автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.01, диссертация на тему:Решение проблем обеспечения прочности судов ледового плавания и ледоколов в условиях круглогодичной эксплуатации в Арктике

На правах рукописи

АППОЛОНОВ Евгений Михайлович

РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРОЧНОСТИ СУДОВ ЛЕДОВОГО ПЛАВАНИЯ И ЛЕДОКОЛОВ В УСЛОВИЯХ КРУГЛОГОДИЧНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ В АРКТИКЕ

Специальность 05.08.01 — Теория корабля и строительная механика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 2003 г.

Работа выполнена в ФГУП ГНЦ «ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова».

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Ионов Б.П.

доктор технических наук Каратеев Н.С. доктор технических наук, профессор Родионов A.A.

Ведущая организация: Российский морской регистр судоходства.

Защита диссертации состоится «3/» октября 2003 г. в 10.00 на заседании диссертационного совета Д 411.004.01. при ФГУП ГНЦ «ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова» по адресу: 196158, Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГУП ГНЦ «ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова».

Автореферат разослан «Д?» августа 2003 ]

Ученый секретарь Совета кандидат технических наук, старший научный сотрудник

В.С.Дорин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Северный морской путь (СМП), как транспортная артерия, соединяющая западный и восточный регионы, играет важную роль в экономике России. В общем комплексе задач, решаемых в процессе создания арктического флота, способного надежно эксплуатироваться на трассах СМП, одно из центральных мест занимает проблема обеспечения ледовой прочности корпусов судов ледового плавания и ледоколов, характеризуемая значительной степенью неопределённости внешних нагрузок, нетрадициопностью подходов к идеализации конструкций при построении расчётных моделей, неоднозначностью в выборе критериев прочности. Для российского ледового флота перечисленные трудности усугубляются существенным разнообразием и особой тяжестью ледовых условий, встречающихся на трассах СМП.

Концептуальный подход к описанию силового взаимодействия корпуса судна со льдом начал вырабатываться в 30-х — 50-х годах В.В.Давыдовым, Н.А.Заботкиным,

A.И.Масловым, Л.М.Ногидом, Ю.А.Шиманским. В 60-е - 80-е годы методы определения ледовых нагрузок развивались К.Р.Абрамяном, А.Я.Бузуевым, В.А.Зуевым,

B.И.Каштеляном, В.А.Курдюмовым, В.АЛихомановым, А.А.Оснячом, Ю.М.Поповым, ым, И.В.Степановым, О.Я.Тимофеевым, В.Н.Тряскиным, О.В.Фадеевым,

Д.Е.Хейсиным, А.А.Яковлевым и др. Особенности нормирования и расчета прочности и вопросы поврелсдаемости корпусов судов ледового плавания и ледоколов рассматривались В.А.Бабцевым, Н.В.Барабановым, Л.М.Беленьким, А.М.Бененсоном, Г.В.Бойцовым, Н.Ф.Ершовым, С.Б.Каравановым, М.П.Кочегаровым, В.А.Кулешом, В.А.Курдюмовым, В.ТЛуценко, А.Б.Нестеровым, О.М.Палием, Ю.Г.Рыбалкиным, О.Я.Тимофеевым, Б.Е.Топчим, В.Н.Тряскиным, О.В.Фадеевым, Д.Е.Хейсиным, Л.Г.Цоем, Г.П.Шемендюком и др. Характеристики ледового покрова, оказывающие основное влияние на уровень ледовых нагрузок, исследовались В.В.Богородским, В.П.Гаврило, М.Г.Гладковым, В.В.Лавровым, Г.А.Лебедевым, В.АЛихомановым, И.Г.Петровым, И.П.Романовым, А.Я.Рывлиным, Б.А.Федоровым, Д.Е.Хейсиным, Н.В.Черепановым и др.

В результате выполненных комплексных исследований к 80-85 гг. сложилась методология регламентации ледовой прочности корпусов судов, сыгравшая значительную роль в создании российского арктического флота. На ее основании были подготовлены соответствующие требования Правил Регистра 1981 года издания, спроектированы и построены до сих пор эксплуатирующиеся на трассах СМП суда активного ледового плавания типа «Дмитрий Донской», «Норильск» (CA - 15), «Витус Беринг» и др., а также не имеющая аналогов в мире серия атомных ледоколов типа «Арктика».

Вместе с тем, данная методология была основана на опыте арктической эксплуг^щч-* в летне-осенний период, характеризуемой относительно невысоким уровнем повреждаемости и степенью изменчивости нагрузок. Поэтому в ее рамках широко использовался впервые обоснованный Ю.А.Шиманским метод «условных измерителей», позволяющий получать сравнительные оценки запасов прочности судов при относительно слабом изменении условий ледовой эксплуатации. Расчетные ледовые нагрузки в Правилах Регистра для различных ледовых категорий устанавливались в зависимости от условного параметра. Критерии и методы расчета прочности были ориентированы на рассмотрение их . работы в упругой области, что не соответствовало реализуемым в действительности отказам в виде глубоких пластических деформаций. Для описания допустимых ледовых условий в классификации Правил Регистра использовались приближенные формулировки качественного характера. Однако начавшийся на рубеже 70-х - 80-х годов переход на продленную, вплоть до круглогодичной, навигацию в Арктике, сопровождаемый расширением районов ледового плавания, привели к существенному изменению условий ледовой эксплуатации. Ужесточение ледовых условий в период продлённой навигации, особенно в восточном секторе Арктики, а также увеличение скоростей проводки судов новыми более мощными ледоколами обусловили значительное повышение сг^щ^и^ изменчивости ледовых нагрузок и, соответственно, объема ледовых повреждений. Уже обобщение опыта первых продленных навигаций продемонстрировало увеличение уровня повреждаемости в 2-3 раза. При таком характере эксплуатации приближенная качественная характеристика допустимых ледовых условий не обеспечивала возможностей обоснованного выбора ледовой категории судна, а установление необходимого уровня прочности наиболее повреждаемых районов корпуса на основании условных критериев и методов расчета приводило к нерациональному «размазыванию» материала по районам ледовых усилений. Отмеченные обстоятельства предопределили необходимость кардинального совершенствования сложившейся практики нормирования, оценки прочности и проектирования конструкций ледовых усилений и пересмотра ряда концептуальных положений существовавшей методологии обеспечения ледовой прочности корпусов судов.

Целью работы является создание прогрессивной методологии обеспечения ледовой прочности корпусов судов ледового плавания и ледоколов нового поколения, способных с необходимой надежностью эксплуатироваться на трассах СМП в сложных ледовых условиях круглогодичной навигации.

Для достижения поставленной цели должны решаться следующие задачи: 1. Определение допустимого уровня ледовой повреждаемости на основе комплексного анализа опыта эксплуатации арктического флота.

я

^^¿Щрснование опасных состояний и критериев прочности, учитывающих резервы пластического деформирования материала и действительные формы повреждений (отказов) конструкций ледовых усилений.

3. Разработка методов расчета прочности конструкций ледовых усилений при упруго-пластическом и глубоком пластическом деформировании, полноценно учитывающих основные особенности их работы - локальный характер нагружения, повышенную жесткость конструктивных элементов, взаимодействие наружной обшивки с балками основного набора и листовыми конструкциями.

4. Разработка ориентированной на использование в Правилах Регистра методологии проектирования конструкций ледовых усилений по критерию предельной прочности, обеспечивающей повышение надежности за счет рационального распределения материала между различными элементами конструкций.

5. Совершенствование моделей силового взаимодействия корпуса со льдом и методов определения ледовых нагрузок на основании обобщения современных экспериментов по разрушению льда и статистического анализа данных о параметрах ледового покрова арктических морей.

- ^"^зработка комплексной методологии построения новых Ледовых Правил, обеспечивающей для судов различных типов и размерений равные гарантии безопасности в рамках каждой ледовой категории и включающей количественное описание допустимых условий ледового плавания при круглогодичной эксплуатации в Арктике.

Методы исследований. Методы математической статистики и теории вероятности, аппарат теории пластичности, методы нелинейной оптимизации, экспериментальные методы исследования работы конструкций в области пластических деформаций, методы измерения параметров ледовых нагрузок при динамическом взаимодействии твердого тела со льдом.

Научная новизна н основные научные результаты:

1. Исследованы особенности глубокого пластического деформирования сложных балочно-пластинчатых конструкций при образовании ледовых повреждений. Выявлена существенная роль эффекта взаимодействия наружной обшивки с балочными и листовыми элементами в условиях локального нагружения, не учитывавшаяся в традиционных подходах к идеализации конструкций.

2. Разработан обобщенный метод гибкого проектирования сложных балочных систем (перекрытий) по критерию предельной прочности.

3. Разработан набор оригинальных расчетных моделей, описывающих особенности предельного состояния конструкций ледовых усилений, в том числе балочных конструкций при заваливании профиля и совместном смятии и изгибе стенки, кничных

соединений, локально загруженных пластин, листовых конструкций пда^Цт?"" деформировании совместно с наружной обшивкой, подкрепляющими ребрами жесткости и балками основного набора.

4. На основе комплексного анализа ледовой повреждаемости обоснованы расчетные критерии прочности конструкций ледовых усилений, учитывающие резервы пластического деформирования и адекватные действительным формам ледовых повреждений.

5. Разработаны модифицированная гидродинамическая модель, учитывающая пиковый характер эпюры ледовой нагрузки, а также новая модель динамического разрушения льда при местном смятии, адекватно описывающая наблюдаемые в экспериментах физические явления.

6. Разработан обобщенный подход к систематизации процедуры обработки данных о ледовых повреждениях конструкций, использующий в качестве методической основы полученную в результате статистического анализа данных о повреждаемости арктического флота функцию распределения ледовых нагрузок.

7. Обоснованы принципы построения новых Ледовых Правил: допустимые условия ледового плавания в рамках каждой ледовой категории одинаковы для всех независимо от их типов, размерений и формы обводов корпуса (принцип единого стандарта безопасности); присвоение судну ледовой категории обеспечивает наличие стабильного гарантированного запаса допустимых условий плавания во льдах по отношению к опасным, приводящим к ледовым повреждениям корпусов (принцип гарантии безопасности). Показано, что удовлетворение принципов единого стандарта и гарантии безопасности обеспечивается при построении новых Ледовых Правил на основе систем базовых опасных и допустимых режимов движения, являющихся интегральными количественными характеристиками ледовых категорий (классов).

8. Обоснован и разработан новый подход к определению допустимых по условию исключения массовых повреждений корпуса районов плавания. В качестве районов плавания рассматриваются 5 российских арктических морей: Баренцево, Карское, Лаптевых, Восточно-Сибирское, Чукотское. Допустимость плавания в каждом из районов устанавливается в зависимости от сезона навигации (зимне-весенний, летне-осенний), тактики ледового плавания (самостоятельное, под проводкой ледокопа) и типа навигации (легкая, средняя и тяжелая с периодичностью раз в 3 года каждая, экстремальная с периодичностью раз в 10 лет).

Практическая ценность работы связана с решением важной проблемы

методического обеспечения проектирования корпусов судов ледового плавания и ледоколов,

способных с необходимой надежностью эксплуатироваться в сложных ледовых условиях

6

круглогодичной навигации в Арктике. Результаты исследований обеспечивают возможность созд«вн(^новых требований Правил Регистра, включающих критерии и методы проектирования и оценки прочности конструкций ледовых усилений, учитывающие резервы пластического деформирования и действительные формы отказов, и новую ледовую классификацию с количественным описанием допустимых условий ледового плавания. Разработанная комплексная методология обеспечения ледовой прочности позволяет на научной основе решать задачи проектирования корпусов перспективных судов ледового плавания, а также повышения эксплуатационной надежности и продления срока службы существующего ледового флота.

На защиту выносятся следующие основные результаты работы:

1. Комплексная методология построения новых Ледовых Правил на основании принципов единого стандарта безопасности и гарантии безопасности, включающая: задание расчетных параметров ледового покрова; построение нормативной основы для определения уровней прочности ледовых категорий в виде системы базовых опасных режимов; определение расчетных ледовых нагрузок при движении судна по базовому опасному режиму; построение информационной базы для определения допустимых условий плавания судов во льдах в виде системы базовых допустимых режимов движения; классификацию судов ледового плавания и ледоколов, содержащую количественное описание допустимых условий их эксплуатации.

2. Расчетные методы, описывающие процесс образования в конструкциях ледовых усилений основных типов повреждений от момента начала упруго-пластического деформирования до развития глубоких пластических деформаций с учетом факторов геометрической нелинейности, локального характера нагружекия, взаимодействия деформируемой конструкции с окружающими ее неповрежденными участками перекрытия.

3. Методология проектирования конструкций ледовых усилений на основании критериев предельной прочности и устойчивости, обеспечивающая повышение надежности корпусов судов ледового плавания и ледоколов и рациональное распределение материала между различными конструктивными элементами.

4. Метод назначения расчетных ледовых нагрузок на районы ледовых усилений из условия обеспечения одинакового уровня их повреждаемости.

5. Усовершенствованный метод определения расчетных ледовых нагрузок на основании модифицированной гидродинамической модели, учитывающий пиковый характер распределения давлений в зоне контакта.

6. Новая модель динамического разрушения льда, адекватно описывающая наблюдаемые в экспериментах физические явления.

Внедрение результатов работы. На основании полученных результатов разработана редакция требований Правил Регистра 1999 г. издания для судов ледового Плавания, ледоколов и буксиров. Подготовленные расчетные методы и нормативные документы широко использовались при проектировании перспективных судов ледового плавания и ледоколов, в частности: ледокола-буксира-снабженца для ледостойких платформ (пр. 11040 ЦКБ «Айсберг»), плавучей атомной электростанции для отдаленных районов севера (пр.20870 ЦКБ «Айсберг»), ледового танкера (пр. 20070 ЦКБ «Балтсудопроект») и др., а также при разработке в ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова технико-экономического обоснования для месторождения Приразломное в части определения оптимальных ледовых категорий танкеров и необходимого ледокольного обеспечения и формирования дополнительных требований к ледовой прочности крупнотоннажных арктических танкеров. Другим важным направлением применения новых результатов являлось обоснование возможностей повышения эксплуатационной надежности и продления срока службы существующего ледового флота. В его рамках выполнена комплексная работа по повышению эксплуатационной надежности а/л типа «Арктика» (по заказу Мурманского Морского пароходства), обоснованы возможности продления срока службы ледоколов «Ермак» и «Семен Дежнев», судна ледового плавания «Михаил Кутузов» (по заказу ЦКБ «Айсберг») и др. Существенную роль новая методология обеспечения ледовой прочности и pa3pa6rfrâiîfee на ее основе Правила Регистра сыграли при разработке Унифицированных Правил Международной Ассоциации Классификационных Обществ (МАКО) для полярных судов.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации обсуждались на Всесоюзной конференции «Проблемы прочности и снижения металлоемкости корпусных конструкций перспективных транспортных судов и плавучих сооружений» (Ленинрад, 1982), на 10-й Дальневосточной конференции «Повреждения и эксплуатационная надежность судовых конструкций» (Владивосток, 1987), на Всесоюзной конференции «Совершенствование технической эксплуатации судов» (Калининград, 1989), на Всесоюзной конференции «Проблемы прочности и снижение металлоемкости корпусных конструкций перспективных транспортных судов и плавучих сооружений» (Ленинрад, 1990), на конференции «Эксплуатационная и конструктивная прочность судовых конструкций», Девятые «Бубновские чтения» (Нижний Новгород, 1991), на конференциях по строительной механике корабля памяти академика Ю.А. Шиманского (С.-Петербург, 1999) и профессора П.Ф. Папковича (С.-Петербург, 2000), на международных конференциях "The Centenary the Krylov SRI" (S.Petersburg, 1994), POAC'95 (Murmansk, 1995), POLARTECH'96 (S.Petersburg, 1996), 13th Int. Ship and Offshore Structure Congress (Trondheim, 1997), Second International Shipbuilding Conférence ISC'98 (S.Petersburg, 1998), POAC'99 (Helsinki, 1999),

" ¿i£Jjj?ECH'2000 (S.Petersburg,2000), POAC'Ol (Ottawa, 2001), Third International Shipbuilding Conference ISC'2002 (S.Petersburg, 2002).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 29 научно-технических статей (из них в соавторстве 23) и выпущено 36 научно-технических отчетов.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 5-ти глав и заключения, содержит 326 страниц основного текста (включая 21 таблицу и 95 рисунков), 6 страниц оглавления, список литературы из 237 названий. Приложения 1-3 имеют объем 28 стр.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Структурная схема работы, иллюстрирующая взаимозависимость между ее отдельными блоками, представлена на рис. 1.

В первой главе представлен обзор существующих методов определения ледовых нагрузок и нормирования ледовой прочности, выполнен анализ повреждаемости судов и ледоколов в условиях продленной навигации в Арктике, исследованы законы распределения ледовых нагрузок, обоснованы критерии прочности конструкций ледовых усилений.

. Используемые в отечественном судостроении методы определения ледовых нагрузок и регламентации ледовой прочности сложились в результате проводившихся в 60-е - 70-е годы совместных работ коллектива учёных и специалистов лаборатории ледовых качеств ААНИИ и кафедры конструкции судов ЛКИ Д.Е.Хейсина, В.И.Каштеляна, В.А.Лихоманова, Ю.М.Попова, А.Я.Рывлина, О.В.Фадеева, В.А.Курдюмова, В.Н.Тряскина и др.

Основу существовавших методов определения ледовых нагрузок составили модель внецентренного удара корпуса судна о плавающую льдину и гидродинамическая модель удара твердого тела о лед (ГДМ). В рамках моделей рассматривались сценарии прямого и отраженного ударов корпуса судна о лед и описывалось разрушение льда в зоне контакта как вытеснение мелкодисперсного промежуточного слоя. На основании данных моделей были построены методы расчета ледовых нагрузок, ориентированные на решения прямой и обратной задач. В прямой задаче параметры ледовой нагрузки на корпус судна (давление р и высота распределения Ь) определялись в зависимости от характеристик прочности льда (ар -параметр динамической прочности льда при раздроблении (ПДПЛ), аи - предел прочности льда на изгиб), толщины льда Н, формы (радиуса скругления) ледовой кромки R, скорости движения судна v, формы корпуса и размерений судна. Основное практическое применение результатов решения прямой задачи было связано с определением расчетных ледовых нагрузок. Применительно к Правилам Регистра для этой цели применялся условный подход, основанный на введении комплексного параметра, непосредственно входящего в

Решение проблем обеспечения прочности судов ледового плавания и ледо колов в условиях круглогодичной эксплуатации в Арктике.

Анализ существующей методологии обеспечения Двдрвой прочности

Условные критерии и упрошенные методы оценки прочности в упругой области Приближенное качественное описание допустимых условий ледового плавания Противоречия в гидродинамической модели взаимодействия корпуса со льдом

Исследование особенностей ледовой повреждаемости

Стат. анализ и классификация ледовых повреждений _ м_

Построение функции распределения к анализ повторяемости лед, нагрузок

Нормирование допустимого уровня лед, повреждаемости_

Обобщенный метод обработки данных о лед. повреждаемости

т

Анализ данных о ледовых условиях

Функций распределения толщин льда для арктических мо» рей

Функциональные зависимости для расчетных параметров прочности льда

Обоснование критериев и разработка методологии оценки прочности конструкций ледовых усилий

стнческого деформирования кргтфятгътртт^тото^ пластического деформи- ¡прочности и уСтойчиво-рования |сти

1 ;

Методы расчетов области глубокого пластического деформи- Орвания_________ Бухтины и гофрировки на££жной обшивки Методика проектирования по критерию пред сл ьной_ прочности^ Перекрытия Элементы поперечных сечений балок

Вмятины в обшивке и imfifip.fi.__________ Вмятины-выпучины В обшивке и листовых конструкциях Оптимальное проектн- £<>вание_______ __ ———___ Листовые конструкции

• •; * + ■i i 1 i

Совершенствование моделей разрушения льда

X

Экспериментальное исследование динамической прочности льда (DBT) -i

Модификация и проверка гидродинамической модели

Новая модель динамического разрушения льда при местном смятии

Разработка методологии построения ледовой классификации н обеспечения ледовой прочно^

ANärtHl факТИЧй£кИХ SähaiÖB нрёДбЛЪйОИ Прфчиб-сти в Правилах классификационных обществ

I

Построение системы базовых опасных и допустимых режимов движения _

Определение расчетных ледовых нагрузок

Количественное описание допустимых условий ледового плавания

Районы плавания

I

Режимы движения

Построение ледовой классификации на основе принципов гарантии и единого стандарта безопасности

4 I I. I I ; I I 4

Обеспечение ледовой прочности проектируемых судов и ледоколов

Разработка новых Ледовых Правил РМРС и разделов Унифицированных Правил МАКО для полярных судов

Оценка технического состояния и подкрепление корпусов эксплуатирующихся судов и ледоколов

Рис.1. Блок-схема диссертационной работы

зависимости для ледовой нагрузки и являющегося функцией параметров ледовых условий и ск6{£кгв движения судна К„^(и№арН,\>). Нормирование величины АГ<гЛ„ позволило

установить уровни расчетных ледовых нагрузок для ледовых категорий в разработанных в 1981 году Правилах Регистра. Данная редакция Правил Регистра вне сомнения являлась для своего времени прогрессивным документом. Однако использованные в ней условности не позволили количественно связать требования к прочности конструкций ледовых усилений с представленным в ледовой классификации приближенным качественным описанием допустимых условий ледового плавания. В обратной задаче наряду с параметрами ледовых условий (сг^арН) считалась заданной и нагрузка на корпус в виде зависимости р(Ь), а определялась вызывающая ее появление скорость движения судна в момент удара. В качестве нагрузки р(Ь) вводилась так называемая кривая строительной прочности р=р(Ъ/о = а1,р) - величина нагрузки, вызывающей в конструкциях ледовых усилений состояние, соответствующее принятому критерию прочности о = апр, а в результате определялась допустимая скорость Уа-у^сГи.а^Н), движение с которой в заданных ледовых условиях не приводит к нарушению критерия прочности конструкций, взаимодействующих со льдом. На основании решения обратной задачи была разработана процедура составления ледовых паспортов.

качестве нормативно-методической основы требований к прочности конструкций ледовых усилений использовался критерий фибровой текучести (первых пластических деформаций) и методы расчета в упругой области, не соответствовавшие реализуемым в действительное™ отказам в виде глубоких пластических деформаций.

Таким образом, можно констатировать, чго существовавшая в начале 80-х годов методология обеспечения ледовой прочности была основана на опыте арктической эксплуатации в летне-осенний период, характеризуемой относительно невысоким уровнем повреждаемости и степенью изменчивости нагрузок, и позволяла в рамках метода «условных измерителей» Ю.А.Шиманского получать сравнительные оценки запасов прочности судов при относительно слабом изменении условий ледовой эксплуатации. Однако она не обеспечивала потребности обоснованной экстраполяции накопленного опыта на условия круглогодичной навигации в Арктике, характеризуемые значительным повышением степени изменчивости ледовых нагрузок и, соответственно, объема ледовых повреждений, расширением районов ледового плавания, увеличением скоростей проводки судов новыми более мощными ледоколами. Уже обобщение опыта первых продленных навигаций продемонстрировало увеличение уровня повреждаемости в 2 - 3 раза. К настоящему времени в результате работ В.Н. Авдюкова, С.Б. Караванова, Л.Г. Цоя, Н.В. Барабанова, В.А. Бабцева,

П.Л. Кунсша, В.Г. Луценко, Г.П. Шемендюка и др. накоплена обширная информация по повреждениям конструкций ледовых усилений. Согласно полученным данным*^3%1Т£лх повреждений, а также повреждений усталостного характера на судах ледового плавания практически не наблюдается. Основным видом повреждений конструкций, называемых б дальнейшем ледовыми, является изменение первоначальной геометрической формы ?, результате пластического деформирования под действием усилий со стороны льда.

