. При определении объема корпуса исходной величиной служит расчетное водоизмещение подводной части, для этого необходимо использование баланса сил веса и сил плавучести.

Уравнение плавучести и рациональной структуры нагрузки применяется в обычной форме. При решении проектных вопросов существенное значение имеет условие соответствия мощности и ходкости. Достаточно точное уравнение мощности для энергетической подсистемы должно содержать данные по оценке сопротивления воды движению судна:

^ ''—1<ГлМ (П)

102т; 1 1 V '

В практике проектного анализа при наличии близкого прототипа широко применяется также флотская формула и формула адмиралтейского коэффициента.

Для контейнерных и накатных судов величина этого коэффициента сравнительно стабильна В формуле (11) в левой части представлена мощность энергетической установки; [Л/] - мощность двигателя по каталогу фирмы изготовителя; -сопротивление движению судна по .¡-ой составляющей; V/ - скорость в м/с; Г] - КПД двигателя с поправками (лропульсивный коэффициент).

Условие балластировки при последовательном проектном и эксплуатационном контроле положения центра тяжести вытекает из требований остойчивости, ему было уделено значительное внимание (рис. 3).

6000 , ..... .

4000 :..............;

3000 :

2000 • .

-мну атен -ЯттлчПйЯ

Н 5

0

7.0 12.0 17.0 22.0

Средняя массл одного контейнера ТЕи# т

Рис. 3. Изменение количества балласта для обеспечения остойчивости.

По горизонтальной оси указаны средние массы ТЕи (унифицированной грузовой единицы) в тоннах, по вертикальной оси - требуемая масса балласта в тоннах.

Условие удифферентовки:

1 8

х я = - « х с ( ^ г ) (12)

Здесь xg - положение центра тяжести судна по длине; £Ррс, — суммарный момент произведений конкретных масс и их частных координат; хс - значение абсциссы центра величины, удовлетворяющее рекомендациям по ходкости, формула (24).

Условием начальной поперечной остойчивости является обычная формула начальной метацентрической высоты с учётом возможного наличия свободных уровней в топливных или балластных цистернах.

Условие непотопляемости проверяется по допустимой длине отсеков (на основе прототипов):

{1Цх) < [''(*)]} 03)

и по оценке затопления конкретных отсеков, включая оценку аварийной остойчивости

1 х В }

А А = -< Л (14)

мет .авар. \2У мет У1^'

здесь 1{Х) - фактическая длина ¡-го отсека; \1,(х)\ - допустимая длина ¡-го отсека по диаграмме предельных длин; 1тах - длина наибольшего отсека; V - объемное водоизмещение судна.

Условие благоприятного обзора из рулевой рубки за счет ее надлежащего положения по высоте и по длине:

Нр / (Ннос - Т) = Ьр / Ьцо (15)

здесь Нр - возвышение уровня глаз рулевого над ватерлинией; Ннос " высота борта на уровне козырька бака; Ьр - отстояние лобового стекла рулевой рубки от козырька бака; Ьдоп - допустимая протяженность зоны невидимости под форштевнем (обычно - не более длины судна).

Условие мореходности проверяется по частному критерию плавности качки для условия выхода из области резонанса:

> 1,25 х 0,8 Д" (16)

А,™

здесь в левой и правой частях даны развернутые выражения периода собственных колебаний судна Гс и периода волны Хв ; Имет - метацентрическая высота; Ав - длина волны; 1,25 - коэффициент запаса по отношению к резонансу. Условие (16) наиболее актуально для накатных судов, а у контейнерных судов остойчивость, как правило, минимальна и качка благоприятна

Условие управляемости по ветробойностн с позиции противодействия дрейфу:

где Кв - коэффициент ветробойности; - площадь парусности.

Условие управляемости по продольной центровке, обеспечивающей

противодействие уходу с курса при встречно - боковом ветре:

|>Л

/=1 ¡-л

м )=\

здесь Хц - абсцисса центра парусности; Х^с ~ абсцисса центра бокового сопротивления подводной части корпуса; , .X, - площади и координаты отдельных элементов парусности;^ , Х] - площади и абсциссы элементов подводной части судна, создающих боковое сопротивление; [а] - проектный допуск по боковой центровке;

11

(19)

Кв - допустимое значение коэффициента ветробойности; Ь - расчетная длина; Н -высота борта; Т-осадка судна.

Вторая глава посвящена способам обоснования проектных решений, анализа главных технических и экономических характеристик. Основой анализа является совокупность формул, примеры которых приведены при изложении содержания первой главы. Вместимость судна, выражаемая чаще числом унифицированных грузовых единиц (УГЕ) тесно связана с его Компоновкой, но задачи анализа несколько различаются. Для Вместимости важно проанализировать общий баланс объемов и площадей. При анализе Компоновки главное значение имеет установление числа главных переборок, палуб и платформ, а также определение рациональных расстояний между ними.