Анализ ледовой повреждаемости выполняется отдельно по «старым» судам (типа «Пионер», «Повспсц», «Беломорсклес», «Сибирьлес», «Амгуэма» и др.), срок эксплуатации которых на момент перехода к продленной навигации составлял 15 — 20 лет, и «новым» судам, проектирование которых осуществлялось на основе Правил Регистра 198! и последующих годов издания (типа СА-15, УЛА; «Витус Беринг», УЛА; «Самотлор», УЛ и др.). Основная масса ледовых повреждений приходится на «старые» суда, которые не бьим рассчитаны на существенное ужесточение ледовых условий: имеет место значительный объем Гофрировки наружной обшивки во всех поясьях, вмятины имеют значительную протяженность — до [0 - 12 шпаций основного набора. Для «новых» судов проявляется тенденция снижения объема гофрировок н уменьшения длины вмятин - до 2 - 4 шпащгй. Резкое увеличение объемов повреждений происходит при попадании судов и ледоколов .-. тяжелые, недопустимые для данной ледовой категории, условия. Для «стары^еы^^оз недопустимые условия реализуются при продленной навигации в восточном сектсрс Арктики, для «новых» судов категории УЛА и ледоколов категорий ЛЛ2 и ниже -экстремальные по тяжести ледовых условий навигации в восточном секторе (типа назигации 1983 г.), для а/л типа «Арктика» - при плавании в высоких широтах. Полученные данные о закономерностях ледовой повреждаемости позволяют сделать следующие выводы:

• Запасы прочности конструкций ледовых усилений должны обеспечивать исключения повреждений массового характера — обширных районов с гофрировкой наружной обшивки, длинных вмятин. Появление в конструкциях отдельных повреждений в в^де бухтии и локальных вмятин (длиной не более 4 шпаций) следует рассматривать зга* нормальную эксплуатационную практику.

• Легализация отдельных повреждений, как результата нормальной эксплуатации судоз ко льдах, определяет необходимость учета этого обстоятельства в явном виде при проектировании ледовых усилений. Установление уровня увеличения прочности наиболее повреждаемых районов корпуса возможно только на основании подходов, учитывающих на уровне расчетных моделей и критериев прочности действительнее формы ледовых повреждений.

Для обоснования нормативного уровня реализации отдельных повреждений, до^Гусйжмого при нормальной эксплуатационной практике, выполняется статистическая обработка представительных данных Н.В. Карабанова, В.А. Бабцева, В.Г. Луценко по повреждаемости «старых судов». Результаты обработки позволяют установить два важных интегральных параметра повреждаемости, характеризующих вероятности появления на одном судне за нормативный срок эксплуатации 7//=25 лет: фиксируемого повреждения набора (вмятины) к=0.24; повреждения обшивки, не допустимого по нормативам дефектации Регистра и требующего ее замены £^-0,05. С помощью интегральных параметров определяется функция Р\(0) - долговременная вероятность разового превышения эксплуатационной нагрузкой величины () (рис. 2):

^(2) = Мехр

-{¡пМ-1пк?)

в_

/мер

ф

1пМ - 1пк\"

' ЫМ- Ык? :

О"

д = о

О"

где (У*,, " нагрузка, характеризующая осредненный уровень предельной прочности конструкций «старых» судов; <2^ - нагрузка, вызывающая в конструкции появление остаточного прогиба, превышающего допустимый по нормативам дефектации Регистра; ~ кТ ■ р>( 01) м к7; м - число нагружений.

Функция долговременной

вероятности Р{(0) количественно подтверждает справедливость вывода о легализации отдельных повреждений. У «новых» судов категории УЛА, способных успешно эксплуатироваться в продленную навигацию в восточном секторе Арктики, предельная прочность конструкций в среднем в 2 и более раза выше, чем у «старых» судов (£?„"" 2()*п), и данное повышение прочности обеспечивает значительное снижение их

повреждаемости (Р, (&™<) =0.05).

Дальнейшее снижение уровня

повреждаемости требует многократного увеличения уровня прочности

Рис.2. Распределение долговременной вероятности разового превышения нагрузки С - -М=104

-М= 102

конструкций ледовых усилений и практически неосуществимо. Уровень повреждаемости, соответствующий 5%-ой долговременной реализации отдельных повреждений, пщйЙйэ»" качестве нормативного.

В качестве развития изложенного. подхода к построению долговременных вероятностей разработан метод, регламентирующий процедуру обработки данных о ледовых повреждениях и обеспечивающий возможность обоснованной корректировки величин расчетных ледовых нагрузок на основании информации о сравнительной повреждаемости районов ледовых усилений. В процессе обработки данных о ледовых повреждениях и выполнения расчетов прочности конструкций последовательно формируются вектора параметров повреждаемости по всем районам ледовых усилений для конкретного судна,

судов одного типа, всех судов в рамках ледовой категории - {й,',}= (№ -

индексы района по длине и поперечному сечению корпуса, 11 — носовой район ледового пояса; I - индекс ледовой категории), а по значениям {в,'А} определяются долговременные вероятности Р,',/,(!3). Из условия равенства долговременных вероятностей реализации повреждений устанавливается соотношение для определения расчетных ледовых нагрузок на районы ледовых усилений в долях от нагрузки на носовой район £)'1Л - Ч'л,. где

У//, = ' <Рл }) - весовые коэффициенты расчетных ледовых нагрузок на ледовых усилений; - коэффициенты относительной (по отношению к носовому району ледового пояса) предельной прочности конструкций районов ледовых усилений; <?'„} ({д,'^ }) -функции относительной повреждаемости районов ледовых усилений.

Полученные выводы и представления об основных аспектах ледовой повреждаемости в совокупности создают необходимую базу для построения физически обоснованных критериев и соответствующих им методов расчета прочности конструкций, испытывающих воздействие ледовых нагрузок.

Требование исключения массовых повреждений определяет выбор в качестве опасного состояния конструкции, непосредственно предшествующего началу интенсивного нарастания пластических составляющих прогибов. Для относительно жёстких конструкций ледовых усилений указанному типу опасного состояния вполне обоснованно отвечают описываемый в рамках теории предельного равновесия (ТПР) переход конструкции в предельное состояние и соответствующий ему критерий предельной прочности

кгР2Ь2=Ч°2{ь2,1г,1гЛ), (1)

где р2, Ь], ¡2 - параметры расчётной ледовой нагрузки, отвечающие критерию предельной "г???#Кшо.сти; ¿2 - вектор задаваемых (общепроектных) размеров конструкции; Ег - вектор размеров и геометрических характеристик конструкции, определяемых в процессе её проектирования; - коэффициент запаса; д* - предельная погонная нагрузка конструкции, определяемая методами ТПР.

Для основных типов конструкций ледовых усилений, обладающих одинаковым уровнем ответственности в отношении отказов (повреждений), с учетом последствий реализации ледовых повреждений (частичная утрата работоспособности конструкции), величины коэффициентов запаса принимаются равными Л*—1. Для листовых конструкций коэффициенты запаса назначаются с учетом их повьписнной ответственности.

Вывод о допустимости отдельных повреждений предопределяет целесообразность рассмотрения наряду с критерием предельной прочности дополнительного критерия, учитывающего специфику глубокого пластического деформирования конструкции под действием высокоинтенсивной локализованной нагрузки. Параметры локализованной нагрузки ру, Ьу, 13] (/ - индекс типа повреждения) определяются на основании допущения, согласующегося с опытом ледового плавания, что причиной отдельных повреждений являются удары корпуса судна о ледовые образования с резкими очертаниями ледовой - так называемые ледовые выступы. Локализованные нагрузки отличаются от расчетной нагрузки р2, ¿л /г в критерии предельной прочности, соответствующей удару о льдину с плавным очертанием кромки: ру>ръ Ьу>Ь2, Данное соотношение наглядно

демонстрирует, что в конструкции, удовлетворяющей критерию предельной прочности, исключены массовые повреждения, но возможно появление отдельных повреждений. Нормативными документами Регистра устанавливаются допустимые остаточные прогибы (деформации) для каждого из рассматриваемых типов отдельных повреждений Поэтому соответствующий расчётный критерий, именуемый критерием ограниченной пластической деформации, записывается в виде

Рз, Ьз,-я1,(Ьз],1у./р1. Е^) (2)

Решение (2) и (3) относительно элементов векторов £г и Е} (обратная задача) определяет систему требований к размерам конструкций ледовых усилений, гарантирующих стабильный уровень запасов их прочности в отношении массовых и отдельных повреждений.

Введённые критерии предельной прочности и ограниченной . пластической деформации позволяют уточнить подходы к определению расчетных режимов движения судов во льдах. Множество возможных режимов движения разделяется на три области: нормальной эксплуатации, рискованной эксплуатации и повреждаемости. Границы между

15

областями задаются расчётными режимами движения, которым присваиваются названия допустимого va=v0(H) и опасного v0=v0(H). Опасный режим определяется на основании кривых строительной прочности p°(b) и {^(i)}, непосредственно вытекакЭДи? 'из критериальных уравнений (1) и (2): \>0(я) = min(v°(Я),{v^(я)}). Допустимый режим ранее традиционно связывался с критерием фибровой текучести. При кажущейся логичности такой способ задания допустимого режима не обеспечивает стабильного запаса допустимых условий плавания по сравнению с опасными, поскольку конструкции, имеющие одинаковый уровень нагрузки фибровой текучести Цф(Ь), могут обладать существенно различной прочностью в отношении повреждающих нагрузок. Определение нормативного соотношения между уровнями строительной прочности опасного и допустимого режимов основывается на анализе запасов предельной прочности, заложенных в действовавшие Правила Регистра и характеризуемых величиной коэффициента запаса предельной прочности кч = .

Установленное в результате анализа наличие существенного разброса запасов предельной прочности конструкций (кц—1.6 — 2.2) объясняет повышенную повреждаемость конструкций ледовых усилений. В качестве нормативного значения, устанавливающего стабильное соотношение между уровнями опасного и допустимого режимов, принимается *„,„,, - kf —1.8. Кривая строительной прочности допустимого режима vA(Il) задается в виде

Рд (б) = min(p° (Ь), (Л)})/**

Во второй главе разрабатываются необходимые для практического внедрения критерия ограниченной пластической деформации расчетные методы, описывающие процесс образования в конструкциях ледовых усилений повреждений в виде бухтин, вмятин и вмятин - выпучин. При разработке расчетных методов используется следующая общая процедура: построение решения о предельном равновесии конструкции в геометрически линейной постановке в рамках ТПР; обоснование принципов решения задач о деформировании жестко-пластических конструкций в геометрически нелинейной постановке; разработка приближенных расчетных моделей, учитывающих упругие свойства элементов конструкций; экспериментальная проверка и уточнение допущений расчетных моделей.

Вопросами применения ТПР к расчетам судокорпусных конструкций занимались Л.М.Беленький, В.В.Козляков, Н.Ф.Ершов, ИЛ.Дикович, В.А.Курдюмов, А.М.Бененсон и др. Однако отдельные исследования работы жестко-пластических систем с учетом геометрически нелинейных факторов (Л.М. Беленький, А.Р. Ржаницын) к настоящему времени не сложились в законченную теорию. Результаты углубленного анализа основных положений ТПР позволяют с более общих позиций подойти к обоснованию принципов

во

пос-фйения инженерных методов расчета конструкций при глубоком пластическом деформировании в геометрически нелинейной постановке с учетом локальности нагружения.

В ТПР в качестве предельного рассматривается такое состояние конструкции из жестко-пластического материала, называемое пластическим механизмом, при котором становится возможным возрастание пластических деформаций при постоянной внешней нагрузке. Возникновение пластического механизма обуславливается образованием в конструкции необходимого числа пластических шарниров (шарниров текучести), соединенных жесткими элементами. Деформируемую конструкцию можно рассматривать как конечномерную систему, в которой образуется конечное число пластических механизмов. Используемые в ТПР принцип возможных перемещений, постулат Друкера и базирующиеся на нем экстремальные теоремы, а также ассоциированный закон пластического течения распространяются и на геометрически нелинейные системы. Поэтому подход ТПР к построению решения в целом сохраняется, только вместо линейных соотношений между обобщенными деформациями {©} и обобщенными перемещениями {и} вводятся нелинейные зависимости. Однако теорема единственности справедлива только 1Щ.я геометрически линейных систем и говорить о точном значении предельной нагрузки применительно к геометрически нелинейной системе не корректно. Требуется экспериментальная проверка получаемых теоретических решений.

При рассмотрении работы конструкций под действием локальных нагрузок типичной является ситуация, когда границы деформированной зоны заранее неизвестны и положение части пластических шарниров не определено. Для построения решения при локальном нагружении вводится вектор геометрических размеров (координат) {г} = ,

определяющих положение всех пластических шарниров, на элементы которого в общем случае накладывается система ограничений г^ £ О, у, ({г}) 2 О, т} — 1.....3 —

произвольно. При фиксированных значениях элементов вектора {г} имеет место случай конечномерной системы с V пластическими механизмами. Поскольку в действительности вектор {г} не определен, то под V можно понимать число типов пластических механизмов, причем каждый ¡л- й тип = включает бесконечное число пластических

механизмов, образуемых бесконечным множеством значений {г}, но имеющих одинаковую форму перемещений. Изложенными рассуждениями сформулировано понятие конечно-континуальной системы, характеризуемой конечным числом типов пластических механизмов, но бесконечным числом пластических механизмов в рамках одного типа. Для конечно-континуальной системы в рамках кинематического метода ТПР получена разрешающая система уравнений

¿^к-».....-

би?

ГФ(Ы")}

ШЬ<>- Мм-.и)}-

{?.} = 0, {/.} > 0, {г} г О, у({г})>0

РГо =тш({рм}),ц = 1,...,у где {■?} = (?, ,—,9„)Г - обобщенные внутренние силы; Ф* ({?}) = О - уравнение пластичности, описывающее предельную поверхность, на которой обобщенные силы, действующие в шарнире, принимают предельные значения; р - внешняя нагрузка, отвечающая требованиям условно простого иагружения и совершающая работу на перемещении V; и* = £/({и}м, {/•}, {(у)" ) - сумма работ внутренних сил в пластических шарнирах.

В системе (4) одно из обобщенных перемещений (и,) рассматривается в качестве независимого параметра. В результате решения системы определяется истинный тип пластического механизма а также система зависимостей, описывающая работу

конструкции на запредельной стадии деформирования р - рт (и,), и, = ы/''(ы,),

= гч = Ч? (м|)> О) ="Г'("|)- В область практического применения системЦд^^

может быть включен класс задач, рассматривак>щих работу пластического механизма ¡л -го типа совместно с некоторой упругой конструкцией, деформированное состояние которой характеризуется векторами обобщенных деформаций {а}, внутренних сил {£>} и необходимым числом уравнений для раскрытия статической неопределимости системы пластический механизм — упругая конструкция ^{/■}) = О, 1-1,....з. Для получения решения достаточно разрешающую систему (4) дополнить уравнениями совместности, а также заменить работу внутренних сил пластического механизма иЦ на величину

Тг"+ где Е» = ({«}", {г}) - величина упругой работы. В

I

математическом плане решение системы (4) связано с выполнением процедур численного дифференцирования и решения систем нелинейных алгебраических уравнений с помощью итерационных методов.

В ТПР пластические деформации считаются сосредоточенными в некоторых сечениях

- пластических шарнирах (балочные конструкции) или линиях - шарнирах текучести

(пластины, листовые конструкции). При описании работы материала в пластическом

шарнире принципиальным является вопрос задания условий пластичности, рассматриваемый

18

ниже при построении решения для вмятины. Работа материала в шарнирах текучести «»И^цвается в рамках представления о их прямолинейности, допускающем следующие обобщенные деформации: <р - угол слома; е(х) - удлинение (укорочение) срединной поверхности; б - сдвиг. Введение перемещений е(х) отражает учет геометрической нелинейности. Выражения для работ внутренних сил в прямолинейных шарнирах текучести удается получить в аналитическом виде.

Выполненные обоснования, позволяющие описывать жестко-пластическое деформирование в геометрически нелинейной постановке, используются при решении задач об образовании отдельных повреждений в конструкциях ледовых усилений.

Описание процесса глубокого пластического деформирования наружной обшивки при

образовании бухтины осуществляется применительно к схеме локально загруженной

пластины с конечным соотношением сторон. Условия совместной работы пластины с

окружающим ее полем наружной обшивки моделируется с помощью фиктивных распорных

конструкций, размеры которых определяются на основании решения Г.В.Бойцова. При

реализации предельного состояния и последующем запредельном деформировании в

пластине образуются конвертообразные пластические механизмы двух типов: с ориентацией

конверта вдоль длинной (//=1) и вдоль короткой (/г=2) сторон пластины. Распространение

>#ад^енного жестко-пластического решения на допредельные (упругую и упруго-

пластическую) стадии осуществляется на основании приближенной модели.

Деформированная поверхность пластины представляется в виде совокупности жестких

частей, соединенных нежесткими прослойками, которые могут существовать в 2-х

состояниях: упругого элемента и шарнира текучести. Погрешности модели устраняются

путем введения в теоретическое решение поправочной функции, определенной на основании

сопоставления решения с представительным (базовым) экспериментом - испытаниями

пластин за пределом упругости в широком диапазоне изменения их жесткостных

характеристик, проводившимися под руководством В.В.Козлякова. Достоверность

откорректированного решения обосновывается путем сопоставления с результатами других

экспериментов: испытаний 3-х пролетных жестяных моделей Л.М. Беленького (рис. 3); а

также испытаний натурной панели при локальном нагружении, проводившихся под

руководством автора. Полученное решение позволяет количественно оценить влияние на

работу пластины локализации внешней нагрузки. Влияние степени локализации нагрузки,

характеризуемой величиной параметра Ь = Ь/а (Ь — высота зоны нагружения, а — размер

короткой стороны пластины), проявляется весьма существенно и в значительно более

широком диапазоне, чем принято считать исходя из результатов анализа работы пластин в

упругой области. Использование модели балки - полоски при Ь = 2 + 3 приводит к

19

существенному, в 1.5-2.0 раза, занижению действительной несущей способности пластины.

Рис. 3. Сопоставление теоретического решения с результатами испытаний однопролетных (а) и трехпролетных (б) жестяных моделей Л.М. Беленького I - активный прогиб; II — остаточный прогиб; х, • - экспериментальные точки Задача об образовании локальных вмятин решается в два этапа. На первом этапе рассматривается деформирование балки в составе перекрытия под действием локальной нагрузки в рамках балочной идеализации. На втором описывается совместная работа балок и пластины наружной обшивки в деформированной области вмятины.

Для исследования работы балочных конструкций ледовых усилений в обтм^ больших пластических деформаций применительно к общему случаю совместного воздействия изгибающего момента (М), продольной (Т) и перерезывающей (Ы) сил получено уравнение предельной поверхности (УПП) поперечного сечения несимметричного двутаврового профиля, учитывающее также поддерживающий эффект, создаваемый поясками:

{■р(Т%М)) л>] _1=0 (5)

где М, N, Т - относительные, по отношению к предельным при чистом изгибе, сдвиге и

растяжении, значения усилий в шарнире; <р^Г>//(7\{е}) - функции, учитывающие

влияние совместности нагружения и зависящие от параметров конфигурации поперечного

сечения {в}; ¡^(г,{с},/,£>) - функция, описывающая относительное, по отношению к

предельной нагрузки балки при чистом сдвиге, увеличение предельной прочности балки за

счет поддерживающего влияния поясков, зависящая от параметров конфигурации

поперечного сечения {г}, длин пролета балки I и эпюры нагрузки Ь.

Для построения функции /¡(т,{е},1,Ь) предложена оригинальная модель перехода

балки в предельное состояние по механизму чистого сдвига, учитывающая действительно

20

наблюдаемую в экспериментах картину деформирования с образованием в стенке -диагонального гофра. В ее рамках вместо шарнира сдвига в опорном сечении балки рассматривается область деформаций сдвига в стенке конечной длины и система иэгибных пластических шарниров в поясках балки, образующие совместный пластический механизм (для случая поперечного изгиба аналогичное решение независимо было получено В.А, Кулешом). За счет поддерживающего влияния поясков предельная прочность балок со сдвиговым характером предельного состояния увеличивается на 15 - 30%.

При описании деформирования балки в составе перекрытия в рамках балочной идеализации в запредельной стадии рассматривается трехшарнирный пластический механизм перехода в предельное состояние, в частном случае переходящий в механизм чистого сдвига. Распространение полученного решения на упруго-пластическую стадию осуществляется с помощью базового эксперимента - испытаний натурных балочных конструкций ледовых усилений, проведенных автором совместно с A.M. Бененсоном.

Совместное деформирование балок и наружной обшивки в процессе образования отдельной вмятины в конструкции бортовой панели описывается с помощью следующей модели. Локально загруженная панель рассматривается как система, состоящая из двух частей: наружной обшивки, работающей как единая пластина в пределах деформированной зоны панели, и загруженных балок, работающих в соответствии с балочной идеализацией и концепцией присоединенного пояска. На перемещения частей системы накладывается условие совместности в виде равенства максимальных прогибов y = f + yt, где у, yt -прогибы загруженной и крайней балок; f - максимальный прогиб пластины относительно крайних балок. Суммарная нагрузка, воспринимаемая панелью, определяется из условия

= где + ' - Функция,

учитывающая, что полноценное включение пластины в деформирование системы происходит начиная с некоторого граничного состояния, характеризуемого развитием в ней достаточно глубоких пластических деформаций; р. - нагрузка, соответствующая реализации граничного состояния; pm{y,f), Рлiy) - зависимости нагрузка — прогиб для пластины и балки; у, =2 - эмпирический коэффициент. Для определения эмпирического коэффициента у, и проверки принятых допущений по заказу автора и на основании разработанной им программы Л.М. Беленьким проведены испытания трехпролетных изолированных двутавровых балок и трехпролетных панелей. Проверка решения выполнялась с помощью нелинейного конечно-элементного анализа в не скольких работах автора (рис. 4).

Полученное решение позволяет существенно уточнить представления о несущей

способности конструкции панели по сравнению с традиционными подходами, основанными на балочной идеализации. Согласно данным рис. 5 поддерживающий эффект наружн^й^ обшивки при относительно малой длине зоны нагружения (с1=2а) обеспечивает более чем 2-х кратное повышение прочности панели по сравнению с балочной идеализацией. С увеличением длины зоны нагружения влияние наружной обшивки уменьшается.