В общей теории проектирования судов используется уравнение Вместимости В.Л. Поздюнина, в котором главное внимание обращается на анализ кубатуры. Для судов с быстрой грузообработкой из-за дискретности грузовых единиц этого недостаточно, -требуется конкретный анализ «удобных» площадей и объемов с учетом криволинейности поверхности корпуса По тем же причинам для рассматриваемых судов нет необходимости в построении полных эпюр емкости, а достаточно рассчитать эпюры для цистерн (главным образом, - балластных).

По В.В. Ашику формулу вида (8) удобно преобразовать к форме произведения главных размерений и сопоставить с формулой Плавучести:

здесь V - объемное водоизмещение; к - коэффициент учета седловатости и развала бортов; а - коэффициент полноты ватерлинии; Н- высота корпуса; Г- осадка.

Для перехода к значению главных размерений надо разделить обе части (20) на ЬВТ. Из анализа структуры объемов IV, соответствующей формуле (8), можно установить объемы составных частей. Если под IV понимается полная кубатура груза, то из нее следует выделить палубный груз и взять поправочный коэффициент к№ к трюмной части Штп. Тогда после преобразования (20) для ЬВТ можно получить выражение:

IV = У + ка1В{Н - Г) = ¿ВТ 3 + ка\у-1

(20)

5 + ка(--1)

(20а)

Далее применяются замены:

В =

ь

(21)

Т =

В

(21а)

Тогда можно длину Ь :

После уточнения Ь по (22), полученное значение распределяется по разделам, принятым при анализе компоновки. Ширина и осадка определяются в соответствии с (21) и (21а). Высота корпуса может быть найдена в виде:

где Н0 и Т0 соответствуют прототипу.

Определение мощности главных двигателей является одной из главных задач проектирования. Мощность определяется при заданной скорости, а скорость - в случае рекомендованной заказчиком мощности конкретного двигателя. В связи со всё более широким применением рефрижераторных и вентилируемых контейнеров, важное значение имеет проработка систем для их подключения к электропитанию, а также повышение потенциальной производительности холодильных установок и мощности электростанций (в полтора — два раза).

Для контейнерных и накатных судов особого внимания требует соотношение высоты корпуса и осадки. Первая из этих величин на контейнерных и накатных судах существенно выше, чем у грузовых судов обычного типа, а осадки (при сопоставимых длинах) - меньше. Для накатных судов этот вопрос особенно важен, так как он влияет на возможность обеспечения непотопляемости при стремлении иметь возможно более длинные трюмы. Более подробно он рассмотрен в главе 4.

Если у спроектированного судна будет много поперечных переборок и высота борта будет больше минимальной, то будет обеспечен более высокий уровень непотопляемости, однако корпус будет стоить дороже, так как возрастут массы. Так как величина (Н-Т) имеет большое значение не только для мореходности и остойчивости, но также и для непотопляемости, то важно осознать, какой уровень непотопляемости следует планировать судну анализируемого типа

В дополнение к информация для экономических оценок, рассмотренной в первой главе на основе идей И.Г. Бубнова и В.М. Пашина, после детализации нагрузки создается возможность определения цены по обобщенной методике Л.И. Балкашина. Для этого необходимо иметь информацию по ценовым показателям, которые приходится оперативно корректировать по мере изменений соотношений валют и цен на мировых рынках. Надо иметь в виду различный уровень цен в дальневосточных странах, в нашей стране, в Западной Европе и США.

Завершение главы - формирование схем оптимизации рассматриваемых судов. Для примера далее приводится схема для накатного судна (в главе 4, рис. 5).

В третьей главе рассмотрено обоснование проектных параметров и архитектурной компоновки (рис.1,4), что имеет особое значение для контейнерных судов. Сразу после определения базовых главных размерений для формирования облика судна и для установления возможности размещения перегрузочного оборудования необходимо определить общую структуру компоновки. Сюда входят число отсеков, их доля в общей длине и функциональное предназначение.

Уравнение компоновки может быть выражено в виде:

/=1

здесь I, - длины конкретных отсеков, имеющих определенное функциональное назначение.

(22а)

п

(23)

Уравнение (23) можно также представить в более удобной относительной форме:

'О

, (23а)

1=] )

Компоновка помещений сильно влияет на возможность удифферентовки, при анализе которой часто используются рекомендации специалистов по ходкости в виде зависимости х<УЬ = Г (5). В них при Й = 0.63-0,65 положение ЦВ примерно совпадает с серединой судна. На основе этого В.В. Ашиком предложена формула хс/Ь = 0,12(^-0,63)±0,01

Положение центра тяжести по длине можно определить по формуле (12) первой главы. Положение центра тяжести по высоте zg определяется в виде

г

^ ' (25)

здесь Р1 - составные части нагрузки; 21 - вертикальные координаты этих частей.

Подробно проанализирован вопрос о балластировке и получены графики типа рис. 3. Определены данные по продольной центровке и ветробойности контейнерных судов. В тех случаях, когда Кв не превышает величины 1,8 - 2,1 , судно может обходиться без подруливающих устройств. При Кв больше 2,1 рекомендуется устанавливать подруливающее устройство (в первую очередь, в носовой части судна). А при К„ больше 2,5 надо уже предусматривать два таких подруливающих устройства.

По результатам третьей главы сформулирована схема проектного обоснования контейнерных судов. В ходе оптимизационных обоснований в зависимости от общего числа контейнеров могут быть найдены базовая длина судна и другие исходные главные размерения. Рациональна примерно следующая последовательность методических действий по переходу от проектного задания к определению наиболее важных проектных характеристик:

1)По заданному дедвейту и по коэффициентам использования полный массы по дедвейту можно определить ожидаемое значение полной массы. По заданной скорости можно найти относительное удлинение по формуле Ногида с исправленным коэффициентом: для контейнерных судов К = 2,0 с колеблемостью до 6 % , для накатных судов К = 2,2 с колеблемостью до 8 %, а затем и саму длину.

Информация базы данных позволяет найти длину (для судов с числом контейнеров от 400 до 2000) также в виде функции от числа контейнеров (колеблемость около 10 %)

1>перп=47 + 3*(пк)0,5 (26)

2)Лри известном водоизмещении определение длины сходно с процедурой, отображенной в формулах (20 - 22а). При определенном числе Фруда и коэффициенте общей полноты привлекаются в анализ типовые чертежи базы данных, учитывающие возможность модульной унификации коэффициентов общей полноты для типовых теоретических чертежей. При определении базового значения В оно корректируется для контейнеровозов на кратность величине 2,6 м (ширина контейнера + средний зазор). После определения значения Н оно также корректируется для контейнеровозов на кратность величине 2,5 м (при этом учитывается соизмеримость высот второго дна и комингсов люков).

На основании полученных размерений можно путем прорисовки компоновки

с учетом дискретности контейнеров, уточнить проектные характеристики.

14

к—"У"'

Ьк?'" 'г*'." .АЛ

+ -'- -О- -'"- + -^■-'М ь -'- + -'- -< и И-'- ЬгУНгЛ -IЬ Л * ---

г + ^-нЙ и*-+■■*--<

"Ху

М- + < 1 I И М--Н-4-4 •» -•4+44-44-)

+4 +-+ + ++, > М > I » 1

44 -Й+44 Ч 44+4+441 +444+ 4 н

Рис. 4. Схема контейнеровоза с частично «открытой» палубой. Четвертая глава но структуре аналогична главе 3, но посвящена накатным судам (рис.5).

Рис. 5.Схема разделов проектного обоснования накатного судна Особенности их архитектурной компоновки (рис.6) связаны с более крупными размерами трейлеров и с более ограниченными возможностями размещения трейлерных линий.

-----1!—

ШО ю-ио.

■^ХЛЮ

Рис. 6.Накатное судно с промежуточным положением надстройки

При обосновании функционального оборудования накатных судов проведено экспертное сопоставление рационального типа грузовых устройств. Сравнивались пандусы, аппарели и подъёмники по следующим позициям: габариты, надёжность, масса, скорость перемещения трейлеров, связь с высотой твиндека, минимальность вырезов в конструкции палуб. Долевые коэффициенты менялись от 0,3 до 0,06. По сумме оценок лучшими оказались аппарели, но 2 других варианта уступили им лишь на 2 % (пандусы) и на 7 % (подъёмники).

Пятая глава посвящена практической оптимизации проектных характеристик. Внешняя задача пополнения состава флота предусматривает оптимизацию флота контейнерных и накатных судов по критерию минимума совокупных затрат, которые минимизируются в пределах ограничений, установленных в конкретной оптимизационной задаче. К ним относятся: заданный грузопоток при сбалансированности количества контейнерных и накатных судов, выполнение ограничений по использованию существующих судов и портов. При этом в общем случае предусматривается возможность решения задачи в двух вариантах - плановом и стихийном:

1)перевозки при различных сочетаниях контейнеров, трейлеров, легковых автомобилей и других видов перевозимых грузов осуществляются в количестве, соответствующем намеченному числу судов различных типов; условно оптимальный флот обеспечивает перевозки в объеме, возможно более близком к намеченному плану;

2)оптимальный флот обеспечивает перевозки в объеме стихийно сложившегося грузопотока, переключая на себя возможно большую его часть благодаря минимизации себестоимости и тарифов.