Переиешеиия, см

Рис. 4. Сопоставление результатов расчетов локально загруженной панели на основании полученного теоретического решения (кривая 1) и по МКЭ (кривая 2)

Т I * У-си[

Рис. 5. Зависимость нагрузка - остаточный прогиб локально загруженной борзч^А^ конструкции судна ледовой категории. ^^

1 -¿=2я,

2-£?=3а,

3 -</=ба,

4 -¿=9 а,

^ |" ^ без учета деформации

4 — 9а] крайних балок — 5 - при балочной идеализации (1 — длина эпюры ледовой нагрузки

Задача об образовании локальной вмятины-выпучины (рис. 6) по сравнению с рассмотренными выше отличается дополнительными трудностями: процесс деформирования имеет пространственный характер, обуславливающий нелинейную зависимость между перемещениями во вмятине (№„) и выпучине СО; листовая конструкция работает в условиях сжатия. Полученное решение об упруго-пластическом и запредельном деформировании системы листовой элемент -пластина наружной обшивки позволяет описать не учитываемые ранее эффекты. При образовании отдельной вмятины-выпучины существенное влияние на характер деформирования конструкции оказывает пластина наружной обшивки, способная не только непосредственно воспринимать часть нагрузки, но и разносить локализованную нагрузку по длине кромки листовой конструкции. За счет эффекта разнесения суммарная

Рис. 6. Вид локальной вмятины-выпучины (1 - наружная обшивка; 2 -листовая конструкция; 3 — подкрепляющие ребра жесткости) ч. мн

ю-

м То ; < I i °

w \М , И М «. ¡0 15 Р Ч"™' peö"" I <р#ЙИИЙр0ЙОИ |wcwj ..............................|

Рис. 8. Погонные нагрузки, вызвавшие появление отдельных вмятин в бортовых конструкциях а/л «Арктика»

(экстремальная навигация 1983 г. в восточном секторе Арктики) и «Сибирь» (высокоширотный рейс к Северному полюсу в 1987 г.)

о - отдельные вмятины в бортовых конструкциях а/л «Арктика»

• - отдельные вмятины в бортовых конструкциях а/л «Сибирь»

х - пробоины в бортах а/л «Сибирь» (над вторым дном)

-уровень предельной прочности

шпангоутов (при балочной идеализации)

Рис. 7. Вид зависимостей нагрузка - прогиб вмятины (кривые 1) и прогиб

выпучины — прогиб вмятины /„(*,„) (кривая 2) для системы листовая конструкция — наружная обшивка

--------- жестко-пластическое решение;

_- упруго-пластическое решение

сила, которую она способна воспринять, увеличивается примерно в 1.5 раза. Непосредственный поддерживающий эффект наружной обшивки (восприятие части нагрузки) возрастает по мере увеличения прогибов во вмятине. Сложение пропаа*^""* снижения несущей способности листовой конструкции при развитии в ней выпучины и геометрически нелинейного упрочнения пластины наружной обшивки с ростом прогибов во вмятине приводит к появлению минимума на кривой нагрузка - прогиб. Значение нагрузки - минимума (р,„1„) следует рассматривать как характеристику несущей способности системы листовая конструкция - пластина наружной обшивки (см. рис. 10, р, / - безразмерные нагрузка, прогиб в выпучине и прогиб во вмятине).

В целом, полученные в настоящей главе решения и основанные на них расчетные программы обеспечивают возможности регламентации требований к прочности конструкций ледовых усилений по критерию ограниченной пластической деформации, а также позволяют оценивать фактические величины ледовых нагрузок, вызвавших отдельные повреждения конструкций ледовых усилений (рис. 11). Полученные решения успешно применялись и при рассмотрении других типов конструкций, подверженных воздействию локальных нагрузок. В частности на их основании были разработаны требования Правил Регистра к конструкциям палуб накатных судов, воспринимающих локальные нагрузки от колесной техники.

В третьей главе разрабатывается набор расчетных методик, обеспечиваю*{й^л-практическое внедрение критерия предельной прочности в практику проектирования корпусов судов ледового плавания. Методики охватывают основные типы конструкций ледовых усилений - балки основного набора и балочные системы (перекрытия), пластины наружной обшивки, листовые конструкции и ориентированы на использование в требованиях Правил Регистра к судам ледового плавания и ледоколам.

Бортовое перекрытие в общем случае может включать балки 3-х иерархических уровней (наиболее сложное из встречающихся перекрытие с рамными шпангоутами при поперечной системе набора состоит из обыкновенных шпангоутов (1-й уровень), несущих стрингеров (2-й уровень) и рамных шпангоутов (3-й уровень)). Каждый уровень реагирует на ледовые нагрузки различной степени локализации и вступает в силовое взаимодействие с балками более высокой иерархии. Множество пластических механизмов перехода перекрытия в предельное состояние в общем случае также разделяется на 3 типа - по числу уровней балок. Каждому ¡-му уровню балок ставится в соответствие ¡-й тип пластических механизмов, являющийся ключевым при определении требований к размерам. Расчетная нагрузка р| для ключевых типов пластических механизмов задается

Gif

соотношением p¡ = p-KL¡, где p -максимальное давлением эпюры ледовой нагрузки; KL¡ <1 ^«•»»ффициент локализации ледовой нагрузки, учитывающий неравномерность эпюры.

Для сформированной иерархической модели перекрытия критерий предельной прочности формулируется в следующем виде, отражающем принцип равнопрочности балок всех уровней в отношении воздействия расчетной ледовой нагрузки:

pul>KL, р / = 1,2,3 (6)

где р„! = р,„ (¡gj, сгт, fSAiJ, (PMiJ) - предельная нагрузка для пластического механизма i-ro типа, являющаяся функцией вектора геометрических размеров перекрытия и эпюры ледовой нагрузки {gj, предела текучести материала оу, векторов фактических геометрических характеристик поперечных сечений балок - площадей стенок {SA if} и предельных моментов сопротивления {PMi/}.

Определение рш и последующая проверка выполнимости критерия (6) составляют обычную процедуру проверочного расчета прочности конкретной конструкции (прямая задача). Решение более сложной обратной задачи обобщено в виде метода гибкого проектирования бортового перекрытия по критерию предельной прочности. Процесс гибкого проектирования включает 3 этапа.

На первом этапе из рассмотрения пластических механизмов 1-го типа "устанавливаются требования к геометрическим характеристикам балок 1 -го уровня:

SAl = SAlt-KLiy РМ\ = а(у^)-РМ\ъ-КЦ (7)

где SAI о = Cl({g,}. а-т) p, PMIo = Dltfg,}. от) р, у, = SAlf/SAl Cl({gi], от), Dl({gi},Of) - функции, определяемые из решения задачи о предельном равновесии пластических механизмов 1 -го типа.

После определения размеров поперечного сечения вычисляются коэффициенты <p¡ и tf/¡, характеризующие фактические запасы материала балки по сравнению с требуемыми

КЦ . , PM\r KL{

по (7), а также различие между давлениями pi и р2: —г-, у/,=а{у, ) • • —f-.

KL2 PMI Kl. 2

На втором этапе рассматриваются пластические механизмы 2-го типа и устанавливаются требования к геометрическим характеристикам балок 2-го уровня:

SA2 = SA20 ■ KL¡, PMI = сс{уг )РМ2а ■ KL2 (8)

где SA20 = C2({g,}, an Vu 4>¡)p, РШо = D2({g,}, or, q>u 4>ÙP, Г г =SA2f/SA2 C2(fg¡J, сгт, <pi, 4/1), D2({gt}, от, (pi, 4/1) - функции, определяемые из решения задачи о предельном равновесии пластических механизмов 2-го типа.

Требуемые геометрические характеристики балок 2-го уровня зависят еще и от фактических размеров поперечного сечения балок 1-го уровня. После определ$ей!^"'"Г размеров поперечного сечения вычисляются коэффициенты щ и ц/;, характеризующие фактические запасы материала балки по сравнению с требуемыми по (8), а также различие

KL2 , РМ2, KL,

между давлениями pj кр3:<р2 = у2 («/, = а(у2) ■ _- • ——.

KLy Рм 2 л/,.

На третьем этапе рассматриваются пластические механизмы 3-го типа и устанавливаются требования к геометрическим характеристикам балок 3-го уровня, которые зависят уже от фактических размеров балок 1-го и 2-го уровней:

SA3 = SA\ ■ KU,, /'А/3 = а(п )РШ0 ■ KL, (9)

где SA30 = C3({g}}, crT, <р,. у//, <р2, i//i) p, РМЗа = D3((gs}, ат. <ph щ, <р2, удр у у = SA3//SA3, C3({gi}, at. <pt, 4>h <p2. (Ы £>3({g3), err, <Pi, 4>u <Pi, 4/2) - функции, определяемые из решения задачи о предельном равновесии механизмов 3-го типа.

Входящие в требования (7) - (9) редуцирующие функция а(у,) = yt (у, - *Jy? — Г) отражают учитываемый в рамках метода нелинейный эффект взаимовлияния изгибающих моментов и перерезывающих сил, вытекающий из общего уравнения предельной поверхности для пластических шарниров (5). Аппроксимационные функции определяются из рассмотрения предельного равновесия ключевых пластических механизмов соответствующих типов. В целом изложенный метод позволяет снижать размеры балок 2-го и 3-го уровней за счет наличия избыточных запасов материала в балках 1-го и 2-го уровней, учитывать различия в величинах ¡расчетных нагрузок для балок различных уровней, изменять в широких пределах соотношения между изгибными и сдвиговыми характеристиками поперечного сечения путем варьирования параметров yi- I

Поскольку в разработанном обобщенном методе используется ряд допущений и аппроксимационных зависимостей, была осуществлена независимая проверка его достоверности. Для спроектированных по обобщенному методу на заданную расчетную нагрузку ррасч перекрытий J. Bond и О.Я. Тимофеевым выполнялись прямые расчеты упруго-пластического изгиба перекрытий на основании универсальной конечно-элементной программы ANSYS и определялась величина предельной нагрузки соответствующая моменту начала интенсивного нарастания прогибов перекрытия. В зависимости от степени согласования значений нагрузок Рр^ и рПреэ оценивалась достоверность обобщенного метода. Результаты расчетов (рис. 9), продемонстрировали практически идеальное согласование предельных и расчетных нагрузок.

Использование критерия предельной прочности при проектировании балочных к01®*£}гкций ледовых усилений предполагает, что переход в предельное состояние не сопровождается изменением конфигурации поперечных сечений балок. Для выполнения данного условия должна быть исключена реализация наблюдаемых на практике повреждений в виде выхода из плоскости (заваливания) обыкновенных шпангоутов и смятия стенок балок. Заваливание связывается с особенностями воздействия локальных ледовых нагрузок: шпангоут, расположенный в крайней по длине эпюры нагрузки шпации, поворачивается под действием погонного крутящего момента т, передаваемого со стороны наружной обшивки. Одновременно в нем действуют внутренние напряжения <т(*,г), обусловленные поперечным изгибом. Под действием указанных усилий в шпангоуте наступает предельное состояние, приводящее к заваливанию профиля (рис. 10). Рассмотрение предельного равновесия пластического механизма дает требование к минимальной относительной ширине свободного пояска, обеспечивающее необходимый запас предельной прочности при заваливании.

о.о 0.1 о.з , L g.l 0« OS

u,(m)

Рис. 9 Конечно-элементная модель перекрытия и зависимость нагрузка-прогиб, (а) - расчет J. Bond , (б) - расчет О.Я.Тимофеева

Смятие стенок балок происходит в результате совместного воздействия

сминающих напряжений на кромке (ау, щ) и напряжений от изгиба (оь). Рассмотрение

предельного равновесия стенки позволяет построить предельную кривую для наиболее нагруженного (среднего) сечения балки (рис. 11) ^) = 0, где р = МУНЦЦ^

относительное уменьшение изгибающего момента по сравнению с предельным изгибающим моментом при чистом изгибе, обусловленное влиянием смятия; д -безразмерная нагрузка смятия, приложенная к кромке стенки. Нормирование допустимой величины снижения изгибной прочности балки (/?„) устанавливает требование к толщинам стенок набора бортовых перекрытий из условий обеспечения предельной прочности при совместном изгибе и смятии.

X и

штат

1-

)м

Щ]-

и и 04 0.1 1 г

^ »

.£2. «А

__—3"

Рис. 10 Пластический механизм заваливания профиля шпангоута

------ линии шарниров в стенке;

• - изгибные шарниры в пояске

Рис. 11. Предельная кривая изгибающий момент — нагрузка смятия —

1 — балки основного набора; 2 - рамные балки

Для практического проектирования балочных систем (перекрытий), удовлетворения дополнительных требований к предельной прочности и устойчивости элементов поперечных сечений, часть которых носит нелинейный характер, а также выполнения дополнительных конструктивно-технологических ограничений, накладываемых на размеры профиля, разрабатывается оригинальный алгоритм (и соответствующее программное обеспечение) оптимального проектирования балочных конструкций ледовых усилений, в определенной степени основанный на подходах, предложенных А.А.Родионовым для рассматриваемого класса оптимизационных задач. Задача оптимизации размеров поперечного сечения формулируется как конечномерная

экстремальная задача с ограничениями типа неравенств: тт(Ро(е^), Р/е^ £ 0,] = 1.....к,

е,>0, где !„ а. ^"'-вектор регламентируемых размеров поперечного сечения балки

1-го типа (далее индекс 1 опускается); И,1,с,3 - соответственно высота и толщина стенки, ширина и толщина свободного пояска; Рц(е) - функция цели, в качестве которой обычно рассматривается минимизация веса балочных конструкций, при этом Рц(е) — Иг + сЗ, хотя в принципе возможны и другие задачи оптимизации; Р/е) — расчетные требования к

28

предельной прочности и устойчивости и консруктивно-технологические ограничения, накладываемые на размеры поперечного сечения. Оптимизация размеров поперечного гечХйя-шпангоута по весу при вариации его относительной длины пролета I - l/h дает следующие результаты. Для относительно жестких балок (Т= 5+10), типичных для конструкций ледовых усилений, оптимальным является профиль, у которого SAIj&SAJo (отсутствует запас по площади стенки), стенка относительно низкая, а поясок относительной узкий (h/t и с/8 минимальны), площадь пояска значительно меньше площади стенки. Такая конфигурация профиля, напоминающая приземистый белый гриб, физически полностью оправдана и обеспечивает высокую надежность при восприятии интенсивных локальных ледовых нагрузок. При снижении жесткости балки (1> 10), практически наблюдаемом при понижении ледовой категории судна, образуется значительный запас по площади стенки (SAl/^l.5SAI0), у стенки и пояска увеличиваются относительные высоты и ширина (h/t и c/S возрастают), площадь пояска увеличивается по сравнению с площадью стенки (возрастает параметр (cS)/(ht)). Это означает, что влияние чисто ледовых факторов нивелируется, а главной задачей становится удовлетворение условия по требуемому моменту сопротивления. Конфигурация профиля начинает напоминать гриб на тонкой ножке с широкой шляпкой (мухомор), что, в целом, типично для конструкций морских (не ледовых) судов. Изложенные соображения подтверждают эффективность и физическую обоснованность разработанной системы расчетных требований и полученного решения об оптимальном проектировании балочных конструкций ледовых усилений.

Образование вмятин в балочных конструкциях ледовых усилений часто сопровождается пластическим выпучиванием (выходом из плоскости) книц, приводящим к уменьшению их способности поддерживать балку и, в связи с этим, снижению предельной прочности балочной конструкции (шпангоутной ветви). Рассмотрение предельного состояния и запредельного деформирования изолированной кницы с подкрепляющим пояском в рамках обоснованной в главе 2 нелинейной постановки позволяет получить зависимость нагрузка-прогиб кпицы q0{wm), представленную на рис. д„ „ W- -г d

12 (</0 = ; wm = —— \ а = —; q„ - погонная нагрузка, передаваемая на катеты кницы;

- максимальный прогиб выпучивания кницы; tk - толщина кницы; d - ширина пояска). Близкие результаты получены В.А. Кулешом, рассмотревшим задачу о закритическом поведении книц в несколько иной постановке, выполненные им эксперименты подтвердили достоверность обоих решений. Рассмотрение предельного состояния

шпангоута с поврежденными кницами, замененными нормальной и касательной составляющими погонной нагрузки до, позволяет сформировать рекомендации по рациональному проектированию кничных соединений.

Требования к предельной прочности наружной обшивки основываются на уточненной расчетной модели локально загруженной пластины с конечным соотношением сторон, учитывающей действительный

локальный характер эпюры ледовой

Рис. 12. Графики зависимости

1 — ¿ = 8; 2 — ¿ = 4; 3-е/ = 0 (отсутствие пояска)

нагрузки. При высокой степени локализации ледовой нагрузки, характерной для судов малых и средних водоизмещений, уровень предельной прочности обшивки увеличивается более чем в 2 раза по сравнению с использовавшейся ранее моделью балки-полоски.

Понимание необходимости четкой регламентации требований к листовым конструкциям (прилегающим к наружной обшивке участкам настилов палуб, платформ, второго дна, обшивки поперечных переборок, стенок рамных связей) сформирои4йю£|^5* связи с их повышенной повреждаемостью в условиях круглогодичной эксплуатации в Арктике. Однако попытка построения соответствующих требований на основании критерия фибровой текучести и модели изолированного листового элемента дала практически неприемлемые результаты. В рамках кардинальной переработки требований к листовым конструкциям на основании критерия предельной прочности осуществляется обоснование нормативных подходов к назначению расчетных нагрузок на листовые конструкции, учитывающих их повышенную ответственность, и разработка расчетных моделей, описывающих переход листовых конструкций в предельное состояние с учетом особенностей деформирования совместно с наружной обшивкой, подкрепляющими ребрами жесткости и балками основного набора. При разработке моделей используются результаты полученных в главе 2 решений о деформировании балок и листовых конструкций совместно с наружной обшивкой. Требования к предельной прочности дополняются требованиями к устойчивости листовой конструкции. В рамках новой системы обеспечено плавное возрастание требуемых толщин листовых конструкций с ростом ледовой категории и устранено имевшееся в Правилах Регистра'90 неоправданное увеличение толщин листовых конструкций палуб и переборок у судов высших ледовых категорий и ледоколов.

В совокупности разработанные в главе методы и модели определяют новую м«Ч(|£логшо проектирования конструкций ледовых усилений на основании критериев предельной прочности и устойчивости, не имеющую аналогов как в отечественных, так и в зарубежных нормативных документах. Ее практическое использование в требованиях Правил Регистра к конструкциям ледовых усилений будет способствовать повышению надежности корпусов судов ледового плавания и исключению избыточных запасов материала.

В четвертой главе описывается комплекс экспериментально-теоретических исследований, направленных на совершенствование моделей разрушения льда и методов определения ледовых нагрузок, включающий уникальный эксперимент по изучению динамической прочности натурного арктического льда, осуществленный в рамках проекта ARCDEV, построение на его основе модифицированной гидродинамической модели удара корпуса судна о лед, учитывающей пиковый характер эпюры ледовой нагрузки, и разработку новой модели динамического разрушения льда при местном смятии, адекватно описывающей наблюдаемые в экспериментах физические явления.

Гидродинамическая модель удара твердого тела о лед Курдюмова-Хейсина (ГДМ), положенная в основу отечественных методов определения ледовых нагрузок на корпус судна, была разработана на основе цикла экспериментальных исследований Д.Е. Хейсина и В.А. Лихоманова по сбрасыванию сферических тел на лед, выполнявшихся в ААНИИ в период 1967-1969 г.г. В ходе этих экспериментов, получивших на западе название Drop ball tests (DBT), осуществлялись замеры ускорения падающего тела и глубины его проникновения в лед. Полученных данных в целом было не достаточно для детального экспериментального подтверждения ГДМ. DBT, а также эксперименты по внедрению полунатурных инденторов в арктический лед (Medium scale indentor tests, MSIT), проводившиеся R.M.W. Frederking, I.J. Jordaan, J.S. McCallum, G.W. Timco в 80-x - 90-х годах в Канаде, в целом подтверждали основополагающее положение ГДМ об образовании в процессе ударного взаимодействия промежуточного мелкодисперсного слоя между поверхностью внедряемого тела и не разрушенной поверхностью льда. Однако они однозначно противоречили допущению ГДМ о пропорциональности давлений в промежуточном слое его толщине, приводящему к максимуму толщины слоя в центе зоны контакта и достаточно плавному распределению давлений по зоне контакта (рис. 136). Из экспериментов следовало, что эпюра давлений носит выраженный пикообразный характер, а толщина промежуточного слоя увеличивается от нуля в центре зоны в районе пика давлений, где промежуточный слой отсутствует и имеется область прямого взаимодействия с телом, до максимума на краю (рис. 13 а). Отмеченные противоречия привели к определенному

31

недоверию зарубежных специалистов к ГДМ. Вместе с тем адекватной по физической проработанности модели разрушения льда, позволявшей дать математическое огщ^мие., процессов, наблюдаемых при ударном (динамическом) взаимодействии, создать не удалось. Проведенные в 80-е — 90-е годы в Северной Америке DBT и MSIT, а также натурные испытания судов во льдах, оснащенных специальной системой для построения эпюры давлений в зоне контакта корпуса со льдом, создали основу для построения эмпирической модели Pressure-Area Curve (РАС) (кривая давление-площадь) (D.M. Masterson, R.M.W. Frederking), устанавливающей зависимость среднего давления в пределах зоны контакта от площади зоны контакта и, таким образом, косвенно учитывающей эффект пиковости: р - ро А" (где ро, а - эмпирические коэффициенты; А - площадь зоны контакта, м). Однако РАС фактически представляет конечный результат, обычно подлежащий расчетному определению, и не дает ответа на вопросы о влиянии параметров взаимодействия (форма ледовой кромки и тела, параметры ледовых условий и т.д.) на параметры ледовой нагрузки. Анализ отмеченных экспериментальных данных привел автора к убеждению, что главная идея ГДМ, связанная с рассмотрением процесса вытеснения промежуточного слоя как основного фактора силового взаимодействия, является абсолютно верной, однако требуется определенная модификация модели, направленная на учет пикового характера эпюры давлений.

Базовым экспериментом, выполнявшимся специально с целью совершепств'ова?^" ГДМ, является комплекс натурных испытаний в рамках международного проекта ARCDEV (проект осуществлялся под эгидой Европейского Союза, с российской стороны в проекте приняли участие ЦНИИМФ, ААНИИ и ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова). Исследования, направленные на уточнение методов регламентации ледовых нагрузок, включали; сбор данных о параметрах ледовых условий (температура, соленость) и прочности льда на изгиб (ААНИИ), исследование динамической прочности льда с помощью DBT (ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова), проведение замеров ледовых нагрузок на корпусе танкера Uikku на трассе Мурманск - устье Оби (Helsinki University of Technology, HUT). Параллельное проведение 3-x составляющих комплексного эксперимента, осуществленное впервые в мировой практике, создало качественную и количественную базу для обоснованной модификации ГДМ.

DBT, проводившиеся под руководством автора на спроектированной и изготовленной в ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова специальной передвижной установке, выполнялись в конце апреля - начале мая 1998 г. на 4-х станциях. В процессе проведения испытаний измерялись контактные давления в 7-ми точках, ускорение сбрасываемой полусферы, время ударного взаимодействия и глубина внедрения полусферы в лед. Варьировались высота сбрасывания,

а

вес и радиус полусфер, состояние льда. Всего для дальнейшего статистического анализа был сОвВЛ 91 тест.

Модификация ГДМ на основании результатов РВТ осуществляется в рамках следующего подхода. Выражение для эпюры давлений в зоне контакта груза сферической' формы со льдом, вытекающее из ГДМ, может быть преобразовано к виду

где р - давление; ра = а***^023/-00 5 - давление в центре эпюры; а^ - параметр динамической прочности льда (ПДПЛ) для случая удара сферического тела о лед, рассматриваемый в качестве физической константы; V - скорость движения; го - радиус зоны контакта сферы со льдом; г - отстояние точки от центра зоны контакта (радиус); г^ =г0/а- эффективный радиус зоны силового контакта сферы со льдом; а = 1.06 - численный коэффициент, учитывающий наличие сколов по краям зоны контакта, наблюдаемое при ОВТ.

Введение коэффициента а не изменяет форму эпюры давлений, но ограничивает площадь силового контакта тела со льдом, по которой ведется интегрирование давлений, окп^кностью радиуса г«/. В такой постановке влияние параметра а относительно невелико, и его введение имеет скорее теоретический, чем практический смысл. Однако параметр а может быть использован для учета эффекта пиковости в модифицированной ГДМ е качестве второй физической константы.

Значения а^, а определяются по каждому броску из условия согласования теоретических (согласно модифицированной ГДМ) и экспериментальных значений параметров нагрузки. Статистическая обработка массива значений аи а по всем ИВТ, выполнявшаяся на основании специально разработанной оригинальной программы, позволила сделать следующие выводы.

- Значения а'^ достаточно стабильны при одинаковых ледовых условиях (среднее значение коэффициента вариации <ра = 0.18) и слабо зависят от высоты сбрасывания (скорости в момент удара) и параметров сферы.

- Значения параметра пиковости а также имеют высокую стабильность (<ра = 0.11) и слабо зависят не только от скорости удара и параметров сферы, но и от свойств льда. Поэтому в расчетах ледовых нагрузок достаточно обосновано принимать а*=2=сопз1.

(10)

0

при г>г

Эксперимент

эпюра давлений в зоне контакта

область прямого контакта

промежуточный слой (разрушенный лед)

конструкция

Гидродинамическая модель

конструкция

Рис. 13. Физическая картина разрушения льда

а - эксперименты (ОВТ, МЭГГ); б - ГДМ

эпюра давлений в зоне контакта

промежуточный сдой (разрушенный лед)

Рис. 14. Зависимость параметров ледовой нагрузки от параметра пиковости а для случая вытянутой зоны контакта:

' Г(а = 1.0б)

р — максимальное давление; Т — полное время удара; ц — максимальная погонная нагрузка; Р — максимальная сила; Ь, Ьег - фактический и эффективный размеры зоны контакта

з

V:

О 10 15 ~2Г 23 Рис. 15. Сопоставление ледовых нагрузок

на танкер 1Лкки согласно модифицированной ГДМ с результатами испытаний в проекте АИСОБУ

15,14

ао2 ам им аса

Рис, 16. Сравнение расчетных (согласно модифицированной ГДМ) и экспериментальных (по испытаниям сегментной модели) ледовых нагрузок (зависимость силы от времени) ——— расчет; .......... эксперимент

69

Для перехода от параметров ajf* и а к ПДПЛ в модели удара корпуса судна о лед

nanyil&r соотношение а^" =afß, где a'f /ß5)i , ß - масштабный

коэффициент, определяемый на основании замеров ледовых нагрузок на корпус судна. Введение эмпирического коэффициента пиковости ледовой нагрузки а в модель удара корпуса судна о лед приводит к тому, что интегрирование давлений ведется не по полной, а по эффективной высоте зоны контакта Ье/ —Ы а . Это эквивалентно домножению интеграла давлений в дифференциальном уравнении движения судна при ударе о лед на функцию

G =1.198 j(l-3cJ]"4i£c. Характер зависимости параметров нагрузки от коэффициента о

пиковости представлен на рис. 14. Учет эффекта пиковости с помощью модифицированной ГДМ приводит к увеличению максимального давления (рм) и продолжительности удара (7м) и снижению полной силы (Fu) и погонной нагрузки (дм)- Значения параметров при а=2 рассматриваются в качестве расчетных при ударе корпуса судна о лед. Для определения масштабного коэффициента ß в зависимости для а** используются данные замеров

ледовых нагрузок на корпус танкера Uikku, выполнявшихся К. Kotisalo, P. Kujala, К. Riska

(Ш^Т) в рамках проекта ARCDEV. Анализ данных испытаний позволил установить

величину ß =0.275, при которой имеется хорошее согласование экспериментальных и

теоретических (согласно модифицированной ГДМ) величин ледовых нагрузок (см. рис. 15,

варьируемый параметр -радиус скругления ледовой кромки Л).

Для проверки модифицированной ГДМ используются данные 2-х экспериментов -

натурного (испытания ледокола Louis S.St-Laurent (LSSL) в Канаде в 1994 г., обработанные

R.P.Browne, C.R. Revill и A. Ritch) и модельного (испытания сегментной модели,

разработанной HUT, в ледовом бассейне ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, проводившиеся под

руководством автора). Согласование Экспериментальных и теоретических (по

модифицированной ГДМ) результатов (рис, 16), подтверждает ее достоверность. Внедрение

модифицированной ГДМ в соответствующие нормативные документы не требует

переработки нормативной базы в части задания расчетных параметров прочности льда.

Модифицированная ГДМ не вскрывает физические причины наблюдаемого эффекта

пиковости. Новая физическая модель, получившая название модели динамического

разрушения льда при местном смятии (МДРЛ), основывается на описанной выше

качественной картине, наблюдавшейся в канадских экспериментах, а также в DBT,

проведенных автором, (рис. 13 а). В МДРЛ учитывается комплексный характер разрушения

льда, включающий 2 параллельно протекающих процесса: смятие (раскрашивание) льда как

35

твердого тела в области прямого - взаимодействия и вытеснение раз рушен н ого^вда за пределы зоны контакта. Для описания процесса вытеснения используется общее дифференциальное уравнение ГДМ, обоснованность которого не подвергается сомнению. Однако противоречащее приведенным экспериментальным данным основное допущение ГДМ о пропорциональности давления в слое (р) его толщине (А) исключается. Вместо него принимается допущение о форме не разрушенной поверхности льда, легко определяемое Экспериментально. Применительно к случаю внедрения борта судна в ледовое поле, приводящему к зоне контакта, вытянутой в одном (продольном) направлении, форма не разрушенной поверхности может быть задана в виде

h(x) — К хс (И)

где х —поперечная координата, отсчитываемая от центра зоны контакта; К, с - физические константы, согласно исследованиям С. Daley и P. Kujala можно принимать с= 1.

Подстановка (11) в общее дифференциальное уравнение ГДМ позволяет получить дифференциальное уравнение МДРЛ для мгновенного распределения давлений по вытянутой в продольном направлении зоне контакта, которое дополняется условием на границе области прямого взаимодействия:

+ = Р(х)-Р» при х=0.5Ьо "'(12)

dx ах ' х

где Лр = - физическая константа, рассматриваемая в качестве параметра динамической ¡С

прочности льда аналогично величине ар в ГДМ; ц - коэффициент внутреннего трения промежуточного слоя; v — мгновенная скорость внедрения тела в лед; f>o « 6, pm — параметры (поперечный размер и давление) области прямого взаимодействия, рассматриваемые как физические константы, определяемые на основании экспериментальных данных, частично отраженных в эмпирической модели РАС, и анализа опыта эксплуатации судов во льдах; Ъ — поперечный размер зоны контакта.

Распределение давлений, следующее из решения (12), имеет пиковый характер, соответствующий наблюдаемому в экспериментах. В целом разработанная МДРЛ с одной стороны сохраняет определенную преемственность с хорошо апробированной в отечественном ледовом судостроении ГДМ и с популярной за рубежом эмпирической моделью РАС, а с другой стороны снимает противоречивость ГДМ в отношении эффекта пиковости эпюры давлений и позволяет описать наблюдаемую в экспериментах физическую картину местного разрушения льда, частично отраженную в эмпирической модели РАС. Однако для практического использования разработанной модели необходимо проведение комплекса экспериментальных и расчетных исследований, направленных на уточнение

величин физических констант и нормирование параметров прочности льда. Выполнение этдго комплекса выходит за рамки настоящей работы и рассматривается автором как *пер^££тивное направление для будущих исследований.

Пятая глава посвящена созданию прогрессивной методологии построения Ледовых Правил Регистра, включающей уточнение способов задания расчетных характеристик прочности льда; построение нормативной основы для определения уровней ледовых категорий новых Ледовых Правил в виде системы базовых опасных режимов; определение расчетных ледовых нагрузок при движении судна по базовому опасному режиму; построение системы базовых допустимых режимов движения; построение ледовой классификации с количественным описанием допустимых условий ледового плавания.

Включение в Правила Регистра количественной информации о допустимых условиях ледового плавания позволяет связать в едином комплексе подходы к построению ледовой классификации, методы определения расчетных ледовых нагрузок и нормирования расчетных параметров ледовых условий, методы оценки предельной прочности конструкций и данные о ледовой повреждаемости корпусов судов. Переход к количественной регламентации допустимых условий ледового плавания осуществляется в рамках следующих основополагающих принципов построения новых Ледовых Правил: ^Допустимые условия ледового плавания в рамках каждой ледовой категории одинаковы для всех судов, независимо от их типов, размерений и формы обводов корпуса (принцип единого стандарта безопасности), • Присвоение судну ледовой категории обеспечивает наличие стабильного гарантированного запаса допустимых условий плавания во льдах по отношению к опасным, приводящим к ледовым повреждениям корпусов (принцип гарантии безопасности).

Ёдиная комплексная методология построения Ледовых Правил в самом общем виде включает следующие укрупненные этапы:

1). Уточнение способов задания расчетных характеристик прочности льда как функций толщины (возраста) аи(Н), ар(Н) применительно к решению 2-х задач: определение уровней ледовой прочности и регламентация допустимых условий ледового плавания.

2). Построение системы базовых опасных режимов У/Н) (где 1 - индекс ледовой категории), составляющих нормативную основу для определения уровней прочности ледовых категорий новых Ледовых Правил. Системой У,(Н) для каждой ледовой категории задается единый для всех судов (базовый) опасный режим движения. Превышение опасного режима связано с риском получения фиксируемых ледовых повреждений.

3). Определение расчетных ледовых нагрузок, воздействующих на корпус судна при его движении по базовому опасному режиму, в виде обобщенных зависимостей

где Л - водоизмещение судна; ^ ^ - функции формы корпуса.

Формирование на основе (13) аппроксимационных зависимостей для использования непосредственно в Ледовых Правилах.

4). Построение системы базовых допустимых режимов движения У'и(Н), составляющих нормативную основу для количественного описания допустимых условий плавания судов во льдах в новых Ледовых Правилах. Системой (II) для каждой ледовой категории задается единый для всех судов (базовый) допустимый режим движения дифференцировано для условий зимне-весенней (Г=1) и летне-осенней (1=2) навигаций. Превышение базового допустимого режима связано с возможностью появления в конструкциях пластических деформаций.

5). Построение ледовой классификации, включающей количественное описание допустимых условий ледового плавания с помощью системы базовых допустимых режимов движения.

При построении расчетных зависимостей для параметров прочности льда в задаче определения уровней прочности ледовых категорий в качестве основного паршЛЬра используется его толщина. На основании анализа данных В.В. Лаврова, И.Г. Петрова, Н.В. Черепанова получены следующие соотношения для параметров прочности льда

где ¡7° , <т° , Я° - наиболее типичные для каждой ледовой категории значения параметров ледовых условий; II1 = И / Н° - относительная толщина льда; <р(Н) -безразмерная функция, описывающая влияние толщины льда на характеристики его прочности.

Построение системы базовых опасных режимов движения осуществляется на основании комплексной расчетной процедуры, обеспечивающей обоснованную экстраполяцию положительного опыта проектирования и эксплуатации судов ледового плавания, аккумулированного в Правилах Регистра и ведущих классификационных обществ, прежде всего Финско-Шведских Правил (ФШП) и Правил Американского Бюро судоходства (АБС). Ее методическую основу составляют специально разработанные программы проектирования конструкций ледовых усилений по Правилам, расчета предельной прочности и построения опасных режимов движения. Выполняемый в рамках

а = АК(Я),<Г„((Я),ЛДЯ),ДЛ), ь, =й,(ко,(Я),Сг„(Я),ар,(Я),Д,^)" (13)

(14)

комплексной процедуры расчетный анализ включает: формирование представительной сетки суЯЙяЙЦгиедокольного ряда; регламентацию единой процедуры учета износа конструкций ледовых усилений; проектирование конструкций ледовых усилений по Правилам с определением их фактических размеров; выполнение расчетов кривых предельной прочности для всей сетки судов и формирование банка кривых предельной прочности р{, = р'и(б), где у'-индекс классификационного общества, по требованиям которого спроектированы конструкции ледовых усилений (/=\ - Правила Регистра, ]~2 - Правила АБС,_/=3 - ФШП); к - номер судна в сетке (А=1 - ¿=50 м, ..., £=9, - £=300 м, £ - длина судна); / - индекс ледовой категории или класса; выполнение расчетов опасных режимов движения для банка кривых предельной прочности и формирование банка кривых опасных режимов движения VI = ^¿(Щ, сгруппированного по ледовым категориям (классам) и характеризуемого в рамках фиксированной ледовой категории разбросом кривых опасных режимов для судов различных длин У,{ (Я) * V,', *... * (Я) * ... * VI, ¡=соп5(, _/=соп51; построение базового режима движения V'I (Я) путем осреднения кривых опасных режимов в рамках каждой категории или класса (рис. 17).

На основании полученных данных о базовых режимах строится итоговая система Ь-^н» опасных режимов, образующая нормативную основу новых Ледовых Правил. Система, представленная в таблице 1 и на рис. 18 (для судов ледового плавания), включает девять базовых режимов для судов ледопого плавания У,(Н), ;=1,...,9, а также четыре базовых режима для ледоколов Ум(Н), 1=6.....9.

Таблица 1: Базовые режимы новых Ледовых Правил

Ледовая категория Суда ледового плавания Ледоколы

ЛУ1 ЛУ2 ЛУЗ ЛУ4 ЛУ5 ЛУ6 ЛУ7 ЛУ8 ЛУ9. 1Л 6] 1Л 7. Ш8 ЛЛ9

Базовый режим V, Уз У„ у5 Уб у7 у„ Улб V., Ул, У„9

Для ледоколов в соответствии с принятой практикой нормирования базовые опасные

режимы определяются отдельно для случаев прямого и отраженного ударов. Как показал

расчетный анализ, для прямого удара в качестве базовых опасных режимов могут

использоваться базовые режимы судов ледового плавания (Н) = (Я), ¡=6,... 9. Базовые

опасные режимы ледоколов при отраженном ударе устанавливаются на основе базовых

режимов ледоколов по Правилам Регистра и высших классов АБС.

Базовый режим является интегральной количественной характеристикой ледовой

категории (класса). Им определяются осредненные условия плавания судна во льдах,

39

Рис. 17. Разброс опасных режимов движения у класса ¡АБирег ФШП для судов сетки (длины 50, 70,...,300 м) ___базовый опасный режим

♦«ими* ряслрсдамемия

» Y - - j

—~ ■

f

с— v /

г / /

и -

O.ÍO ЬЭО В.» ОМ 120 1 la ""'1"* "

Рис. 19. Гистограмма и функция распределения толщин льда на севере Баренцова моря в зимний период

Рис. 18. Система базовых опасных режимов движения для ледовых категорий Ледовых Правил.

МП к /

«я

лу»„ зимне-весскмий период среднее значение ___ летне-осенний период

Рис. 20. Единая зависимость <ты (//) (15) и семейство нормативных кривых ст„, (//) (14)

_нормативные кривые (14);

• нормативные точки; ____ зависимость (15).

Рис. 21. Допустимые режимы движения

для судов арктических категорий в условиях зимне-весенней навигации в ровном льду

Ufr

превышение которых связано с возможностью получения ледовых повреждений. Поэтому J***rsi^1oeHHe новых Ледовых Правил на основе базовых режимов обеспечивает выполнение сформулированного выше условия о необходимости регламентации в рамках каждой ледовой категории одинаковых для всех судов допустимых условий плавания во льдах, независимо от размеренна и формы обводов конкретного судна. Обоснованность полученной системы базовых опасных режимов движения подтверждена исследованиями R.P. Browne, C.R. Revill и А. Ritch, продемонстрировавшими их корреляцию с существующим опытом арктического судоходства в канадской Арктике, а также с результатами испытаний двух ледоколов на высокоширотных арктических трассах.

При разработке методики определения расчетных нагрузок в Ледовых Правилах определяются число и границы районов по длине носового заострения, в пределах которых допустимо считать параметры расчетной ледовой нагрузки постоянными, и обосновываются критерии выбора единственного вектора расчетных параметров ледовой нагрузки для всего выделенного участка. Носовое заострение однозначно разбивается на 2 района: носовой, охватывающий примерно 60% длины носового заострения, и промежуточный. При неблагоприятной форме корпуса нагруженность промежуточного района может быть даже выше, чем носового. Данные о повышенной повреждаемости конструкций на участке ^""Зц^бЗода носового заострения в цилиндрическую вставку подтверждают справедливость принятого решения. В Правилах'81-9S данный эффехт не учитывался. Расчетные ледовые нагрузки на районы ледовых усилений вне носового заострения устанавливаются на основании эмпирического подхода, путем экстраполяции в рамках принятых соотношений эквивалентности накопленного опыта проектирования и эксплуатации и данных о повреждаемости судов ледового плавания. Расчетные нагрузки для ледоколов определяются на основании аналогичной процедуры. В качестве дополнительного фактора учитывается возможность проектирования в перспективе ледоколов большей мощности, чем принято для ледокольного ряда, приводящей к осредненному увеличению нагруженности корпуса ледокола.

Для количественного описания допустимых условий ледового плавания обязательным является наличие 3-х информационных блоков: статистических данных о законах распределения толщин льда, дифференцированных по российским арктическим морям; функциональных зависимостей, описывающих влияние на характеристики прочности льда параметров ледового покрова и периода плавания; системы базовых допустимых режимов дзижения.

Анализ статистических данных о толщинах и характеристиках прочности льда выполнялся по заказу автора И.В. Степановым и О.Я. Тимофеевым. В рамках анализа

получены гистограммы распределения толщин льда по российским арктическим морям, аппроксимированные законом Вейбулла, а также данные о температуре и арктического льда и их влиянии на параметры его прочности.

Обобщение данных о толщинах льда осуществляется в рамках следующего подхода. Для характеристики тяжести ледового года рассматривается четыре типа навигации: легкая, средняя, тяжелая (с повторяемостью раз в 3 года каждая) и экстремальная (с повторяемостью раз в 10 лет). Для введенных типов навигаций (индекс к) для российских арктических морей (индекс 0 в зимне-весенний и летне-осенний сезоны (индекс /) по вычисленным законам распределения снимаются толщины льда, отвечающие соответствующим значениям вероятности: легкая (Л) - 0.15; средняя (С) - 0.45; тяжелая (Т) - 0.75; экстремальная (Э) -0.95 (рис. 19). В результате вычисляется набор значений толщин льда (я,/4).

Для параметров прочности льда получена единая зависимость от толщины льда, коррелирующаяся как с полученными статистическими данными, так и.с нормативными точками семейства кривых (14), использовавшихся при построении базовых опасных режимов (рис. 20)

гг.(Я) = к„о1(11), (МПа), а„(Н) = кна°р{И) (ту6 (м-с)"3™) (15)

где кн =1.2 — для зимне-весенней навигации, ки =0.8 — для летне-осенней навигации; <т°(^)> а° (УЛ - функции толщины льда, заданные в аналитическом виде.

Процедура построения системы базовых допустимых режимов движения в целом аналогична процедуре построения системы базовых опасных режимов движения. Кривая строительной прочности задается в соответствии с зависимостью (3), обеспечивающей при плавании в допустимых условиях для всех типов конструкций ледовых усилений наличие стабильного гарантированного запаса по отношению к опасным условиям и, таким образом, отражающей положенный в основу Ледовых Правил принцип гарантии безопасности.

В результате построения кривых допустимых режимов движения для судов сетки и последующего осреднения полученных расчетных данных устанавливается система базовых допустимых режимов движения в ровном льду У^ (Я) (рис. 21). Для учета торосистости вводится поправочная функция. Оценка влияния сплоченности ледового покрова описывается с помощью специальной модели, учитывающей, что с увеличением сплоченности снижается возможность маневрирования судна при плавания между отдельными льдинами и повышается нагруженность промежуточного района.

Допустимые условия ледового плавания представляются в виде 2-х взаимодополняющих наборов данных: допустимые режимы движения и допустимые районы плавания. Информация о допустимых режимах движения основана на системе базовых

42

допустимых режимов и представляет собой компактный набор данных, который является в некоторой степени компромиссным и в будущем, после накопления опыта практического прЗ^ЯЕния Ледовых Правил, может претерпеть определенные изменения. Определение допустимых районов плавания осуществляется на основании впервые разработанного подхода. Допустимые районы ледового плавания устанавливаются для каждой арктической ледовой категории в зависимости от: района ледового плавания (индекс ¡); сезона (периода) навигации (индекс .]); типа навигации (индекс к); тактики ледового плавания (индекс п). В качестве районов плавания рассматриваются 5 российских арктических морей: Баренцево, Карское, Лаптевых, Восточно-Сибирское, Чукотское. По времени выделяются 2 сезона: зимне-весенний и летне-осенний. Вводятся 4 типа навигации, в совокупности образующие 10-ти летний цикл: легкая, средняя и тяжелая (раз в 3 года каждая), а также экстремальная (раз в 10 лет). Задаются 2 варианта тактики ледового плавания: самостоятельное и под проводкой ледокола. На основании полученных статистических данных каждому району плавания, периоду плавания и типу навигации ставится в соответствие средняя толщина льда Н^. Для заданной ледовой категории (индекс с) с помощью базовых допустимых режимов движения определяется допустимая скорость плавания ус1^=ус(Н^к). Допустимость плавания судна во льдах Нук устанавливается на основании сравнения скоростей с нормативными скоростями [уп], определяемыми в зав||^нмЬсти от тактики ледового плавания. Результаты определения допустимых районов плавания для ледовых категорий Ледовых Правил представлены в таблице 2.

Таблица 2: Допустимые районы плавания для арктических ледовых категорий

Категория ледовых усилений Способ ледового плавания Зимне-весенняя навигация в моря* Летне-осенняя навигация е морях

Баренцевом Карском Лаптевых Вост.» Сибирск Чукотском Баренцевом Карском Лаптевых Вост.-Сибирск Чукотском

ЭТСЛ Э7СЛ этел ЭТСЛ ЭТСЛ ЭТСЛ ЭТСЛ ЭТСЛ ЭТСЛ ЭТСЛ

ЛУ4 СП ____ _ _ _ _ + ♦ ♦ ~ + + - - - ♦ »■ ♦

ПЛ - • * + — * — — + + + + * ♦ * + -«+ * — + + + +

ЛУ5 СП -- +■ + ___+ _ _ _ + + + + -+ + + -. + ♦ -. + + -- + ♦

ПЛ * + ♦ ♦ —* + - - - + + ♦ + + • ♦ + +

ЛУ6 СП - • - + ... + + + + + + + ♦ + - + + ♦ - ♦ + ♦

ПЛ ++++

ЛУ7 СП + ■»■ + +■ ... + ---+

ПЛ ♦ ♦ + + *++ ♦ * + + ♦ + ♦ + ♦ ♦ ♦ + ♦ ♦ ♦ ♦

ЛУ8 СП ♦ + + ■*■ + ♦ + ♦ ♦ ♦ *• + ♦ + + ■♦■ + + +

ПЛ ♦ + ♦ + ♦ +■ + ■*■ + + + + ♦ + ♦ + ♦ ♦ +• + + + ♦ ♦ + + ♦ ♦ + ♦ +

ЛУЗ СП ♦ * + + + + + ♦ ♦ + ♦ + * + * + * * + ♦ ♦ +• + «• * + ♦ + ■*■ * ♦ + + ♦ ♦ +

_ ПЛ + ♦ ♦ + ♦ + + + + + ■»■ + + + ♦ + 4 ♦ +• + + + + + + + ♦ ♦ + + + + + + ♦ ♦ ♦ ♦ + ♦

СП • самостоятельное плавание ПЛ - плавание под проводкой ледокола +• • эксплуатация допускается - - эксплуатация не допускается эксплуатация связана с повышенным риском получения повреждений Э - экстремальная навигация (со средней повторяемостью один раз в 10 лет) Т, С, Л - тяжелая, средняя, легкая навигация {со средней повторяемостью один раз в 3 года).