Математическая модель внешней задачи позволяет оптимизировать флот, исходя из максимума уровня рентабельности, то есть отношения прибыли, рассчитанной по провозоспособности, к капиталовложениям и другим основным фондам судовладельцев и их флота.

При выполнении граничных условий на область оптимизации требуется:

1) минимизировать совокупные затраты Ц^ = ^ по группе контейнерных и накатных судов или по всему их флоту

/, -> ш'ш (27)

2) либо максимизировать уровень рентабельности флота

/2=^->тах (27а)

здесь Д - доход от перевозки контейнеров или трейлеров группой судов; Э - общие эксплуатационные расходы; Цсум - стоимость основных фондов существующего флота и капиталовложений на пополнение флота. Если вместо (27а) принять обратную величину - срок окупаемости, то его следует минимизировать.

Основные экономические показатели были рассмотрены в главе 1 , а их составные части в главе 5 конкретизируются и используются в расчетных примерах с показателями, соответствующим условиям постройки и эксплуатации контейнерных и накатных судов в регионе Балтийского и Северного морей.

Технические и экономические факторы показывают, что применительно к условиям, характерным для конкретных регионов и при минимальности планового подхода, целесообразно исследовать лишь частные вопросы внешней задачи, а основное внимание сосредоточить на обосновании тех параметров, которые входят в состав внутренних задач для контейнерных и накатных судов.

Для этих задач представлены детальные блок-схемы для контейнерных и накатных судов, которые в значительной степени унифицированы. На основании анализа взаимосвязи проектных характеристик имеется возможность сформулировать варианты судов, определить их ожидаемую вместимость, грузоподъемность, потребность в балластировке и экономические показатели.

Путем сопоставления этих показателей можно определить затраты, приходящиеся на перевозку одной унифицированной грузовой единицы. От этого показателя будет зависеть лимитный тариф. Тогда можно указать тот диапазон исследуемых на оптимальность проектных характеристик, при котором лимитный тариф будет приемлем для внутренних потребителей и не повредит конкурентоспособности при ориентации на сдачу судов во фрахт на мировом рынке.

Пример графической интерпретации полученных результатов дан на рис. 7. Исследовалась величина себестоимости перевозок в расчете натонномилю.

/г

130 1«

НАКАТНЫЕ СУДА

Рис. 7.Изменение себестоимости тонномили в интервале длин контейнерных и накатных судов при диапазоне скоростей от 16 до 20 узлов.

Видно, что у контейнерных судов показатели более благоприятны. Однако накатные суда будут продолжать находить применение на тех линиях, где устойчивому грузопотоку трейлеров препятствуют водные преграды.

При экономическом анализе исследовалось также влияние протяженности линий, были сделаны различные предположения о соотношении скорости и дальности рейса судов с быстрой грузообработкой, то есть фактически варьировалось ходовое время, влияющее на массу топлива и на соответствующую часть эксплуатационных затрат.

Было рассмотрено 3 варианта цен на топливо (300, 400 и 500 дол за тонну) -«дешевое», «среднее по цене» и «дорогое», соответственно и себестоимость получалась малой, средней и большой.

В рассмотренных случаях по критерию отношения себестоимости перевозки одной тонны груза благоприятно повышать размеры судов. Однако с методической точки зрения важно то, что при использовании в критериях совокупных расходов у части вариантов намечается оптимум при умеренных размерах судов.

В заключении приводятся основные результаты работы, определяющие ее научную и практическую значимость. Они состоят в следующем:

Разработаны методика решения внешней проектной задачи по обоснованию типа судна с быстрой грузообработкой для конкретной линии с известным грузопотоком и методики оптимизации контейнерных и накатных судов в рамках внутренних задач их проектного анализа.

В ходе научного обоснования и практического внедрения этих методик:

1.Обновлена база данных по судам с быстрой грузообработкой и систематизированы данные по взаимосвязи их проектных характеристик. Для контейнерных и накатных судов вопросы определения вместимости решаются с учетом дискретности грузовых единиц - контейнеров и трейлеров.

2.Показано, что учет модульных факторов позволяет ориентироваться при проектных обоснованиях на унифицированный ряд длин и других параметров корпусов контейнерных и накатных судов. Для такого ряда произведены системные обоснования и оценки экономических показателей, которые могут быть применены в качестве базовых величин при конкретном проектировании.

3.Анализ соотношения данных по мощностям и скоростям показал, что для контейнерных и накатных судов скорости выше, чем у грузовых судов обычного типа, но по числам Фруда скорости не выходят из среднескоростного диапазона. Это дает возможность применять коэффициенты общей полноты в интервале величин от 0,53 до 0,73, при этом теоретические чертежи могут быть типизированы при ограниченном числе дискретных значений упомянутых коэффициентов.

4.Установлены новые тенденции в применении балластировки на контейнерных и накатных судах, связанные с уменьшением средней массы фактически перевозимых контейнеров и трейлеров.