На основании разработанной в настоящей главе комплексной методологии построения Ледовых Правил, а также изложенных в предыдущих главах физически обоснованных критериев прочности и методов проектирования конструкций ледовых усилений подготовлены требования Правил Регистра 1999 г. издания к судам ледового плавания и ледоколам, обеспечивающие повышение эффективности и эксплуатационной надежности перспективного ледового флота. Основные положения Ледовых Правил'99 прошли международную проверку и были использованы при подготовке проекта Унифицированных Правил МАКО для полярных судов.

Научные основы методологии построения Ледовых Правил были широко использованы в комплексной работе по созданию концепции оценки риска морских судов, в которой автором рассматривались аспекты обеспечения безопасности применительно к судам ледового плавания. Однако данные проработки выходят за рамки настоящей диссертации и рассматриваются в качестве перспективного направления для дальнейших исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В представленной диссертационной работе решена имеющая большое хозяйственное значение научная проблема обеспечения прочности корпусов судов ледового плаж^^Ги ледоколов, предназначенных для продленной и круглогодичной эксплуатации в Арктике. В процессе выполнения работы получены следующие научные выводы и прикладные результаты.

1. На основании анализа фактических данных о ледовых повреждениях судов ледового плавания и ледоколов и выполненного прогноза роста повреждаемости в связи с ужесточением условий ледового плавания при продленной эксплуатации в Арктике сделан принципиально важный вывод о необходимости кардинального пересмотра сложившейся практики нормирования, оценки прочности и проектирования конструкций ледовых усилений.

2. Сформулированы принципы построения нормативных документов, регламентирующих требования к ледовой прочности судов и ледоколов. На их основании разработана и практически реализована новая прогрессивная методология построения Ледовых Правил, позволяющая связать в едином комплексе подходы к формированию ледовой классификации на основе количественного описания допустимых условий ледового плавания, методы определения расчетных ледовых нагрузок и нормирования расчетных параметров ледовых условий, методы оценки предельной прочности конструкций и данные о ледовой повреждаемости корпусов судов. Методология включает:

Уточнение способов задания расчетных характеристик прочности льда. Построение нормативной основы для определения уровней прочности ледовых категорий новых Ледовых Правил в виде системы базовых опасных режимов движения, превышение которых связано с риском получения ледовых повреждений.

- Определение расчетных ледовых нагрузок при движении судна по базовому опасному режиму, регламентирующих требования к предельной прочности конструкций.

- Обобщение статистических данных о законах распределения толщин льда по российским арктическим морям и построение системы базовых допустимых режимов движения, составляющих информационную основу для количественного описания допустимых условий плавания судов во льдах в новых Ледовых Правилах.

3. Обосновано, что базовый опасный режим и связанный с ним единым нормативным коэффициентом запаса базовый допустимый режим являются интегральными количественными характеристиками ледовой категории (класса). Сформулированы узловые задачи, обеспечивающие надежное описание базовых опасных и допустимых

мов. Показано, что при построении Ледовых Правил на основе систем базовых режимов удовлетворяются следующие основополагающие принципы: допустимые условия ледового плавания в рамках каждой ледовой категории одинаковы для всех судов, независимо от их типов, размереиий и формы обводов корпуса (принцип единого стандарта безопасности); присвоение судну ледовой категории обеспечивает наличие стабильного гарантированного запаса допустимых условий плавания во льдах по отношению к опасным, приводящим к ледовым повреждениям корпусов (принцип гарантии безопасности).

4. Разработана методология проектирования конструкций ледовых усилений на основании критериев предельной прочности и устойчивости, не имеющая аналогов как в отечественных, так и в зарубежных нормативных документах. Методология включает:

- Метод гибкого проектирования бортовых перекрытий по критерию предельной прочности, основанный на концепции иерархического соответствия между уровнями балок и типами пластических механизмов, описывающих переход в предельное состояние отдельных частей перекрытия. Метод обеспечивает: учёт различий в величинах расчетных ледовых нагрузок, воздействующих на балки различных иерархических уровней; вариацию соотношения между изгибными и сдвиговыми геометрическими характеристиками при проектировании поперечного

45

сечения балки; учёт избыточных запасов материала, образующихся при проектировании поперечных сечений балок более низких уровней стрингеров), допускающий снижение требуемых размеров балок высоких уровней (стрингеров, рамных шпангоутов).

- Систему оригинальных расчетных моделей и основанных на них расчетных требований к предельной прочности элементов поперечных сечений балочных конструкций, обеспечивающую исключение наблюдаемых на практике повреждений, связанных с завешиванием балок, выпучиванием книц и смятием стенок балок, а также алгоритм и программу оптимального проектирования балочных конструкций ледовых усилений.

- Новые расчетные модели, описывающие предельное состояние наружной обшивки как локально загруженной пластины с конечным соотношением сторон, а также предельное состояние листовых конструкций, деформирующихся совместно с наружной обшивкой, подкрепляющими ребрами жесткости и балками основного набора.

Сформулирован общий подход к построению инженерных решений о пластическом деформировании конструкций ледовых усилений в геометрически нелинейной постановке. На его основании разработаны расчетные методы, описывающие процесс _ образования основных типов отдельных повреждений (бухтин, вмятин и вмя-гшв^*" выпучин) от момента начала упруго-пластического деформирования до развития глубоких пластических деформаций с учетом факторов геометрической нелинейности, локального характера нагружения, взаимодействия балочных и листовых конструкций с наружной обшивкой, взаимодействия деформируемой конструкции с окружающими ее неповрежденными участками перекрытия. Достоверность методов подтверждена экспериментальными исследованиями.

Разработан метод назначения расчетных ледовых нагрузок из условия обеспечения одинакового уровня повреждаемости районов ледовых усилений, использующий в качестве методической основы полученную в результате статистического анализа данных о повреждаемости арктического флота функцию распределения ледовых нагрузок. Метод обеспечивает рациональное, с позиций снижения повреждаемости, распределение материала по районам ледовых усилений, а также определяет обобщенный подход к систематизации процедуры обработки данных о ледовых повреждениях конструкций. Обосновано, что для исключения повреждений массового характера следует использовать критерий предельной прочности и методы расчета в рамках аппарата линейной теории предельного равновесия. Установлена нормативная вероятность

к

рации отдельных повреждений конструкций, обеспечиваемая при удовлетворении критерия ограниченной пластической деформации и использовании методов расчета в упруго-пластической области деформирования в геометрически нелинейной постановке.

8. Исследованы особенности пластического деформирования конструкций ледовых усилений в процессе образования отдельных повреждений под воздействием интенсивных локальных нагрузок. Установлено, что за счет эффекта взаимодействия балок основного набора и листовых конструкций с относительно жесткой в условиях локального пагружения наружной обшивкой несущая способность конструкции увеличивается в 2 раза и более по сравнению с традиционными решениями (балочная идеализация, изолированная листовая конструкция).

9. Разработаны модифицированная гидродинамическая модель удара твердого тела о лед, учитывающая эффект пиковости эпюры ледовой нагрузки с помощью новой физической константы - параметра пиковости, а также новая модель динамического разрушения льда при местном смятии, адекватно описывающая наблюдаемые в экспериментах физические явления и обеспечивающая сохранение определенной преемственности с хорошо апробированной в отечественном ледовом судостроении гидродинамической моделью и с

"*~.]^В£Еирной за рубежом эмпирической моделью Pressure Area Curve.

10. Разработан новый подход к определению допустимых по условию исключения массовых повреждений корпуса районов плавания. В качестве районов плавания рассматриваются 5-ть российских арктических морей: Баренцево, Карское, Лаптевых, ВосточноСибирское, Чукотское. Допустимость плавания в каждом из районов устанавливается в зависимости от сезона навигации (зимне-весенний и летне-осенний), тактики ледового плавания (самостоятельное и под проводкой ледокола) и типа навигации (легкая, средняя и тяжелая с периодичностью раз в 3 года каждая, а также экстремальная с периодичностью раз в 10 лет).

На основании выполненных исследований созданы требования Правил Регистра 1999 г. издания к судам ледового плавания (включая буксиры и рыболовные суда) и ледоколам, основанные на новой методологии построения Ледовых Правил в части классификации, количественного описания допустимых условий ледового плавания, определения расчетных ледовых нагрузок, а также физически обоснованных критериях и методах проектирования конструкций ледовых усилений, учитывающих резервы пластического деформирования материала и действительные формы ледовых повреждений. Основные положения Ледовых Правил'99 прошли представительную международную проверку и были использованы при подготовке проекта Унифицированных Правил МАКО для полярных судов.

Разработанные в диссертации расчетные методы и нормативные докумет^|^^?ко

использовались при проектировании перспективных судов ледового плавания и ледоколов, а

также при обосновании возможностей повышения эксплуатационной надежности и

продления срока службы существующего ледового флота.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Экспериментальное исследование несущей способности рамных балок ледовых подкреплений. Тезисы докладов на Всесоюзной НТК «Проблемы прочности и снижение металлоемкости корпусных конструкций перспективных транспортных судов и плавучих сооружений» (памяти акад. Ю.Н.Шиманского), Л., Судостроение, 1982, с. 19-20 (в соавторстве с A.M. Бененсоном).

2. Уточнение запасов прочности конструкций со сдвиговым механизмом обрушения. Вопросы судостроения, серия «Проектирование судов», вып. 40, 1984, с. 40-45.

3. Исследование особенностей предельного равновесия листовых конструкций судов ледового плавания. Тезисы докладов 10-й Дальневосточной НТК «Повреждения и эксплуатационная надежность судовых конструкций», НТО им. акад. А.Н. Крылова, В., 1987, с. 105-106.

4. Проектирование конструкций ледовых усилений по критерию предельной прочности. Тезисы докладов Всесоюзной НТК «Совершенствование технической эксплуатации судов», Калининград, 1989, с. 38-39.

5. Упруго-пластическое и запредельное деформирование балочного или листового элемента совместно с пластиной обшивки при локальном нагружении. Тезисы докладов Всесоюзной НТК «Проблемы прочности и снижение металлоемкости корпусных конструкций перспективных транспортных судов и плавучих сооружений» (памяти акад. Ю.Н.Шиманского), Л., Судостроение, 1990, с. 17-18.

6. Новый подход к проектированию конструкций ледовых усилений корпусов судов ледового плавания. Тезисы докладов Всесоюзной НТК «Проблемы прочности и снижение металлоемкости корпусных конструкций перспективных транспортных судов и плавучих сооружений» (памяти акад. Ю.Н.Шиманского), Л., Судостроение, 1990, с. 22-24 (в соавторстве с Г.В. Бойцовым и В.А. Курдюмовым).

7. Оптимизация размеров балочных конструкций ледовых усилений, спроектированных по критерию предельной прочности. Сб. НТО им. акад. А.Н. Крылова, вып. 514, 1991, с. 1625.

8. Новая модель упруго-пластического деформирования балочных конструкций ледовых усилений. Тезисы докладов НТК «Эксплуатационная и конструктивная прочность

48

-^^¡¡g^^ix конструкций», Девятые «Бубновские чтения», НТО им. акад. А.Н.Крылова, Нижний Новгород, 1991, с.14-17 (в соавторстве с О.С. Анкудиновым).

9. Уточненный метод определения расчетных скоростей движения судов во льдах. Сб. НТО им. акад. А.Н. Крылова, вып. 514, 1991, с. 4-15 (в соавторстве с А.Б. Нестеровым).

10. Проектирование конструкций ледовых усилений по критерию предельной прочности. Судостроение, № 2, 1992, с. 9-13,

11. Регламентация допускаемых условий ледового плавания арктических судов. Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, вып.3(287), СПб, 1996, с. 8-14 (в соавторстве с А.Б. Нестеровым, И.В. Степановым и О.Я. Тимофеевым).

12. Верификация расчетных моделей теории предельного равновеси для судового набора. Сб. НТО им. акад. А.Н. Крылова, вып. 26, ч. И, СПб, 1996, с. 46-51 (в соавторстве с А.Б. Нестеровым и О.Я. Тимофеевым).

13.0 проекте новой редакции требований Правил Российского Морского Регистра Судоходства к ледовой прочности судов и ледоколов. Судостроение, № 5, 1997, с. 17-23 (в соавторстве с A.B. Дидковским, Н.Ф. Копильцом и А.Б. Нестеровым).

14. Новые требования Правил Регистра 1999 г. издания к судам ледового плавания и ледоколам. Тезисы докладов Конференции по строительной механике корабля памяти т^офессора П.Ф. Папковича, СПб, 2000, с. 40-41 (в соавторстве с В.И. Евенко, A.B. Дидковским и М.А. Кутейниковым).

15. Перспективы совершенствования Правил Регистра России, часть II «Корпус». Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, вып. 11 (295), 2001, с. 26-34 (в соавторстве с Г.В. Бойцовым).

16. Нормативно-методические основы регламентации предельной прочности корпусных конструкций в программном комплексе «Руслан». Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, вып. 11 (295), 2001, с. 5-13 (в соавторстве с Е.А. Маслич, А.Б. Нестеровым и В.Е. Сегалем).

17. Исследование особенностей пластического деформирования палубных настилов, воспринимающих нагрузки от колесной техники. Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, вып. 11 (295), 2001, с. 14-25 (в соавторстве с A.B. Александровым, Е.А. Маслич и А.Б. Нестеровым).

18. Проблемы повышения безопасности судов и плавучих сооружений. Науч. - техн. сб. Российского Морского Регистра Судоходства, вып. 24, 2001, с. 30-47 (в соавторстве с Г.В. Бойцовым, A.A. Захаровым, O.E. Литоновым и А.Б. Нестеровым).

19. Совершенствование методологии определения ледовых нагрузок. Науч. - техн. сб. Российского Морского Регистра Судоходства, вып. 25, 2002, с. 83-100 (в соавторстве с

А.В. Дидковским, М.А. Кутейниковым и А.Б. Нестеровым).

20. Ice strength in connection with classification of ships and icebreakers. Proc. of

Centenary the Krylov SRI", Section C, St.Petersburg, 1994, pp. 47-54 (в соавторстве с А.Б. Нестеровым и О.Я. Тимофеевым).

21. The investigation of ice damage and increase of the requirements to ice strength of Arctic ships. Proc. of the 13th int. conf. POAC'95, vol. 1, Murmansk, Russia, 1995, pp. 42-51 (в соавторстве с А.Б. Нестеровым).

22. The way of regulation of allawable ice conditions for operation in ice within the framework of the requirement to the Arktic class of Arctic ship. Proc. of the 13th int. conf. POAC'95, vol. 1, Murmansk, Russia, 1995, pp. 52-61 (в соавторстве с А.Б. Нестеровым, И.В. Степановым и О.Я. Тимофеевым).

23. Criteria and methods for assessment of strength of Arctic ships' and icebreakers' ice strengthenings. Proc. of the 6th int. conf. POLARTECH'96, Workshop B, St.Petersburg, 1996, pp. 96-110 (в соавторстве с А.Б. Нестеровым).

24. Criteria and methods for assessment of strength of structures subjected to joint action of global and local loads. Proc. of Second International Shipbuilding Conference ISC'98, section C, S.Petersburg, 1998, pp. 428-437 (в соавторстве с А.Б. Нестеровым и В.Е. Сегалем).

25. The method for refinement of analitic models of ship/ice impact interaction bas^j^^fhe statistic analisis of model and full scale experiments. Proc. of the 15 th int conf. POAC99, vol. 3, Helsinki, Finland, 1999, pp. 949-955 (в соавторстве с Ю.А. Зимницким и А.Б. Нестеровым).

26. New ice rules issed by the Russian Maritime Registr of Shipping. Proc. of the 6th int. conf. ICETECH'2000, St.Petersburg, 2000, pp. 48-56 (в соавторстве с А.В. Дидковским, М.А. Кутейниковым и А.Б. Нестеровым).

27. Plating and framing design in the Unified Requerements for polar class ships. Proc. of the 16th int. conf. POAC'Ol., vol. 2, Ottawa, Canada, 2001, pp. 779-791 (в соавторстве с C.G. Daley и A. Kendrick).

28. New requirements of the Russian Registr Rules issed inl999, to ice-going ships and icebreakers. Transactions of the Krylov Shipbuilding Research Institute, St.Petersburg, 2001, pp. 32-41 (в соавторстве с В.И. Евенко, А.В. Дидковским и М.А. Кутейниковым).

29. A model of ice dynamic failure under local crushing. Proc. of Third International Shipbuilding Conference ISC'2002, section C, S.Petersburg, 2002, pp. 77-84 (в соавторстве с А.Б. Нестеровым).

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИЗ ПОВРЕЖДАЕМОСТИ И ОБОСНОВАНИЕ КРИТЕРИЕВ ПРОЧНОСТИ КОРПУСОВ СУДОВ ЛЕДОВОГО ПЛАВАНИЯ И ЛЕДОКОЛОВ.

1.1 Существующие подходы к определению ледовых нагрузок и

I нормированию ледовой прочности.

1.1.1 Методы определения ледовых нагрузок.

1.1.2 Требования к прочности конструкций ледовых усилений.

1.1.3 Кривые расчетных режимов и строительной прочности.

1.2 Анализ данных о повреждениях судов ледового плавания.

1.2.1 Повреждаемость в условиях продленной навигации в Арктике.

1.2.2 Перспективы снижения повреждаемости судов ледового плавания.

1.2.3 Основные типы ледовых повреждений. Отдельные (допустимые) и массовые недопустимые) повреждения.

1.3 Анализ факторов повторяемости и законы распределения ледовых нагрузок.

1.3.1 Особенности работы конструкций за пределом упругости при многократном нагружении. Принцип однократного нагружения.

1.3.2 Законы распределения ледовых нагрузок.

1.3.3 Метод построения матриц весовых коэффициентов расчетных ледовых нагрузок.

1.4. Критерии и методы оценки прочности. Расчётные ледовые нагрузки.

Принципы регламентации режимов движения во льдах.

1.4.1. Основные понятия и допущения. Структура расчётных критериев.

1.4.2. Критерий предельной прочности. Расчётные методы и модели оценки предельной прочности.

1.4.3. Критерий ограниченной пластической деформации. Определение ледовых нагрузок. Особенности расчетных моделей.

1.4.4. Регламентация режимов движения во льдах. р 1.5 Выводы по главе 1.

2. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ПРОЧНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ЛЕДОВЫХ УСИЛЕНИЙ ПРИ ГЛУБОКОМ ПЛАСТИЧЕСКОМ ДЕФОРМИРОВАНИИ.

2.1. Принципы построения расчетных моделей.

2.2. Методы расчета прочности конструкций из жестко-пластического материала в геометрически нелинейной постановке.

2.2.1 Основные положения теории предельного равновесия конечно-мерных систем.

2.2.2 Учет геометрически нелинейных факторов при описании запредельного деформирования конструкций.

2.2.3 Описание работы материала в шарнирах текучести.

2.3. Деформирование локально загруженной пластин наружной обшивки при образовании бухтины.

2.3.1. Модель запредельного деформирования пластины.

2.3.2. Модель упруго-пластического деформирования пластины при активном нагружении и разгрузке.

2.3.3. Корректировка и экспериментальная проверка модели деформирования пластины.

2.4. Деформирование локально загруженной панели при образовании вмятины.

2.4.1. Работа материала в пластических шарнирах.

2.4.2. Запредельное деформирование изолированной балки.

2.4.3 Запредельное деформирование балки со сдвиговым характером перехода в предельное состояние. Учет поддерживающего влияния поясков.

2.4.4 Приближенная модель упруго-пластического и запредельного деформирования панели.

2.4.5 Определение эмпирических коэффициентов и проверка модели деформирования локально загруженной панели.

2.5. Деформирование локально загруженной листовой конструкции совместно с наружной обшивкой при образовании вмятины-выпучины.

2.5.1. Расчетная схема системы листовая конструкция - наружная обшивка.

2.5.2. Предельное состояние и запредельное деформирование изолированного листа.

2.5.3. Запредельное деформирование системы листовой элемент - пластина наружной обшивки.

2.5.4. Упруго-пластическое деформирование системы листовой элемент -пластина наружной обшивки.

2.6 Практическое использование решений об упруго-пластическом и запредельном деформировании конструкций.

- отдельные вмятины в бортовых конструкциях а/л «Сибирь».

2.7 Выводы по главе 2.

3 МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ЛЕДОВЫХ УСИЛЕНИЙ ПО КРИТЕРИЮ ПРЕДЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ.

3.1 Проектирование балок основного набора и балочных систем (бортовых перекрытий).

3.1.1 Иерархический принцип построения расчетных моделей бортовых перекрытий.

3.1.2 Обобщённый метод гибкого проектирования сложных бортовых перекрытий.

3.2 Проектирование элементов поперечных сечений балочных конструкций по критериям предельной прочности и устойчивости.

3.2.1 Основные положения. Номенклатура расчетных требований.

3.2.2 Система расчетных требований к предельной прочности и устойчивости балочных конструкций. Конструктивно-технологические ограничения.

3.2.3 Оптимальное проектирование балочных конструкций.

3.2.4 Предельная прочность кничных соединений.

3.3. Требования к предельной прочности наружной обшивки.

3.3.1. Существующие требования и усовершенствованная модель локально загруженной пластины.

3.3.2. Требования к толщине наружной обшивки.

3.4 Проектирование листовых конструкций по критериям предельной прочности и устойчивости.

3.4.1 Существующие требования к листовым конструкциям.

3.4.2 Расчетные схемы (варианты) листовых конструкций, подлежащих расчетной регламентации.

3.4.3 Нормирование расчетных нагрузок на листовые конструкции.

3.4.4 Требования к предельной прочности и устойчивости листовых конструкций.

3.4.5 Сопоставительный анализ новых и действовавших требований. Выводы.

3.5 Выводы по главе 3.

4 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЛЕДОВЫХ НАГРУЗОК 237 4.1 Концепция модификации гидродинамической модели.

4.1.1 Гидродинамическая модель и экспериментальные данные.

4.1.2 Состав экспериментальных исследований.

4.2 Исследование особенностей динамического разрушения льда с помощью

4.2.1 Описание БВТ в проекте АЯСОЕУ.

4.2.2 Модификация Г ДМ на основании результатов ОВТ.

4.2.3 Статистический анализ результатов ОВТ.

4.2.4 Оценка влияния температуры и солености.

4.2.5 Оценка влияния скорости в момент удара.

4.3 Модификация ГДМ при ударе корпуса о лед.

4.3.1 Определение параметра пиковости и масштабного коэффициента.

4.3.2 Экспериментальная проверка и практическое использование модифицированной ГДМ.

4.4 Модель динамического разрушения льда при местном смятии.

4.4.1 Физическая картина динамического разрушения льда при местном смятии.

4.4.2 Дифференциальное уравнение и основные допущения МДРЛ.

4.5 Выводы по главе 4.

5 МЕТОДОЛОГИЯ ПОСТРОЕНИЯ ЛЕДОВОЙ КЛАССИФИКАЦИИ И ТРЕБОВАНИЙ К ЛЕДОВОЙ ПРОЧНОСТИ СУДОВ И ЛЕДОКОЛОВ.

5.1 Направления совершенствования методологии регламентации ледовой прочности.

5.1.1 Единый подход к построению ледовой классификации.

5.1.2 Развитие ледовой классификации и уточнение соотношений эквивалентности.

5.2 Принципы нормирования ледовой прочности и регламентации допустимых условий ледового плавания.

5.2.1 Характерные типы движения во льдах и сценарии взаимодействия корпуса со льдом.'.

5.2.2 Диаграммы строительной прочности и расчетных режимов движения и их использование в практике нормирования.

5.2.3 Системы базовых допустимых и опасных режимов движения - основа для нормирования ледовой прочности и регламентации допустимых условий плавания.

5.3 Построение системы базовых опасных режимов движения.

5.3.1 Определение расчетных значений характеристик прочности льда.

5.3.2 Процедура построения базовых опасных режимов движения.

5.4 Определение расчетных ледовых нагрузок на основании системы базовых опасных режимов движения.

5.4.1 Расчетные ледовые нагрузки в районе носового заострения судов ледового плавания.

5.4.2 Расчетные ледовые нагрузки в остальных районах ледовых усилений судов ледового плавания.

5.4.3 Расчетные нагрузки для ледоколов.

5.5 Регламентация допустимых условий ледового плавания.

5.5.1 Общий подход к количественному описанию допустимых условий ледового плавания.

5.5.2 Анализ статистических данных о толщинах и характеристиках прочности льда.

5.5.3 Построение системы базовых допустимых режимов движения.

5.5.4 Определение допустимых условий ледового плавания.

5.6 Новые Ледовые Правила РМРС и Унифицированные Правила МАКО.

5.6.1 Новые требования Правил РМРС 1999 г. издания к судам ледового плавания и ледоколам.

5.6.2 Унифицированные Правила МАКО для полярных судов.

5.7 Выводы по главе 5.

Северный морской путь (СМП), как транспортная артерия, соединяющая западный и восточный регионы, играет важную роль в экономике России. В общем комплексе задач, решаемых в процессе создания арктического флота, способного надежно эксплуатироваться на трассах СМП, одно из центральных мест занимает проблема обеспечения ледовой прочности корпусов судов ледового плавания и ледоколов, характеризуемая значительной степенью неопределённости внешних нагрузок, нетрадиционностью подходов к идеализации конструкций при построении расчётных моделей, неоднозначностью в выборе критериев прочности. Для российского ледового флота перечисленные трудности усугубляются существенным разнообразием и особой тяжестью ледовых условий, встречающихся на трассах СМП.

Основы концептуального подхода к описанию .силового взаимодействия корпуса судна со льдом создавались в 30-х - 50-х годах В.В.Давыдовым, Н.А.Заботкиным,

A.И.Масловым, Л.М.Ногидом, Ю.А.Шиманским. В 60-е - 80-е годы методы определения ледовых нагрузок развивались К.Р.Абрамяном, А.Я.Бузуевым, В.А.Зуевым,

B.И.Каштеляном, В.А.Курдюмовым, В.А.Лихомановым, А.А.Оснячом, Ю.М.Поповым,

A.Я.Рывлиным, И.В.Степановым, О.Л.Тимофеевым, В.Н.Тряскиным, О.В.Фадеевым, Д.Е.Хейсиным, А.А.Яковлевым и др. ■ Особенности нормирования и расчета прочности и вопросы повреждаемости корпусов судов ледового плавания и ледоколов рассматривались

B.А.Бабцевым, Н.В.Барабановым, Л.М.Беленьким, А.М.Бененсоном, Г.В.Бойцовым, Н.Ф.Ершовым, М.П.Кочегаровым, С.Б.Каравановым, В.А.Кулешом, В.А.Курдюмовым, O.E. Литоновым, В.Т.Луценко, А.Б.Нестеровым, О.М.Палием, Ю.Г.Рыбалкиным, О.Я.Тимофеевым, Б.Е.Топчим, В.Н.Тряскиным, О.В.Фадеевым, Д.Е.Хейсиным, Л.Г.Цоем, Г.П.Шемендюком и др. Характеристики ледового покрова, оказывающие основное влияние на уровень ледовых нагрузок, исследовались В.В.Богородским, В.П.Гаврило, М.Г.Гладковым, В.В.Лавровым, Г.А.Лебедевым, В.А.Лихомановым, И.Г.Петровым, И.П.Романовым, А.Я.Рывлиным, Б.А.Федоровым, Д.Е.Хейсиным, Н.В.Черепановым и др.

В результате выполненных комплексных исследований к 80-85 гг. сложилась методология регламентации ледовой прочности корпусов судов, сыгравшая значительную роль в создании российского арктического флота. На ее основании были подготовлены соответствующие требования Правил Регистра 1981 года издания, спроектированы и построены до сих пор эксплуатирующиеся на трассах СМП суда активного ледового плавания типа «Дмитрий Донской», «Норильск» (СА-15), «Витус Беринг» и др., а также не имеющая аналогов в мире серия атомных ледоколов типа «Арктика».

Вместе с тем, данная методология была основана на опыте арктической эксплуатации в летне-осенний период, характеризуемой относительно невысоким уровнем повреждаемости и степенью изменчивости нагрузок. Поэтому в ее рамках широко использовался впервые обоснованный Ю.А.Шиманским (1938) метод «условных измерителей», позволяющий получать сравнительные оценки запасов прочности судов при относительно слабом изменении условий ледовой эксплуатации. Расчетные ледовые нагрузки в Правилах Регистра для различных ледовых категорий устанавливались в зависимости от условного параметра и не связывались непосредственно с характеристиками ледового покрова. Критерии и методы расчета прочности, а также подходы к идеализации конструкций были ориентированы на рассмотрение их работы в упругой области, что не соответствовало реализуемым в действительности отказам в виде глубоких пластических деформаций. Для описания допустимых ледовых условий в классификации Правил Регистра использовались приближенные формулировки качественного характера. Однако начавшийся на рубеже 70-х - 80-х годов переход на продленную, вплоть до круглогодичной, навигацию в Арктике, сопровождаемый расширением районов ■ ледового плавания, привел к существенному изменению условий ледовой эксплуатации. Ужесточение ледовых условий в период продлённой навигации, особенно в восточном секторе Арктики, а также увеличение скоростей проводки судов новыми более мощными ледоколами обусловили значительное повышение степени изменчивости ледовых нагрузок и, соответственно, объема ледовых повреждений. Уже обобщение опыта первых продленных навигаций продемонстрировало увеличение уровня повреждаемости' в 2-3 раза. При таком характере эксплуатации приближенная качественная характеристика допустимых ледовых условий не обеспечивала возможностей обоснованного выбора ледовой категории судна, а установление необходимого уровня прочности наиболее повреждаемых районов корпуса на основании условных критериев и методов расчета приводила к нерациональному «размазыванию» материала по районам ледовых усилений. Отмеченные обстоятельства предопределили необходимость кардинального совершенствования сложившейся практики нормирования, оценки прочности и проектирования конструкций ледовых усилений и пересмотра ряда концептуальных положений существовавшей методологии обеспечения ледовой прочности корпусов судов.

Целью работы является создание прогрессивной методологии обеспечения ледовой прочности корпусов судов ледового плавания и ледоколов нового поколения, способных с необходимой надёжностью эксплуатироваться на трассах СМП в сложных ледовых условиях круглогодичной навигации.

Для достижения поставленной цели должны решаться следующие задачи:

1. Определение допустимого уровня ледовой повреждаемости на основе комплексного анализа опыта эксплуатации арктического флота.

2. Обоснование опасных состояний и критериев прочности, учитывающих резервы пластического деформирования материала и действительные формы повреждений (отказов) конструкций ледовых усилений.

3. Разработка методов расчета прочности конструкций ледовых усилений при упруго-пластическом и глубоком пластическом деформировании, полноценно учитывающих основные особенности их работы - локальный характер нагружения, повышенную жесткость конструктивных эементов, взаимодействие наружной обшивки с балками основного набора и листовыми конструкциями.

4. Разработка ориентированной на использование в Правилах Регистра методологии проектирования конструкций ледовых усилений по критерию предельной прочности, обеспечивающей повышение надежности за счет рационального распределения материала между различными элементами конструкций.

5. Совершенствование моделей силового взаимодействия корпуса со льдом и методов определения ледовых нагрузок на основании обобщения современных экспериментов по разрушению льда и статистического анализа данных о параметрах ледового покрова арктических морей.

6. Разработка комплексной методологии построения новых Ледовых Правил, обеспечивающей для судов различных типов и размерений равные гарантии безопасности в рамках каждой ледовой категории и включающей количественное описание допустимых условий ледового плавания при круглогодичной эксплуатации в Арктике.

Структурная схема работы, иллюстрирующая взаимозависимость между ее отдельными блоками, представлена на рис. В.1. Работа состоит из введения, 5-ти глав и заключения, содержит 326 страниц основного текста (включая 21 таблицу и 95 рисунков), 6 страниц оглавления, список литературы из 237 названий. Приложения 1-3 имеют объем 28 страниц.

Решение проблем обеспечения прочности судов ледового плавания и ледоколов в условиях круглогодичной эксплуатации в Арктике.

Анализ существующей методологии обеспечения дедовой прочности

Условные критерии и упрощенные методы оценки прочности в упругой области Приближенное качественное описание допустимых условий ледового плавания Противоречия в гидродинамической модели взаимодействия корпуса со льдом т I

Исследование особенностей ледовой повреждаемости

Стат. анализ и классификация ледовых повреждений т

Построение функции распределения и анализ повторяемости лед, нагрузок т

Нормирование допустимого уровня лсд. повреждаемости т

Обобщенный метод обработки данных о лед. повреждаемости т

Анализ данных о ледовых условиях т

Функции распределения толщин льда для арктических морей

Функциональные зависимости для расчетных параметров прочности льда

Совершенствование моделей разрушения льда

I

Экспериментальное исследование динамической прочности льда (DBT) I

Модификация й проверка гидродинамической модели ;

Новая модель динамического разрушения льда при местном смятии

Обоснование критериев и разработка методологии оценки прочности конструкций ледовых усилий т

Критерии прочности, учитывающие резервы пластического деформирования КритсршГоТртшйёнЖ пластического деформи-1 прочности и устойчиво-рования сти X

Методы расчетов области глубокого пластического деформи-Ёрвания руципил

Бухтины и гофрировки на£у»шойоб ш ив ки Вмятины в обшивке и наборе.

Вмятины-выпучины в обшивке и листовых конструкциях т

Методика проектирования по критерию п2едм№^йпрочн£сти

Перекрытия Элементы поперечных сечений балок

Оптимальное проектирование

Обшивка

Листовые конструкции т

Разработка методологии построения ледовой классификации и обеспечения ледовой прочности

Анализ фактических запасов предельной прочности в Правилах классификационных обществ т

Построение системы базовых опасных и допустимых режимов движения т

Определение расчетных ледовых нагрузок I

Количественное описание допустимых условий ледо^го^швания^

Районы плавания | Режимы движения т

Построение ледовой классификации на основе принципов гарантии и единого стандарта безопасности

I 1 \ I 1 I 1 I \

Обеспечение ледовой прочности проектируемых судов и ледоколов

Разработка новых Ледовых Правил РМРС и разделов Уни фицированных Правил МАКО для полярных судов

Оценка технического состояния и подкрепление корпусов эксплуатирующихся судов и ледоколов

Рис. В.1 Блок-схема диссертационной работы.

В первой главе представлен обзор существующих методов определения ледовых нагрузок и нормирования ледовой прочности. Показано, что сложившаяся на момент начала исследований, представленных в настоящей работе, методология обеспечения ледовой прочности широко использует метод «условных измерителей», позволяющий получать сравнительные оценки запасов прочности судов при относительно слабом изменении условий ледовой эксплуатации, а для обеспечения перехода на круглогодичную арктическую навигацию необходимо ее кардинальное совершенствование. Выполнен статистический анализ данных о повреждаемости судов ледового плавания и сделан вывод, что установление уровня увеличения прочности наиболее повреждаемых районов корпуса возможно только на основании подходов, учитывающих на уровне расчетных моделей и критериев прочности действительные формы ледовых повреждений. Дано разделение ледовых повреждений на массовые (распространяющиеся на относительно больших площадях) и отдельные (локализующиеся в пределах 1-3 шпаций основного набора). Получена функция распределения ледовых нагрузок, проведен анализ повторяемости ледовых воздействий и установлено, что появление фиксированных повреждений может рассматриваться как результат однократного воздействия нагрузки, превышающей теоретическую предельную. Разработан новый метод корректировки расчетных ледовых нагрузок на районы ледовых усилений из условия обеспечения одинакового уровня их повреждаемости, использующий в качестве методической основы полученную функцию распределения ледовых нагрузок. Обоснованы подходы к назначению опасных состояний и критериев прочности. Показано, что требования к размерам конструкций, гарантирующие исключение массовых повреждений, устанавливаются критерием предельной прочности. Установлен нормативный уровень реализации отдельных повреждений и введен гарантирующий его удовлетворение критерий ограниченной пластической деформации. Определен набор специализированных расчётных моделей и методов, учитывающих специфические особенности конструкций ледовых усилений, которые необходимы для практического внедрения введенных критериев.

Вторая глава посвящена разработке расчетных методов, описывающих процесс образования в конструкциях ледовых усилений отдельных повреждений в виде бухтин, вмятин и вмятин-выпучин от момента начала упруго-пластического деформирования до развития глубоких пластических деформаций, учитывающих фактор геометрической нелинейности, локальный характер нагружения, особенности взаимодействия деформируемой конструкции с окружающими ее неповрежденными участками перекрытия, повышенную жесткость конструкций, нелинейное взаимовлияние изгибающих моментов, продольных и перерезывающих сил в изгибно-продольно-сдвиговых пластических шарнирах, эффекты разнесения нагрузки и поддерживающего влияния наружной обшивки. Дана количественная оценка ряда новых эффектов, выявленных в процессе построения решений, и представлено их экспериментальное подтверждение. Отмечено, что полученные в главе решения и основанные на них расчетные программы обеспечивают возможности регламентации требований к прочности конструкций ледовых усилений по критерию ограниченной пластической деформации и соответствующих ему отказах в виде основных типов ледовых повреждений, обусловленных воздействием интенсивных локальных ледовых нагрузок. Рассмотрены вопросы практического применения решений как для проектируемых, так и для эксплуатирующихся судов ледового плавания и ледоколов.

В третьей главе разрабатываются методы и расчетные модели, в совокупности составляющие комплексную методологию проектирования конструкций ледовых усилений на основании критериев предельной прочности и устойчивости, ориентированную на использование в требованиях Правил и других нормативно-методических документах Регистра. Описывается метод проектирования сложных балочных систем (перекрытий) по критерию предельной прочности, основанный на иерархическом подходе к идеализации конструкции и установлении в рамках принципа равнопрочности соответствия между иерархическими уровнями балок и типами пластических механизмов, описывающих переход в предельное состояние отдельных частей перекрытия. Расчетный алгоритм метода включает процедуру гибкого проектирования, позволяющую: осуществлять вариацию соотношения между изгибными и сдвиговыми геометрическими характеристиками балок и учитывать избыточные запасы материала, образующиеся при проектировании поперечных сечений балок различных иерархических уровней. Приводится система дополнительных требований к предельной прочности и устойчивости, основанная на оригинальных расчетных моделях перехода в предельное состояние балочных конструкций при заваливании профиля и совместном смятии и изгибе стенки и полноценно учитывающая специфику конструкций ледовых усилений. Обосновывается постановка задачи об оптимизации размеров перекрытия как экстремальной задачи с ограничениями типа неравенств и излагается алгоритм оптимального проектирования балочных конструкций ледовых усилений при различных видах целевой фунции. Выполняется исследование особенностей предельного равновесия балочных конструкций с кничными соединениями в опорных сечениях, включающее построение оригинального решения о предельном равновесии изолированной кницы, и обосновываются подходы к назначению расчетных длин пролета балочных конструкций с кницами и определению допустимых остаточных прогибов поврежденных кничных соединений. Устанавливаются расчетные требования к толщине наружной обшивки, основанные на уточненной расчетной модели, описывающей предельное состояние локально загруженной пластины. Разрабатываются расчетные модели, описывающие переход листовых конструкций в предельное состояние с учетом особенностей деформирования совместно с наружной обшивкой, подкрепляющими ребрами жесткости и балками основного набора.

Четвертая глава посвящена описанию комплекса экспериментально-теоретических исследований, направленных на совершенствование моделей разрушения льда и методов определения ледовых нагрузок. Установлено, что принятая в отечественном судостроении гидродинамическая модель удара твердого тела о лед не учитывает действительного пикового характера эпюры ледовых давлений и намечена программа оригинальных экспериментально-теоретических исследований, направленных на модификацию гидродинамической модели и разработку новых подходов к моделированию динамического разрушения льда. Описан входящий в эту программу уникальный эксперимент по изучению динамической прочности натурного арктического льда, осуществленный в рамках проекта ARCDEV. Представлен способ модификации гидродинамической модели, основанный на учете эффекта пиковости эпюры ледовой нагрузки с помощью новой физической константы - параметра пиковости. Исследовано влияние свойств льда на величину параметра пиковости. Обоснован способ задания расчетных значений параметров динамической прочности льда и пиковости нагрузки в модифицированной гидродинамической модели. Выполнены сопоставления с результатами натурных и лабораторных исследований и продемонстрирована достоверность модифицированной гидродинамической модели. В качестве перспективного направления дальнейших исследований представлена новая модель динамического разрушения льда при местном смятии, адекватно описывающая наблюдаемые в экспериментах физические явления и обеспечивающая сохранение определенной преемственности с хорошо апробированной в отечественном ледовом судостроении гидродинамической моделью и с популярной на западе эмпирической моделью pressure-area curve.

В пятой главе разрабатывается прогрессивная методология построения ледовой классификации и обеспечения ледовой прочности, изначально ориентированная на последующее использование в новых Ледовых Правилах Регистра. Показывается, что включение в Правила Регистра количественной информации о допустимых условиях ледового плавания позволяет связать в едином комплексе подходы к построению ледовой классификации, методы определения расчетных ледовых нагрузок и нормирования расчетных параметров ледовых условий, методы оценки предельной прочности конструкций и данные о ледовой повреждаемости корпусов судов. Обосновываются основополагающие принципы построения методологии, обеспечивающие равенство допустимых условий ледового плавания в рамках каждой ледовой категории независимо от типа, размерений и формы обводов корпуса судна (принцип единого стандарта безопасности) и наличие стабильного гарантированного запаса допустимых условий плавания во льдах по отношению к опасным, приводящим к ледовым повреждениям корпусов (принцип гарантии безопасности). Описывается алгоритм комплексного анализа, выполняемого при построении новых Ледовых Правил, включающий уточнение способов задания расчетных характеристик прочности льда, построение нормативной основы для определения уровней новых ледовых категорий в виде системы базовых опасных режимов, определение расчетных ледовых нагрузок при движении судна по базовому опасному режиму, построение системы базовых допустимых режимов движения и ледовой классификации с количественным описанием допустимых условий ледового плавания. Разрабатывается комплексная расчетная процедура построения системы базовых опасных' режимов движения, обеспечивающая обоснованную экстраполяцию положительного опыта проектирования и эксплуатации судов ледового плавания. Обосновывается рациональный состав системы базовых опасных режимов и соответствующих им ледовых категорий для судов ледового плавания и ледоколов. Формируются 3 информационных блока для количественного описания допустимых условий ледового плавания: система базовых допустимых режимов движения; статистические данные о законах распределения толщин льда по российским арктическим морям; функциональные зависимости, описывающие влияние на характеристики прочности льда параметров ледового покрова и периода плавания. Отмечается, что на основании разработанной прогрессивной методологии построения ледовой классификации и обеспечения ледовой прочности, а также изложенных в главах 1 - 3 физически обоснованных критериев и методов проектирования конструкций ледовых усилений подготовлены требования Правил Регистра 1999 г. издания к судам ледового плавания и ледоколам, а также, после представительной международной проверки, разделы проекта Унифицированных Правил МАКО для полярных судов.

В заключении представлены основные научные выводы и результаты.

По теме диссертации опубликованщ 29 научно-технических статей и выпущено 36 научно-технических отчетов.

Основные положения и результаты диссертации обсуждались на Всесоюзной конференции «Проблемы прочности и снижения металлоемкости корпусных конструкций перспективных транспортных судов и плавучих сооружений» (Ленинрад, 1982), на 10-й Дальневосточной конференции «Повреждения и эксплуатационная надежность судовых конструкций» (Владивосток, 1987), на Всесоюзной конференции «Совершенствование технической эксплуатации судов» (Калининград, 1989), на Всесоюзной конференции «Проблемы прочности и снижение металлоемкости корпусных конструкций перспективных транспортных судов и плавучих сооружений» (Ленинрад, 1990), на конференции «Эксплуатационная и конструктивная прочность судовых конструкций», Девятые «Бубновские чтения» (Нижний Новгород, 1991), на конференции по строительной механике корабля, посвященной памяти академика Ю.А. Шиманского (С.-Петербург, 1999), на конференции по строительной механике корабля памяти профессора П.Ф. Папковича (С.Петербург, 2000), на международных конференциях "The Centenary the Krylov SRI" (St.Petersburg, 1994), POAC'95 (Murmansk, 1995), POLARTECH'96 (St.Petersburg,1996), 13th Int. Ship and Offshore Structure Congress (Trondheim, 1997), Second International Shipbuilding Conference ISC'98 (St.Petersburg, 1998), POAC'99 (Helsinki, 1999), ICETECH'2000 (St.Petersburg,2000), POAC'Ol (Ottawa, 2001), Third International Shipbuilding Conference ISC'2002 (St.Petersburg, 2002).

Автор относит начало своих исследований по сформулированной в работе проблеме к первой половине 80-х годов. Он участвовал в подготовке проекта Норм прочности судов ледового плавания, осуществлявшейся под руководством В.А.Курдюмова (Курдюмов и др., 1985). В 1989 г. автором совместно с В.А.Курдюмовым подготовлен проект требований Правил Регистра к ледовым усилениям судов, в котором впервые реализована разработанная автором оригинальная методика проектирования конструкций ледовых усилений на основании физически обоснованного критерия предельной прочности (Апполонов и Курдюмов, 1988). В 1996 г. под руководством автора разработана новая редакция Правил Регистра для судов ледового плавания и ледоколов (Апполонов и Нестеров, 1996), включающая: новую ледовую классификацию, основанную на принципах гарантии безопасности и единого стандарта безопасности и содержавшую количественное описание допустимых условий ледового плавания на трассах СМП, а также усовершенствованные критерии и методы оценки прочности конструкций ледовых усилений, адекватные действительным формам ледовых повреждений. Данный проект в 1998 г. был издан для апробации в сборнике Нормативно-методических материалов Регистра (РМРС, 1998), а позже вошел в редакцию Правил Регистра 1999 г. издания (РМРС, 1999).

Разработанные автором расчетные методы и нормативные документы широко использовались при проектировании перспективных судов ледового плавания и ледоколов, в частности: ледокола-буксира-снабженца для ледостойких платформ (пр. 11040 ЦКБ «Айсберг»), плавучей атомной электростанции для отдаленных районов севера (пр.20870

ЦКБ «Айсберг»), ледового танкера (пр. 20070 ЦКБ «Балтсудопроект») и др., а также при разработке в ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова технико-экономического обоснования для месторождения Приразломное в части определения оптимальных ледовых категорий танкеров и необходимого ледокольного обеспечения и формирования дополнительных требований к ледовой прочности крупнотоннажных арктических танкеров. Другим важным направлением применения новой методологии обеспечения ледовой прочности являлось обоснование возможностей повышения эксплуатационной надежности и продления срока службы существующего ледового флота. В его рамках выполнена комплексная работа по повышению эксплуатационной надежности а/л типа «Арктика» (по заказу Мурманского Морского пароходства), обоснованию возможностей продления срока службы ледоколов «Ермак» и «Семен Дежнев», судна ледового плавания «Михаил Кутузов» (по заказу ЦКБ «Айсберг») и др.