5.Для контейнерных судов проанализированы условия, при которых целесообразно применять варианты с открытой палубой.

6.В методике проектного анализа накатных судов рассмотрено значение нового параметра «длина трейлерных» линий», показаны пределы изменения соотношения между длиной трейлерных линий и числом трейлеров, предложены варианты унификации расчетных длин трейлеров.

7.При анализе рационального положения надстроек для накатных судов выявлена предпочтительность их носовой компоновки при сохранении машинного отделения в кормовой части. В связи с тенденцией широкого применения на судах электродвижения перспективным вариантом может стать расположение дизель-генераторов в носу судна и электро-моторного отсека - в корме.

8.Усгановлено, что среди накатных судов варианты преимущественно трейлерных судов применяются реже, чем комбинированные варианты со значительной долей контейнеров и легковых автомобилей.

9.Проведен анализ перегрузочных устройств для накатных судов и выявлена тенденция относительно редкого использования лифтов.

Ю.Показано, что в связи с увеличением доли рефрижераторных контейнеров на накатных и контейнерных судах при их проектировании необходимо большее внимание обращать на системы подключения контейнеров к электропитанию и на увеличении проектных мощностей судовой электростанции.

11.В диссертации разработан ряд новых формул и графиков для практического применения в алгоритмах и программах проектного анализа контейнерных и накатных судов.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах автора:

а) в рецензируемых научных журналах и изданиях:

1.Бородавин Д.И. Проектное обоснование среднетоннажных накатных судов // Морские Интеллектуальные Технологии, Санкт-Петербург. 2011, №1(11), с. 3 - 7 (Автор - 100%).

2.Бородавин Д.И. Проектное обоснование эффективного варианта контейнеровоза средней вместимости // Морской Вестник, 2011, № 3 (39), с. 22-26 (автор 100 %).

3.Бородавин Д.И. Схема проектного анализа контейнерных судов // Вестник Астраханского госуд. техн. университета. Серия.: Морская техника и технология. 2011, № 1, с. 7 - 13 (автор 100 %).

б) в других изданиях:

4.Бородавин Д.И. Проектные особенности судов с ускоренной грузообработкой // Труды пятой общероссийской конференции молодых ученых и специалистов по морским интеллектуальным технологиям «МОРИНТЕХ-ЮНИОР 2009», СПб., Санкт-Петербург. 2009, с.171-173 (Автор 100 %).

5.0птимизационное сопоставление накатных и контейнерных судов / Бородавин Д.И., Царев. Б.А. Оптимизационное сопоставление накатных и контейнерных судов II Тезисы трудов конференции «Единение науки и практики — 2010», СПб., НТО судостроителей им. акад. А.Н. Крылова 2010. с. 11 (Автор - 50%).

6.Схема оптимизации комплексов морской техники / Горюнов Г.И., Бородавин Д.И., Царев Б.А. Схема оптимизации комплексов морской техники // Тезисы трудов конференции «Единение науки и практики - 2010», СПб., НТО судостроителей им. акад. А.Н. Крылова. 2010. с. 17-18 (автор 33 %).

7.Учет региональных особенностей применения судов для ускоренной грузообработки / Бородавин Д.И., Царев Б.А. Учет региональных особенностей применения судов для ускоренной грузообработки // Мореходство и морские науки -2011. Южно-Сахалинск, изд. СахГУ, 2011, с. 34-43 (автор 50 %).

Издательство СПбГМТУ, Лоцманская, 10 Подписано в печать 12.03.2012. Зак. 4324. Тир. 100. 1,0 печ. л.

Министерство образования и науки РФ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет»

61 12-5/3214 На правах РУКОПИСИ

УДК 629.12.001

БОРОДАВИН ДЕНИС ИВАНОВИЧ

ПРОЕКТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ И ЭКОНОМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОНТЕЙНЕРНЫХ И НАКАТНЫХ СУДОВ

Специальность 05.08.03 - Проектирование и конструкция судов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Царев Борис Абрамович

Санкт-Петербург 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

В1 .Актуальность исследования 4

В2.Общая характеристика исследования 9

ВЗ.Выводы для постановки задачи исследования 13

^Формулирование проектных задач

1.1 .Обзор исследований по методике и особенностям проектирования судов с ускоренной грузообработкой 18

1.2. Экономические аспекты внешней проектной задачи 30

1.3. Важнейшие проектные характеристики и элементы контейнерных

и накатных судов. Их взаимосвязь с главными свойствами 34

1.4. Практическая схема сочетания оптимизационного решения

внешней задачи и проектных характеристик в двух внутренних задачах 39

1.5. Характеристики ограничений на область оптимизации для судов

с ускоренной грузообработкой 42

2.Сиособы обоснования проектных решений для судов с ускоренной грузообработкой

2.1.Компоновка и вместимость судов с ускоренной грузообработкой

Переход от баланса объемов и площадей к главным размерениям 48 2.2.Обеспечение ходкости и мореходности. Размещение энергетической установки и топлива

2.2.1 .Актуальные характеристики теоретических чертежей 53

2.2.2. Оценки мощности 57 2.2.3 Обоснование числа движителей для контейнеровозов

и для накатных судов 63

2.3.Обоснование рациональных схем оценки масс 66 2.4.Конкретные оптимизационные схемы

для контейнеровозов и накатных судов 69

2.4.1Блок-схема для контейнеровозов 70

2.4.2.Блок-схема для накатных судов 72

З.Определение основных показателей

и характеристик для контейнеровозов

3.1.Обоснование архитектурно-компоновочного типа

3.1.1 .Принципы разработки компоновочного типа 74

3.1.2.Принципы компоновки малых и средних контейнеровозов 79

3.2.Показатели и характеристики при оценке остойчивости и балластировки 87

3.3.Оценка ветробойности и управляемости 95

3.4.Детализация вопросов, входящих в методику проектирования 99

Раздел 4.Модель проектирования накатных судов

4.1 .Обоснование архитектурно-компоновочного типа 116

4.2.0бзор типовых накатных судов 118

4.3.Уточнение данных по функциональному оборудованию 128

4.4.Обеспечение непотопляемости 132

4.5.Детализация вопросов, входящих в методику 136

Раздел 5. Приложение разработанных способов проектного анализа к практическим задачам.

5.1. Принципиальная схема проектного обоснования контейнерных

и накатных судов 149

5.2.Схема анализа проектных характеристик для контейнеровозов 151

5.3.Схема анализа проектных характеристик для накатных судов 162

5.4.Результаты сопоставления контейнеровозов и накатных судов 169

5.5.Сопоставление результатов исследования 173

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 176

ЛИТЕРАТУРА 179 ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1 .Обзор контейнерных и накатных судов 192 Приложение 2.Практические данные по береговым терминалам

и перегрузочной технике 207

Приложение 3 .Информация для экономических оценок 210

Приложение 4.Принципы балластировки 220

Приложение 5.Элементы грузового оборудования накатных судов 228

Приложение б.Информация по рабочим программам 234

ПРОЕКТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ И ЭКОНОМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОНТЕЙНЕРНЫХ И НАКАТНЫХ СУДОВ

ВВЕДЕНИЕ

В1.Актуальность исследования

Актуальность темы определяется тем, что контейнерные и накатные суда имеют большое значение для экономики всех приморских стран, поэтому повышение их эффективности путем совершенствования проектных методик является актуальной задачей. В современных условиях важную роль играет установление рациональных проектных характеристик каждой группы рассматриваемых судов. Например, среди контейнерных судов актуально выявить преимущества и недочеты компоновок с «открытой» палубой. Для накатных судов актуально исследование перспективности носовых компоновок надстройки.

Эксплуатация контейнерных и накатных судов представляет собой сложный процесс, который должен быть отображен в проектной модели. Важное значение имеет принцип организации погрузки и разгрузки на контейнерных терминалах, достижение минимального стояночного времени. Требует анализа вопрос о рациональных скоростях, рост которых сдерживается тенденцией удорожания топлива. Поэтому совершенствование способов проектирования судов с ускоренной грузообработкой является актуальным и представляет как научный, так и практический интерес [2,13,14].

Рис. В1.Средний контейнеровоз типичной компоновки с грузовым устройством

Суда с ускоренной грузообработкой приобретают все большее распространение в мировом торговом флоте. К таким судам относятся

специализированные контейнерные суда, накатные суда (они же называются судами Яо-Яо), комбинированные суда (накатное судно с возможностью размещения контейнеров на верхней палубе), паромы, специализированные автомобилевозы. Раньше суда с ускоренной грузообработкой разделяли на две группы: линейные и фидерные. Линейные суда отличались значительными размерами и сложившимся маршрутом работы на дальних линиях, к судам фидерным относили такие, которым работали на линиях меньшей протяженности (до 1500-1700 морских миль) и обладали большей гибкостью по портам заходов [19,20,22,26].

Рис. В2. Накатное судно с кормовой аппарелью и с надстройкой промежуточного положения между кормой и серединой длины.

Количество контейнерных, накатных и других видов судов с ускоренной грузообработкой и их размеры значительно увеличились за последние годы. Изменились и их проектные характеристики. Связано это, в первую очередь, с повсеместной контейнеризацией и пакетизацией, а именно, со стандартизацией упаковки практически любых видов грузов и при этом любого класса опасности.

Рис. ВЗ. Автомобилевоз с угловой кормовой аппарелью.