Существенную роль новая методология обеспечения ледовой прочности и разработанные на ее основе Правила Регистра сыграли при разработке Унифицированных Правил Международной Ассоциации Классификационных Обществ (МАКО) для полярных судов. Использованные в методологии концептуальные подходы и расчетные методы прошли экспертизу ведущих зарубежных научных центров, занимающихся ледовыми проблемами, и экспертов классификационных обществ, входивших в рабочую группу МАКО по подготовке Унифицированных Правил, и после определенной адаптации органично использованы в Правилах.

5.7 Выводы по главе 5

1. Обоснована необходимость создания изначально ориентированной на последующее использование в Правилах Регистра новой прогрессивной методологии, позволяющей связать в едином комплексе подходы к построению ледовой классификации на основе количественного описания допустимых условий ледового плавания, методы определения расчетных ледовых нагрузок и нормирования расчетных параметров ледовых условий, методы оценки предельной прочности конструкций и данные о ледовой повреждаемости корпусов судов.

2. Показано, что новые Ледовые Правила должны удовлетворять следующим основополагающим принципам: допустимые условия ледового плавания в рамках каждой ледовой категории одинаковы для всех судов, независимо от их типов, размерений и формы обводов корпуса (принцип единого стандарта безопасности); присвоение судну ледовой категории обеспечивает наличие стабильного гарантированного запаса допустимых условий плавания во льдах по отношению к опасным, приводящим к ледовым повреждениям корпусов (принцип гарантии безопасности).

3. Разработана процедура построения новых Ледовых Правил на основе комплексной методологии, удовлетворяющая принципам единого стандарта безопасности и гарантии безопасности, включающая следующие укрупненные этапы:

Уточнение способов задания расчетных характеристик прочности льда применительно к решению 2-х задач: определение уровней ледовой прочности и регламентация допустимых условий ледового плавания.

Построение нормативной основы для определения уровней ледовых категорий новых Ледовых Правил в виде системы базовых опасных режимов, задающей для каждой ледовой категории базовый (единый для всех судов) опасный режим движения, превышение которого связано с риском получения фиксируемых ледовых повреждений.

Определение расчетных ледовых нагрузок при движении судна по базовому опасному режиму, определяющих требования к предельной прочности конструкций ледовых усилений.

Построение системы базовых допустимых режимов движения, составляющих информационную основу для количественного описания допустимых условий плавания судов во льдах в новых Ледовых Правилах.

4. Обосновано, что базовый опасный режим является интегральной количественной характеристикой ледовой категории (класса). Им устанавливаются единые для ледовой категории (независящие от размерений и формы обводов конкретного судна) осредненные условия плавания судов во льдах, превышение которых связано с возможностью получения ледовых повреждений. Разработана процедура построения базовых опасных режимов движения для ледовых категорий новых Ледовых Правил, обеспечивающая физически обоснованную экстраполяцию положительного опыта проектирования и эксплуатации судов ледового плавания и полноценно учитывающая специфику ледоколов. Установлена рациональная по критериям эквивалентности с существующими ледовыми классами и выравнивания ледовых классов система базовых опасных режимов и соответствующих им ледовых категорий судов ледового плавания новых Ледовых Правил.

5. Показано, что новые Ледовые Правила по сравнению с Правилами'81-95 характеризуются существенно меньшим разбросом опасных режимов по отношению к базовым, а в наиболее используемом на практике диапазоне длин Ь=1 (ХИ-200 м имеет место почти идеальное совпадение опасных и базовых режимов.

6. При задании расчетных нагрузок в пределах носового заострения необходимо выделение 2-х районов: носового, охватывающего примерно 60% длины носового заострения, и промежуточного. Высота распределения нагрузки в промежуточном районе существенно выше, чем в носовом, а давление, напротив, меньше. В целом, при неблагоприятной форме корпуса, нагруженность промежуточного района может быть даже выше, чем носового. Данные о повышенной повреждаемости конструкций на участке перехода носового заострения в цилиндрическую вставку подтверждают справедливость принятого решения. В Правилах'81-95 данный эффект не учитывался.

7. Для количественного описания допустимых условий ледового плавания обязательным является наличие 3-х информационных блоков: системы базовых допустимых режимов движения; статистических данных о законах распределения толщин льда, дифференцированных по российским арктическим морям; функциональных зависимостей, описывающих влияние на характеристики прочности льда параметров ледового покрова и периода плавания. Допустимые условия ледового плавания представляются в виде 2-х взаимодополняющих наборов данных: допустимые режимы движения и допустимые районы плавания.

8. Разработана система базовых допустимых режимов движения, обеспечивающая удовлетворение положенного в' основу Ледовых Правил принципа гарантии безопасности, учитывающая влияние реальных характеристик ледового покрова -торосистости и сплоченности и предоставляющая широкие возможности для формирования в Ледовых Правилах блока количественной информации о допустимых условиях ледового плавания. Для количественной оценки влияния сплоченности ледового покрова предложена специальная расчетная модель.

9. Определение допустимых районов плавания осуществляется на основании впервые разработанного подхода. В качестве районов плавания рассматриваются 5 российских арктических морей: Баренцево, Карское, Лаптевых, Восточно-Сибирское, Чукотское. Допустимость плавания в каждом из районов устанавливается для арктических ледовых категорий в зависимости от времени (периода) навигации, типа навигации, тактики ледового плавания. По времени выделяются 2 периода: зимне-весенний и летне-осенний. Для характеристики тяжести ледового года вводятся 4 типа навигации, в совокупности образующие 10-ти летний цикл: легкая, средняя и тяжелая с периодичностью раз в 3 года каждая, а также экстремальная с периодичностью раз в 10 лет. Задаются 2 варианта тактики ледового плавания: самостоятельное и под проводкой ледокола.

10. На основании разработанной в настоящей главе комплексной методологии построения ледовой классификации, количественного описания допустимых условий ледового плавания, определения расчетных ледовых нагрузок, а также изложенных в предыдущих главах физически обоснованных критериев и методов проектирования конструкций ледовых усилений подготовлены требования Правил Регистра 1999 г. издания к судам ледового плавания и ледоколам, обеспечивающие повышение эффективности и эксплуатационной надежности перспективного ледового флота. Основные положения Ледовых Правил'99 прошли международную проверку и были использованы при подготовке проекта Унифицированных Правил МАКО для полярных судов.

Заключение

В представленной диссертационной работе решена имеющая большое народнохозяйственное значение научная проблема обеспечения прочности корпусов судов ледового плавания и ледоколов, предназначенных для продленной и круглогодичной эксплуатации в Арктике. В процессе выполнения работы получены следующие научные выводы и прикладные результаты.

1. На основании анализа фактических данных о ледовых повреждениях судов ледового плавания и ледоколов и выполненного прогноза роста повреждаемости в связи с ужесточением условий ледового плавания при продленной эксплуатации в Арктике сделан принципиально важный вывод о необходимости кардинального пересмотра сложившейся практики нормирования, оценки прочности и проектирования конструкций ледовых усилений.

2. Сформулированы принципы построения нормативных документов, регламентирующих требования к ледовой прочности судов и ледоколов. На их основании разработана и практически реализована новая прогрессивная методология построения Ледовых Правил, позволяющая связать в едином комплексе подходы к формированию ледовой классификации на основе количественного описания допустимых условий ледового плавания, методы определения расчетных ледовых нагрузок и нормирования расчетных параметров ледовых условий, методы оценки предельной прочности конструкций и данные о ледовой повреждаемости корпусов судов. Методология включает:

Уточнение способов задания расчетных характеристик прочности льда применительно к решению 2-х задач: определение уровней ледовой прочности и регламентация допустимых условий ледового плавания.

- Построение нормативной основы для определения уровней ледовых категорий новых Ледовых Правил в виде системы базовых опасных режимов, задающей для каждой ледовой категории базовый (единый для всех судов) опасный режим движения (зависимость опасная скорость-толщина льда), превышение которого связано с риском получения фиксируемых ледовых повреждений. Определение расчетных ледовых нагрузок при движении судна по базовому опасному режиму, регламентирующих требования к предельной прочности конструкций ледовых усилений.

- Построение системы базовых допустимых режимов движения и обобщение статистических данных о законах распределения толщин льда по российским арктическим морям, составляющих информационную основу для количественного описания допустимых условий плавания судов во льдах в новых Ледовых Правилах.

3. Обосновано, что базовый опасный режим и связанный с ним единым нормативным коэффициентом запаса базовый допустимый режим являются интегральными количественными характеристиками ледовой категории (класса). Сформулированы узловые задачи, обеспечивающие надежное описание базовых опасных и допустимых режимов. Показано, что при построении Ледовых Правил на основе систем базовых режимов удовлетворяются следующие основополагающие принципы: допустимые условия ледового плавания в рамках каждой ледовой категории одинаковы для всех судов, независимо от их типов, размерений и формы обводов корпуса (принцип единого стандарта безопасности); присвоение судну ледовой категории обеспечивает наличие стабильного гарантированного запаса допустимых условий плавания во льдах по отношению к опасным, приводящим к ледовым повреждениям корпусов (принцип гарантии безопасности).

4. Разработана методология проектирования конструкций ледовых усилений на основании критериев предельной прочности и устойчивости, не имеющая аналогов как в отечественных, так и в зарубежных нормативных документах. Методология включает:

- Метод гибкого проектирования бортовых перекрытий по критерию предельной прочности, основанный на концепции иерархического соответствия между уровнями балок и типами пластических механизмов, описывающих переход в предельное состояние отдельных частей перекрытия. Метод обеспечивает: учёт различий в величинах расчётных ледовых нагрузок, воздействующих на балки различных иерархических уровней; вариацию соотношения между изгибными и сдвиговыми геометрическими характеристиками при проектировании поперечного сечения балки; учёт избыточных запасов материала, образующихся при проектировании поперечных сечений балок более низких уровней (шпангоутов, стрингеров), допускающий снижение требуемых размеров балок высоких уровней (стрингеров, рамных шпангоутов).

- Систему оригинальных расчетных моделей и основанных на них расчетных требований к предельной прочности элементов поперечных сечений балочных конструкций, обеспечивающую исключение наблюдаемых на практике повреждений, связанных с заваливанием балок, выпучиванием книц и смятием стенок балок, а также алгоритм и программу оптимального проектирования балочных конструкций ледовых усилений.

- Новые расчетные модели, описывающие предельное состояние наружной обшивки как локально загруженной пластины с конечным соотношением сторон, а также предельное состояние листовых конструкций совместно с наружной обшивкой, подкрепляющими ребрами жесткости и балками основного набора.

5. Сформулирован общий подход к построению инженерных решений о пластическом деформировании конструкций ледовых усилений в геометрически нелинейной постановке. На его основании разработаны расчетные методы, описывающие процесс образования основных типов отдельных повреждений (бухтин, вмятин и вмятин-выпучин) от момента начала упруго-пластического деформирования до развития глубоких пластических деформаций с учетом факторов геометрической нелинейности, локального характера нагружения, взаимодействия балочных и листовых конструкций с наружной обшивкой, взаимодействия деформируемой конструкции с окружающими ее неповрежденными участками перекрытия. Достоверность методов подтверждена экспериментальными исследованиями.

6. Разработан метод корректировки. расчетных ледовых нагрузок на районы ледовых усилений из условия обеспечения одинакового уровня их повреждаемости, использующий в качестве методической основы полученную в результате статистического анализа данных о повреждаемости арктического флота функцию распределения ледовых нагрузок. Метод обеспечивает рациональное, с позиций снижения повреждаемости, распределение материала по районам ледовых усилений, а также определяет обобщенный подход к систематизации процедуры обработки данных о ледовых повреждениях конструкций.

7. Обосновано, что для исключения повреждений массового характера следует использовать критерий предельной прочности и методы расчета в рамках аппарата линейной теории предельного равновесия. Установлена нормативная вероятность реализации отдельных повреждений конструкций, обеспечиваемая при удовлетворении критерия ограниченной пластической деформации и использовании методов расчета в упруго-пластической области деформирования в геометрически нелинейной постановке.

8. Исследованы особенности пластического деформирования конструкций ледовых усилений в процессе образования отдельных повреждений под воздействием интенсивных локальных нагрузок. Установлено, что за счет эффекта взаимодействия балок основного набора и листовых конструкций с относительно жесткой в условиях локального нагружения наружной обшивкой несущая способность конструкции увеличивается в 2 раза и более по сравнению с традиционными решениями (балочная идеализация, изолированная листовая конструкция).

9. Разработаны модифицированная гидродинамическая модель удара твердого тела о лед, учитывающая эффект пиковости эпюры ледовой нагрузки с помощью новой физической константы - параметра пиковости, а также новая модель динамического разрушения льда при местном смятии, адекватно описывающая наблюдаемые в экспериментах физические явления и обеспечивающая сохранение определенной преемственности с хорошо апробированной в отечественном ледовом судостроении гидродинамической моделью и с популярной на западе эмпирической моделью pressure-area curve.

10. Разработан новый подход к определению допустимых по условию исключения массовых повреждений корпуса районов плавания. В качестве районов плавания рассматриваются 5 российских арктических морей: Баренцево, Карское, Лаптевых, Восточно-Сибирское, Чукотское. Допустимость плавания в каждом из районов устанавливается в зависимости сезона навигации (зимне-весенний и летне-осенний), тактики ледового плавания (самостоятельное и под проводкой ледокола) и типа навигации (легкая, средняя и тяжелая с периодичностью раз в 3 года каждая, а также экстремальная с периодичностью раз в 10 лет).

На основании выполненных исследований созданы требования Правил Регистра 1999 г. издания к судам ледового плавания (включая буксиры и рыболовные суда) и ледоколам, основанные на новой методологии построения Ледовых Правил в части классификации, количественного описания допустимых условий ледового плавания, определения расчетных ледовых нагрузок, а также физически обоснованных критериях и методах проектирования конструкций ледовых усилений, учитывающих резервы пластического деформирования материала и действительные формы ледовых повреждений. Основные положения Ледовых Правил'99 прошли представительную международную проверку в процессе подготовки проекта Унифицированных Правил МАКО для полярных судов.

Разработанные в диссертации расчетные методы и нормативные документы широко использовались при проектировании перспективных судов ледового плавания и ледоколов, а также при обосновании возможностей повышения эксплуатационной надежности и продления срока службы существующего ледового флота.

1. Авдюков В.Н. (1976). Анализ ледовой аварийности и разработка предложений по ее сокращению (промежуточный отчет): Отчет ЦНИИМФ, N гр 76050705, М., 36 с.

2. Авдюков В.Н. (1977). Анализ ледовой аварийности в западном районе Арктики за 19631976 г.г. и разработка предложений по ее сокращению (промежуточный отчет): Отчет ЦНИИМФ, N гр 76050705, М., 1977, 94 с.

3. Авдюков В.Н. (1979). Анализ ледовой аварийности за навигацию 1978 года в западном районе Арктики; предложения по ее сокращению (Бюллетень, Ледовая аварийность на трассе Севморпути. 1978 год): Отчет ЦНИИМФ, N гр 76050705, М., 1979, 48 с.

4. Авдюков В.Н. (1980). Анализ ледовой аварийности в арктическую навигацию: Отчет ЦНИИМФ, N гр 76050705. М, 1980, 61 с.

5. Авдюков В.Н. (1981). Анализ ледовой аварийности навигации 1980 г. (Бюллетень ледовой аварийности): Отчет ЦНИИМФ, N ГР 76050705. М., 1981, 61 с.

6. Авдюков В.Н. (1982). Информационный материал по статистическому анализу ледовой аварийности судов ММФ (ежегодный Бюллетень ледовой аварийности судов): Отчет ЦНИИМФ, N ГР 76050705. М., 1982, 43 с.

7. Апполонов Е.М. (1980а). Приближенный расчет сложного упруго-пластического изгиба балок судового корпуса. Вопросы судостроения, сер. "Проектирование судов", вып. 25, 1980, с. 99- 108.

8. Апполонов Е.М. (19806). Сложный изгиб и несущая способность судовых перекрытий. Вопросы судостроения, сер. "Проектирование судов", вып. 25, 1980, с. 109 118.

9. Апполонов Е.М. (1981). Испытания несущей способности опытных конструкций узлов ледовых подкреплений корпуса. Отчет ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, вып. 20526, 1981, 30с.

10. Апполонов Е.М. (1982). Разработка методов и программ расчета сложного упруго-пластического изгиба и несущей способности балок и перекрытий судового корпуса. -Кандидатская диссертация. Л., 1982, 215с.

11. Апполонов Е.М. (1984). Уточнение запасов прочности конструкций со сдвиговым механизмом обрушения. Вопросы судостроения, серия «Проектирование судов», вып. 40, 1984, с. 40-45.

12. Апполонов Е.М. (1986). Разработка методов оценки прочности, дефектации и рационального проектирования кничных соединений судов ледового плавания. Отчет ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, вып. 31493, 1986, 66 с.

13. Апполонов Е.М., Курдюмов В.А. (1988). Проект новой редакции требований Правил Регистра СССР к ледовым усилениям корпусов судов ледового плавания и ледоколов. Отчет ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, вып. 32319, 1988, 59с.

14. Апполонов Е.М. (1989). Проектирование конструкций ледовых усилений по критерию предельной прочности. Тезисы докладов Всесоюзной НТК «Совершенствование технической эксплуатации судов», Калининград, 1989, с. 38-39.

15. Апполонов Е.М. (1991). Расчетное определение допустимых и опасных режимов движения а/л типа "Арктика" во льдах. Разработка рекомендаций по рациональному конструкций, взаимодействующих со льдом. Отчет ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, вып. 33633, 1991, 65с.

16. Апполонов Е.М. (1991а). Оптимизация размеров балочных конструкций ледовых усилений, спроектированных по критерию предельной прочности. Сб. НТО им. акад. А.Н. Крылова, вып. 514, 1991, с. 16-25.

17. Апполонов Е.М., Нестеров А Б. (1991а). Уточненный метод определения расчетных скоростей движения судов во льдах. Сб. НТО им. акад. А.Н. Крылова, вып. 514, 1991, с. 4-15.

18. Апполонов Е.М. (1992). Проектирование конструкций ледовых усилений по критерию предельной прочности. Судостроение, № 2, 1992, с. 9-13.

19. Апполонов Е.М. (1992а). Обоснование системы расчетных требований и конструктивно-технологических ограничений для конструкций ледовых усилений судов ледового плавания. Отчет ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, вып. 35036, 1992, 30 с.

20. Апполонов Е.М. (1992б). Анализ данных о повреждениях конструкций ледовых усилений и перспективах развития судов ледового плавания. Отчет ЦНИИ им.акад.А.Н.Крылова, вып.34079, 1992,36с.

21. Апполонов Е.М. (1993), Разработка методологии проектирования бортовых перекрытий судов ледового плавания применительно к новой редакции Правил Регистра России. Отчет ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, вып. 35578, 1994, 164 с.

22. Апполонов Е.М. (1994). Разработка методологии проектирования наружной обшивки и листовых конструкций судов ледового плавания применительно к новой редакции Правил Регистра России. Отчет ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, вып. 35579, 1994, 78 с.

23. Апполонов Е.М., Анкудинов О.С. (1994). Программа расчета ледовых нагрузок и проектирования бортовых перекрытий для судов ледового плавания и ледоколов. Отчет ЦНИИ им. акад. АН.Крылова, 1994,17 с.

24. Апполонов Е.М., Нестеров А.Б. (1994а). Новая редакция требований Правил Регистра России к ледовым усилением судов и ледоколов. Отчет ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, вып. 35580, 1994, 62с.

25. Апполонов Е.М., Нестеров А.Б. (19946) Разработка новой редакции требований Правил Регистра России к ледовым усилением судов и ледоколов (пояснительная записка). Отчет ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, вып. 35713, 1994, 163с.

26. Апполонов Е.М., Нестеров А.Б., Степанов И.В., Тимофеев О.Я. (1996). Регламентация допускаемых условий ледового плавания арктических судов. Труды ЦНИИ им.акад.А.Н.Крылова, вып.3(287), СПб, 1996, с. 8-14.

27. Апполонов Е.М., Нестеров А.Б., Тимофеев О Я. (1996а). Верификация расчетных моделей теории предельного равновесия для судового набора. Сб. НТО им. акад. А.Н. Крылова, вып. 26, ч. II, СПб, 1996, с. 46-51.

28. Апполонов Е.М., Нестеров А.Б., Копилец Н.Ф., Дидковский A.B. (1997). О проекте новой редакции требований Правил Российского Морского Регистра Судоходства к ледовой прочности судов и ледоколов. Судостроение, № 5, 1997, с. 17-23.

29. Апполонов Е.М., Маслич Е.А., Нестеров А.Б. (1998). Разработка методики оценки технического состояния конструкций ледовых усилений. Отчет ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, 1998, 46 с.

30. Апполонов Е.М., Маслич Е.А., Нестеров А.Б., Сегаль В.Е. (2001а). Нормативно-методические основы регламентации предельной прочности корпусных конструкций в программном комплексе «Руслан». Труды ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, вып. 11 (295), 2001, с. 5-13.

31. Апполонов Е.М., Бойцов Г.В., Захаров A.A., Литонов O.E., Нестеров А.Б. (2001в). Проблемы повышения безопасности судов и плавучих сооружений. Науч.-техн. сб. Российского Морского регистра Судоходства, вып. 24, 2001, с. 30-47.

32. Арикайнен АИ., Чубаков К.Н. (1987). Азбука ледового плавания. М., Транспорт, 1987.

33. Атлас Арктики. (1985). Под ред. Трешникова А.Ф. Главное Управление Геодезии и Картографии при Сов. Мин. СССР, М., 1985.

34. Барабанов Н.В. (1982). Исследование ледовых повреждений ледоколов и судов ледового плавания Дальневосточного бассейна. Отчет ДВПИ, N ГР 01824005727, В., 1982, 183 с.

35. Барабанов Н.В., Бабцев В.А. (1983). Анализ повреждений корпусных конструкций судов ледового плавания и исследование ледовых нагрузок на днищевые конструкции. Отчет ДВПИ (промежуточный), В., 1983, 140 с.

36. Барабанов Н.В., Бабцев В.А. (1984). Анализ повреждений корпусных конструкций судов ледового плавания и исследование ледовых нагрузок на днищевые конструкции. Отчет ДВПИ (заключительный), В., 1984, 106 с.

37. Барабанов Н.В., Шемендюк Г.П. (1985). Экспериментально-теоретическое исследование работоспособности корпусных конструкций при действии ледовых нагрузок: Отчет ДВПИ, N ГР 01840054018, В., 1985, 137 с.

38. Барабанов Н.В., БабцевВ.А., Шемендюк Г.П. (1986). Разработка рекомендаций по конструированию корпусов судов ледового плавания. Отчет ДВПИ (промежуточный):, N ГР 01860035227.-В., 1986, 59 с.