Распространение контейнера, как универсальной тары, связано с удобством самой тары, дешевизной эксплуатации и упрощением декларирования при перевозке грузов в контейнерах, особенно это касается относительно дорогих штучных грузов, для которых опасна перевозка в открытом виде.

Одним из недавних примеров развития данного подхода является приспособление контейнеров для перевозки горячего брикетированного железа (ГБЖ). Проект такой перевозки был разработан одной из фирм г. Санкт-Петербурга. ГБЖ при перевозке навалом представляет из себя опасный груз и при перевозке требует выполнения специальных требований по температуре и влажности. При перевозке ГБЖ в контейнерах груз превращается в «генеральный». При подготовке груза в закрытых цехах специальные требования нужны непосредственно при погрузке ГБЖ в контейнеры, доступ в этом случае к грузу значительно облегчен и обеспечен контроль в гораздо большем объеме.

Перевозка грузов в контейнерах или грузов в упаковке, близкой к контейнерам, могут осуществляться специализированными контейнерными судами (контейнеровозы ячеистого типа), судами накатными, где в качестве грузового оборудования используются ролл - трейлеры, с закрепленными на них контейнерами или пакетами грузов.

На линиях внутренних морей, например, Балтийского моря, можно выделить два типа судов со скоростной грузообработкой - относительно небольшие контейнеровозы (с контейнеровместимостью до 2000 контейнеров) и накатные суда (с суммарной длиной трейлерной линии до 3000 метров)

На фоне постоянно растущей потребности в перевозках грузов с минимальными затратами времени проблема проектирования судов с ускоренной грузообработкой становится комплексной, то есть невозможно рассматривать проектные задачи без проработки береговой инфраструктуры.

Постановка задачи проектирования должна опираться на данные об объемах грузопотоков, которые способны пропускать через себя порты данного региона. Зная тенденции развития конкретного региона, можно с большей точностью

сформулировать внешнюю задачу проектирования комплекса судов с ускоренной грузообработкой [24,25,28,29].

Рис. В4. Накатное судно с открытой угловой кормовой аппарелью.

Численность флота специализированных контейнерных судов превосходит численность накатных судов на порядок, тем не менее, накатные суда остаются в портфеле заказов. Основное отличие контейнерного судна и накатного заключается в требованиях к инфраструктуре портов. Для эффективной работы контейнерной линии порт должен быть снабжен дорогостоящим оборудованием, включающим специализированные краны, площадки хранения, мелкой перегружающей техникой (специализированный контейнерный терминал). Для работы накатного судна в первую очередь необходимо иметь подготовленную портовую площадку и причал. Таким образом, порты, не имеющие специализированного контейнерного терминала, накатные суда могут обслуживать с большей эффективностью, чем контейнерные. Так как капитальные затраты на постройку специализированных контейнерных терминалов весьма значительны, накатные суда будут востребованы [1,36,41,49].

Рис. В5. Крупное накатное судно. 7

В настоящее время существует ряд методик определения основных проектных характеристик судов с ускоренной грузообработкой, но они в некоторых частях уже устарели, потому что прошло около 30 лет с момента их публикаций. За это время претерпели изменения архитектурно - компоновочные типы данных судов, а также внешние экономические условия эксплуатации данных судов [16,17,38].

Рис. В6.Автомобилевоз.

Актуален вопрос проектирования с учетом комплексной транспортной модели, состоящей из нескольких подсистем, включающих в себя решение внешней и внутренней проектной задачи. Необходимо также сравнение эффективности эксплуатации контейнерных и накатных судов, поиска оптимального сочетания использования контейнерных и накатных судов на примере Северо - Западного региона России.

Особенностью построения такой подсистемной модели будет применение модульного принципа, так как сходные модули, после доработки и адаптации, могут быть применены как для контейнеровозов, так и для накатных судов. Проектная модель для каждого типа судна (контейнеровоза и накатного) будут включать модули определения основных проектных характеристик (методами теории проектирования судов), обоснования грузовместимости, выбора главной энергетической установки и электростанции, выбора грузового оборудования. В качестве эквивалентов сравнения экономической эффективности могут быть разработаны, в частности, варианты расчета стоимости перевозки одной тонны груза или одной единицы груза на определенное расстояние [45,57,59,60,70].

В2.0бщая характеристика диссертационного исследования

Предметом исследования являются способы и вычислительные алгоритмы, входящие в методику проектного обоснования контейнерных и накатных судов, базирующиеся на современных научно-технических принципах, расширенной базе данных, алгоритмических моделях, вычислительных процедурах, реализуемых с использованием разработанных программных средств.

Исследование базируется на основных положениях теории проектирования судов, теории оптимизации, теории мореходных качеств и строительной механики, теории математической статистики. Отмечено, что такие ученые, как Ашик В.В., Ногид Л.М., Пашин В.М., Нечаев Ю.И., Бронников A.B., Захаров И.Г., Мирошниченко И.П., Гайкович А.И., Демешко Г.Ф., Савинов Г.В., Сахновский Б.М., Логачев С.И., Цой Л.Г., Шауб П.А., Мацкевич В.А., Морейнис Ф.А., Власов В.А., Захаров A.C. и другие посвятили свои работы развитию теории проектирования судов и её приложению к относительно быстроходным судам и судам для ускоренной грузообработки [11,67,68,69,84,89]. Коллективный вклад в развитие прогрессивной группы контейнерных и накатных судов сделан учеными ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, ЦНИИ Морского Флота, ЦКБ «Балтсудопроект» [52,53,77,78,123].

Обзор литературы по рассмотрению вопросов методики оптимизационного проектирования контейнерных и накатных судов показал, что в рассматриваемых вопросах большое значение имеют исследования Александрова М.Н., Балкашина А.И., Захарова А.И., Бойцова Г.В., Букшева A.B., Белецкого В.В., Данилова Д.И., Кутенева A.A., Ляховицкого А.Г., Никитина Н.В., Палия О.М., Прокудина С.А., Разуваева В.Н., Родионова A.A., Смирнова А.Г., Суслова А.Н., Николаева В.А., Сахновского Э.Б., Шагиданова В.И., посвященные совершенствованию методики проектирования судов с точки зрения учета требований к мореходности, прочности и безопасности, а также уточнения экономических решений [6,58,61,64,87,88,104,106,118,119].

Объектом исследования являются логико - математические модели и графо - аналитические способы, описывающие проектирование контейнерных и накатных судов и проектные аспекты процесса эксплуатации этих судов.

Целью исследования является разработка методик проектирования контейнерных и накатных судов для экономических и эксплуатационных условий региона Балтийского и Северного морей и проверка работоспособности этой методики на конкретных примерах и в более широком диапазоне параметров.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить такие рабочие задачи, как математическое моделирование судна, процесса его проектирования и процесса его эксплуатации; разработка типовых вариантов судов; формулирование выводов о влиянии характеристик вариантов на итоговые результаты.

На защиту выносятся следующие основные результаты:

- Разработаны методика решения внешней проектной задачи по обоснованию типа судна с ускоренной грузообработкой для конкретной линии с известным грузопотоком и методики оптимизации контейнерных и накатных судов в рамках внутренних задач их проектного анализа.

- На основе учета модульных факторов предложен для этапа проектных обоснований унифицированный ряд предпочтительных длин и высот корпусов контейнерных и накатных судов; для такого ряда произведены системные обоснования и оценки экономических показателей, которые могут быть применены в качестве базовых величин при конкретном проектировании.

- Проанализирован вопрос о применении балластировки на контейнерных и накатных судах в связи с уменьшением средней массы фактически перевозимых контейнеров и трейлеров.

- Рассмотрено методическое значение нового параметра «длина трейлерных» линий» на накатных судах; для этих судов показаны пределы изменения соотношения между длиной трейлерных линий и числом трейлеров, предложены варианты унификации расчетных длин трейлеров.

- Показана рациональность носового положения надстроек для накатных судов при сохранении машинного отделения в кормовой части.

В качестве научной новизны результатов можно выделить следующее:

- Обновлена база данных по судам с ускоренной грузообработкой и систематизированы данные по взаимосвязи их проектных характеристик.

- Разработаны новые методики: методика решения внешней проектной задачи по обоснованию типа судна с ускоренной грузообработкой для конкретной линии; методики оптимизации контейнерных и накатных судов в рамках внутренних проектных задач.

- Установлены новые тенденции при балластировке контейнерных и накатных судах, связанные с уменьшением средней массы фактически перевозимых контейнеров и трейлеров.

- В методике проектного анализа накатных судов рассмотрено значение нового параметра «длина трейлерных» линий» и предложены варианты унификации расчетных длин трейлеров.

- В диссертации разработан ряд новых формул и графиков для практического применения в алгоритмах проектного анализа контейнерных и накатных судов.

Практическая значимость исследования состоит в следующем:

- Для обоснованных в диссертации методик решения внешней проектной задачи по обоснованию типа судна с ускоренной грузообработкой и оптимизации контейнерных и накатных судов в рамках внутренних задач разработаны алгоритмы расчета и проведены практические параметрические расчеты, показавшие работоспособность и практическую пользу методик.

- Для практического применения рекомендованы унифицированный ряд предпочтительных длин и типизированные теоретические чертежи

Определены практические критерии для применения вариантов контейнерных судов с открытой палубой и накатных судов с комбинированием трейлеров с дополнительными видами груза.

- В связи с увеличением доли рефрижераторных и вентилируемых контейнеров на накатных и контейнерных судах даны проектные рекомендации по системам подключения контейнеров к электропитанию и по увеличению проектной мощности