39. Барабанов Н.В., БабцевВ.А., Иванов H.A., Шемендюк Г.П. (1990). Исследование волновых и ледовых нагрузок, действующих на суда, и обеспечение эксплуатационной надежности судовых конструкций. Отчет ДВПИ (заключительный), N ГР 01890003911, В., 1900, 292 с.

40. Беленький JIM. (1967). Вопросы сложного изгиба балок и пластин в пластической стадии при многократном нагружении. Сб. НТО Судпрома, Л., вЫп.92, 1967.

41. Беленький JIM. (1973). Большие деформации судовых конструкций. Л., Судостроение, 1973, 206с.

42. Беленький Л.М. (1974). О деформировании пластин палубного настила при больших поперечных нагрузках. Сб. «Вопросы судостроения», серия «Проектирование судов», Л., Судостроение, вып.2, 1974.

43. Беленький Л.М., Топчий Б.Е. (1980). Разработка практических методов оценки предельной местной прочности судовых конструкций. Отчет КВИМУ, № ГР 79062239, Калининград, 1980, 329с.

44. Беленький Л.М. (1983). Расчет судовых конструкций в пластической стадии. Л., Судостроение, 1983, 448с.

45. Беленький Л.М. (1991). Экспериментальное исследование работы палубных конструкций в упруго-пластической стадии при действии локальных нагрузок на малых моделях. Отчет ОНИЛ ПОЛЕКС, регистрационный №0191.0042204, Калининград, 1991.

46. Беленький Л.М., Макаров В.В. (1992). Экспериментальные исследования особенностей пластического деформирования балочных и листовых конструкций при локальном нагружении. Отчет ОНИЛ ПОЛЕКС, Калининград, 1992.

47. Бененсон A.M., Курдюмов В.А. (1984). Расчёт предельного равновесия стержневых систем с учётом сдвига. Киев, Прикладная механика, том XX, №12, 1984.

48. Бененсон A.M., Курдюмов В.А., Рябов Л.И. (1985). Разработка принципов нормирования и методов расчета прочности корпусов судов ледового плавания. Отчет ЛКИ, № ГР 0183.0070298, 1985.

49. Биргер И.А., Пановко М. (1968). Прочность, устойчивость, колебания. Справочник в трех томах. М., Машиностроение, т. 1, 1968, 868с.

50. Бойцов Г.В., Кноринг С.Д. (1972). Прочность и работоспособность корпусных конструкций. Л., Судостроение, 1972.

51. Бойцов Г.В., Бураковский Е.П. (1982). Анализ распора обшивки судовых перекрытий при ее больших прогибах. Л., Судостроение, №9, 1982, с. 7-11.

52. Бойцов Г.В., Апполонов Е.М. (2001). Перспективы совершенствования Правил Регистра России, часть II «Корпус». Труды ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, вып. 11 (295), 2001, с. 2634.

53. Бродде Б.М. (1953). Предельное состояние стальных балок. М., Госстройиздат, 1953, 216с.

54. Бураковский Е.П. (1983). Исследование развития больших упругопластических прогибов пластин при цилиндрическом изгибе. НТО им. акад. А.Н. Крылова, Л., Судостроение, вып. 375, 1983, с. 15-25.

55. Волков В.Н. (1984). Разработка требований к непотопляемости судов ледового плавания. Анализ остойчивости мощных ледоколов при вползании на лед: Отчет ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, вып.30226, 1984,103 с.

56. Таврило В.П., Лебедев Г.А., Федотов В.И., Черепанов Н.В. (1991). Сезонная изменчивость физико-механических характеристик морского льда. Тр. ААНИИ, т.421, 1991, с,36-49.

57. Гладков М.Г., Петров И.Г., Фёдоров Б.А. (1983). Схема расчёта предела прочности льда. Труды ААНИИ, т.379, 1983, с. 75-87.

58. Гвоздев A.A. (1938). Определение величины разрушающей нагрузки для статистики неопределимых систем, претерпевающих пластические деформации. В кн. Труды конференции по пластическим деформациям, АН СССР, 1938.

59. Гвоздев A.A. (1948). О предельном равновесии. Инженерный сборник, т. V, вып. I, 1948.

60. Гвоздев A.A. (1949). Расчет несущей способности конструкций по методу предельного равновесия. М., Стройиздат, 1949, 244с.

61. Давыдов В.В. (1938). Теоретические исследования удара корабля о льдину. Сб. «Проблемы Арктики», №5-6, 1938.

62. Давыдов В.В. (1937). Прочность ледокольных судов. Судостроение, №2, 1937.

63. Дикович И.Л. (1967). Статика упруго-пластических балок судовых конструкций. Л., Судостроение, 1967, 264с.

64. Доронин Ю.П., Хейсин Д.Е. (1969). Морской лёд. Л.: Гидрометеоиздат, 1969, 318с.

65. Друкер Д. (1957). Вариационные принципы в математической теории пластичности. В кн. Механика (сб. переводов), М., ИЛ, №4, 1957.

66. Ершов М.Ф., Свечников О.И. (1969). Предельное состояние и надежность конструкций речных судов. Л., Судостроение, 1969, 152с.83.3аботин Н.А. (1951). Удар ледокола о ледяное поле и вползание его на льдину. Труды ЛЩ вып., 1951.

67. Зельманов C.B. (1984). Сбор и обобщение данных по ледовым повреждениям корпусов и винторулевых комплексов судов арктического плавания ДВМП за период навигации 19831984 г.г.: ОтчетЦНИИМФ, NEP 81068961, N861, 1984, 83 с.

68. Ивлев Д.Д. (1966). Теория идеальной пластичности. М., Наука, 1966.

69. Ильюшин А.А. (1948). Пластичность. М., Гостехиздат, 1948, 270с.

70. Инструкция по определению технического состояния, обновлению и ремонту корпусов морских судов. Правила классификационных освидетельствований судов, Бюллетень № 1, РМРС, 2000, с.с. 28-104.

71. Караванов С.Б. (1985). Анализ повреждений корпусов транспортных судов арктического плавания. Перспективные типы судов, мореходные и ледовые качества. Л., Транспорт, 1985, с.72-76.

72. Качанов A.M. (1956). Основы теории пластичности. М., Госиздат, 1956, 324с.

73. Каштелян В.И. (1960). Приближённое определение усилий, разрушающих ледяной покров,-Проблемы Арктики и Антарктики, вып.5, 1960, с.71-76.

74. Козляков В.В. (1962). О расчете симметричных двутавровых балок из линейно упрочняющего материала с учетом сдвига. Труды ЛКИ, вып. 38, 1962, с. 61 73.

75. Козляков В.В. (1966). Об оценке предельной прочности перекрытия, загруженных поперечной нагрузкой, при общем изгибе. Сб. НТО Судпрома, вып. 85, 1966.

76. Козляков В.В. (1978). Исследование несущей способности и приспособляемости судовых пластин и пологих оболочек. Отчет НКИ, № гос. регистрации 75018961,1978.

77. Козляков В.В. (1979). Анализ предельных нагрузок для перекрытий корпусов основных типов морских транспортных судов: Отчет ОИИМФ, №гр78029055, Одесса, 1979.

78. Койтер В.Т. Общие теоремы теории упругопластических сред. М., изд. ИЛ, 1961.

79. Колесов А.Г. (1985). Сбор и обобщение данных по ледовым повреждениям корпусов и винторулевых комплексов судов арктического плавания ДВМП за период навигации 19831985 г.г.: Отчет ЦНИИМФ, N ГР 81068961, В., 1985,25 с.

80. Кулеш В.А., Литвинов Ю.Ф. (1988). Прикладные схемы расчета пластиц в области больших пластических деформаций. Проектирование судовых конструкций: Межвуз. сб. Владивосток, 1988, с. 87-95.

81. Кулеш В.А., Попова Н.Ю. (1996). Закономерности износа наружной обшивки судов и его нормирование. Труды МК «Проблемы прочности и эксплуатационной надежности судов», Владивосток, 1996, с. 286-292.

82. Кулеш В.А. (1998). Расчетное проектирование и экспертиза технического состояния судовых конструкций в районах экспериментальных местных нагрузок. Докторская диссертация, Владивосток, 1998, 313с.

83. Курдюмов В.А., Хейсин Д.Е. (1974). К определению ледовых нагрузок, действующих на корпус ледокола при ударе. Труды ЛКИ, вып.90, 1974, с.95-100.

84. Курдюмов В.А., Хейсин Д.Е. (1976). Гидродинамическая модель удара твёрдого тела о лёд.- Прикладная механика, ч. XII, вып. 10, 1976, с. 103-109.

85. Курдюмов В.А., Хейсин Д.Е. (1976а). Характеристики строительной прочности конструкций ледового пояса ледоколов: Н.-т. сб. Регистра СССР, вып.6, 1976, с.63-71.

86. Курдюмов В.А., Тряскин В.Н., Хейсин Д.Е. (1979). Определение ледовой нагрузки и оценка ледовой прочности корпусов транспортных судов. Труды ЛКИ, сб. «Ледопроходимость и ледовая прочность судов», 1979, с.3-12.

87. Курдюмов В.А., Рябов Л.И., Тряскин В.Н. (1979). Анализ работы бортовых перекрытий транспортных судов под действием ледовой нагрузки. Труды ЛКИ, сб. «Ледопроходимость и ледовая прочность судов», 1979, с. 13-27.

88. Курдюмов В.А., Тряскин В.Н. (1979). Упруго-пластичесий изгиб обшивки ледового пояса. Труды ЖИ, сб. «Ледопроходимость и ледовая прочность судов», 1979, с.36-47.

89. Курдюмов В.А., Рябов Л.И., Тряскин В.Н. (1982). Исследование силового воздействия льда на корпуса судов и разработка метода расчётного определения величин ледовых нагрузок. Отчёт ЛКИ; № ГР 80062116, 1982, 138с.

90. Курдюмов В.А., Хейсин Д.Е. (1984). О коэффициентах приведения при ударе судна о льдину. Сб. «Вопросы теории, прочности и проектирования судов, плавающих во льдах», Горький, 1984, с.32-37.

91. Курдюмов В.А., Хейсин Д.Е. (1984а11). Определение нагрузок при ударе судна вертикальным бортом о кромку ледового поля. Н.-т. сб. Регистра СССР, вып. 14, 1984.

92. Курдюмов В.А., Бойцов Г.В., Никитин В.А. (1985). Первая редакция Норм ледовой прочности судов. Отчёт ЛКИ и ЦНИИ им.акад. А.Н.Крылова, 1985, 63с.

93. Курдюмов В.А. (1990). О расчёте допустимых скоростей движения судов во льдах. Труды ЖИ, сб. «Проблемы проектирования конструкций судов», 1990.

94. Лавров В.В. (1969). Деформация и прочность льда. Л.: Гидрометеоиздат, 1969, 206с.

95. Лавров В.В.(1976). Классификация морского льда по прочности. Труды ААНИИ, Т.331, 1976, с. 100-103.

96. Ледовый паспорт судна типа т/х "Дмитрий Донской". (1979). ААНИИ, Л., 1979, 42 с.

97. Ледовый паспорт судна типа т/х "Норильск". (1984). ААНИИ, Л., 1984, 49 с.

98. Литонов O.E., Апполонов Е.М., Бойцов .Г.В., Нестеров А.Б. (2001 а).Разработка моделей аварийных ситуаций применительно к транспортным судам. Отчет ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова по этапу 1 договора № РС-3/2001, СПб, 2001, 91 с.

99. Литонов O.E., Апполонов Е.М., Бойцов Г.В., Нестеров А.Б. (2001б).Методики оценок риска аварийных ситуаций. Отчет ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова по этапу 2 договора № РС-3/2001, СПб, 2001, 103 с.

100. Лихоманов В.А., Хейсин Д.Е. (1971). Экспериментальное исследование удара твердого тела о лед. Проблемы Арктики и Антарктики, вып.38, Гидрометеоиздат, Л., 1971, с. 105-111.

101. Лихоманов В.А. (1973). Прочность ледоколов и транспортных судов (по данным тензометрических испытаний). Труды ААНИИ, т.309, 1973, с. 100-110.

102. Локшин А.З., Рябов Л.И. (1973). Судовые кничные соединения. Л., «Судостроение, 1973, 200 с.

103. Макаров В.В. (1970). Экспериментальное исследование работы широкополых двутавровых балок. Тр. КТИРПХ, вып. 33, 1970, с. 12-29.

104. Маслов А.И. (1937). Опыт расчёта внешних усилий, действующих на корпус судна в ледовых условиях. Труды ВНИИТОС, ОНТИ, т. П, вып.З, 1937, с. 129-132.

105. Международная символика для морских ледовых карт и номенклатура морских льдов. (1984). Под общей редакцией д. г. н. Крутских Б.А. Л.; Гидрометеоиздат, 1984, 56 с.

106. Методическое письмо по расчету прочности льда. (1983). Под редакцией чл.-корр. АН СССР В.В. Богородского. Государственный комитет СССР по гидрометеорологии и контролю природной среды, Л., 1983, 49с.

107. Москвитин В.В. Пластичность при переменных нагружениях. М., изд.МГУ, 1965.

108. Ногид Л.М. (1959). Об ударе судна о лёд. Труды ЛКИ, вып.26, 1959.

109. Нормы прочности морских судов. (1992). Регистр, СПб, 1992, 92с.

110. Папкович П.Ф. (1941). Строительная механика корабля. Т.2, Л., Судпромгиз, 1941, 960с.

111. Петров И.Г. (1976). Выбор наиболее вероятных значений механических характеристик льда. Труды ААНИИ, т.331,1976, с. 4-41. .

112. Попов Ю.М. (1955). К вопросу удара судна о льдину. Труды ЛКИ, вып.ХУ, 1955.

113. Попов Ю.Н., Фадеев О.В., Хейсин Д.Е., Яковлев A.A. (1967). Прочность судов, плавающих во льдах. Л., Судостроение, 1967, 224с.

114. Попов Ю.Н., Тегкаева Т.Х., Вадеев О.В. (1973). Определение ледовых нагрузок на корпус ледокола с учётом отражённого удара. Тр. ААНИИ, т. 309, 1973, с.79-87.

115. Прагер В., Ходж Ф. (1956). Теория идеально пластических тел. М., ИЛ, 1956, 270с.

116. Проценко А.М. (1982). Теория упруго-идеальнопластических систем. М., Наука, 1982, 288с.

117. Работнов Ю.Н. (1979). Механика деформируемого твердого тела. М., Наука, 1979.

118. РД 31.28.30-88. (1988). Комплексная система технического обслуживания и ремонта судов. Методика дефектации корпусов морских транспортных судов. М., в/о «Мортехинформреклама», 1988, 56с. .

119. РД 31.28.30-88. (1988). Комплексная система технического обслуживания и ремонта судов. Методика дефектации корпусов морских транспортных судов. М., в/о «Мортехинформреклама», 1988, 56с.

120. Регистр СССР.(1981). Правила классификации и постройки морских судов. Л„, Транспорт, 1981.

121. Регистр СССР. (1985). Правила классификации и постройки морских судов, -Л, Транспорт, 1985,928 с.

122. Регистр СССР. (1990). Правила классификации и постройки морских судов. Л, Транспорт, т.1, 1991, 620 с.

123. Решетов Н.А. (1997). Формальная оценка безопасности судна. Науч.-техн. сб. Российского Морского регистра Судоходства, вып. 20, Ч. 1, 1997, с. 3-9.

124. Ржаницын А.Р. (1954). Расчет конструкций с учетом пластических свойств материала. М., Стройиздат, 1954.

125. Ржаницын А.Р. (1959). Расчет пологих оболочек методом предельного равновесия. Строительная механика и расчет сооружений, №1, 1959. .

126. Ржаницын А.Р. (1983). Предельное равновесие пластинок и оболочек. М., Наука, 1983, 288с.

127. РМРС. (1995). Правила классификации и постройки морских судов,- Л.: Транспорт, т. 1, 1995, 464 с.

128. РМРС. (1998). Проект новой редакции требований Правил Регистра к ледовым усилением судов ледового плавания и ледоколов. Сборник нормативно-методических материалов, книга седьмая, СПб, 1998, с. 171-229.

129. РМРС. (1999). Правила классификации и постройки морских судов,- JL: Транспорт, т. 1,1999,694с.

130. Родионов A.A., Упырев В.М. (1987). Расчетное проектирование судовых перекрытий. Судостроение, № 4, 1987, с. 7-10. .'Г '

131. Родионов A.A. (1990). Математические методы проектирования оптимальных конструкций судового корпуса. JL, Судостроение, 1990, 248 с.

132. Романов И.Щ1991). Ледяной покров Арктического бассейна. ААНИИ, Л., 1991.

133. Рывлин А.Я. (1965).Экспериментальное изучение движения судна в битых льдах: НТО Судпрома, вып.71, 1965, с.51-56.

134. Рывлин А.Я. (1973). Экспериментальное изучение трение льда. Труды ААНИИ, т.309, 1973, с. 186-199.

135. Рывлин А.Я.(1974). Метод прогнозирования предела прочности ледяного покров на изгиб. Проблемы Арктики и Антарктики, вып.45, 1974, с.79-86.

136. Рывлин А.Я. (1975). Натурные экспериментальные исследования физико-механических свойств льда. Труды ААНИИ, т. 324, 1975, с.65-71.

137. Рывлин А.Я., Хейсин Д.Е. (1980). Испытания судов во льдах, Л., Судостроение, 1980, с.200.

138. Сандерсон Т.Дж.О. (1983). Ледовые условия в Арктике. Метеорология и гидрология, № 3, 1983, с. 230-240.

139. Тряскин В.Н. (1977). Удар судна о льдину. Труды ЛКИ, вып. 116, 1977, с.82-85.

140. Справочник по строительной механике корабля. (1982). Бойцов Г.В., Палий О.М., Постнов В.А., Чувиковский B.C. (1982). Л., Судостроение, т.2, 1982,464с.

141. Стрельбицкая А.И. (1958). Исследование прочности тонкостенных стержней за пределом упругости. К., АН УССР, 1958, 295с.

142. Топчий Б.Е. (1990). Оценка резервов несущей способности жесткого судового набора. Кандидатская диссертация, Калининград, 1990, 104с.

143. Тряскин В.Н. (1980). Вопросы проектирования бортовых конструций судов ледового плавания. Судостроение за рубежом, ЦНИИ «Румб», 1980, с.84-107.

144. Ферин А.Д Экспериментальное исследование накопления остаточных деформаций в пластинах при многократном нагружении. Труды КТИРПХ, вып.22, 1970.

145. Хейсин Д.Е. (1960). Прочность ледяного покрова под действием нагрузки, приложенной к его кромке. Тр. ААНИИ, т.237, 1960.

146. Хейсин ДЕ. (1961). Определение контактных усилий при ударе форштевнем о лёд.-Проблемы Арктики и Антарктики, 1961, вып.8, с.57-63.

147. Хейсин Д.Е. (1962). Нестационарная задача о колебаниях бесконечной пластины, плавающей на поверхности идеальной жидкости. Механика и машиностроение. Изд-во АН СССР, №1,1962.

148. Хейсин Д.Е. (1964). К задаче упруго-пластического изгиба ледяного покрова. Труды ААНИИ, т.267, 1964.

149. Хейсин Д.Е. (1966). К определению контактных давлений, действующих, действующих в зоне удара судна о лёд. Проблемы Арктики и Антарктики, вып.22, 1966, с.43-51.

150. Хейсин (1967). Д.Е. Динамика ледяного покрова. Л.: Гидрометеоиздат, 1967, 218с.

151. Хейсин Д.Е., Черепанов Н.В. (1970). Изменение структуры льда в зоне удара твердого тела о поверхность ледяного покрова. Проблемы Арктики и Антарктики, вып.34, Гидрометеоиздат, Д., 1970, с.79-84.

152. Хейсин Д.Е., Лихоманов В.А. (1973). Экспериментальное определение удельной энергии механического дробления льда при ударе. Проблемы Арктики и Антарктики, вып.41, 1973, с.55-61.

153. Хейсин Д.Е., Рябов Л.И. (1977). Дополнительная разработка и уточнение требований Правил Регистра СССР к усилениям судов для плавания во льдах. Отчёт ЛКИ, ААНИИ, № ГР У42887, 1977, 85с.

154. Хилл Р. (1956). Математическая теория пластичности. ИЛ, 1956.

155. Ходж Ф.Г. Расчет конструкций с учетом пластических свойств материала. М., Машгиз, 1963, 380 с.

156. Цегельнюк А.Б. (1984). Информационные материалы по анализу ледовых повреждений судов Арктического плавания Дальневосточного морского пароходства за период 1979-1983 годов и предложения по их предотвращению. Отчет ЦНИИМФ, В., 1984, 13 с.

157. Цой Л.Г. (1988) Технико-эксплуатационные требования к ледовым качествам ледокольно транспортных судов программы пополнения флота тринадцатой пятилетки: Отчет ЦНИИМФ, N ГР 01.88.055360, Л., 1988, 201с.

158. Черепанов Н.В. (1973). Основные результаты исследования кристаллической структуры морских льдов. «Проблемы Арктики и Антарктики», вып.41, 1973, с.43-51.

159. Черепанов Н.В. (1976). Классификация льдов природных водоёмов. Труды ААНИИ, т.331, 1976, с.77-99.

160. Чирас А. (1964). Применение методов линейного программирования при расчете упруго- пластических балок и рам и их реализация на ЭВМ. В кн. ЭВМ в строительной механике. JL, Стройиздат, 1964.

161. Шабунин В.П. (1974). Исследование остаточных напряжений в обшивке судна при образовании повреждений. Депонировано в ЦНИИ ТЭИРХ 10.07.74, N34, Реф. Ж.»Механика», IIB942, 1974.

162. Шавров Н.Ю. (1986). Разработка методов расчета прочности судов днищевых конструкций при слеминге с учетом нелинейности деформирования. Кандидатская диссертация. Л., 1986.

163. Шиманский Ю.А. (1938). Условные измерители ледовых качеств судов. Труды ААНИИ, т.130, 1938.

164. American Bureau of Shipping. (1992). Rules for Building and Classing Steel Vessels. Part 5, Section 1, Strengthening for Navigation in Ice. New York, 1992, 35 p.

165. Appolonov E.M., Nesterov A.B., Timofeev O.Y. (1994). Ice strength in connection with classification of ships and icebreakers. Proc. of int. conf. "The Centenary the Krylov SRI", Section C, St.Petersburg, 1994, pp. 47-54.

166. Appolonov E.M., Nesterov A.B., Timofeyev O.Y. (1994). Ice strength in connection with classification of ships and icebreakers. Proc. of int. conf. "The Centenary the Krylov SRI", Section C, St.Petersburg, 1994, pp. 47-54.

167. Appolonov E.M., Nesterov A.B. (1995). The investigation of ice damage and increase of the requirements to ice strength of Arctic ships. Proc. of the 13th int. conf. POAC'95, vol. 1, Murmansk, Russia, 1995, pp. 42-51.

168. Appolonov E.M. (1996). Regulation of the Design Ice Load Levels for Ships of Arctic Classes of the Harmonized Rules. Materials of IACS Ad-hog Group on Polar Class Ships, Krylov Shipbuilding Research Institute, Ottawa, 22-24 May, 1996,70 p.

169. Appolonov E.M., Nesterov A.B. (1996). Criteria and methods for assessment of strength of Arctic ships' and icebreakers' ice strengthenings. Proc. of the 6th int. conf. POLARTECH'96, Workshop B, St.Petersburg, 1996, pp. 96-110.

170. Appolonov E.M., Nesterov A.B. (1997b). Methodology of Side Grillages Design by the Criterion of Ultimate Strength. Materials of IACS Ad-hog Group on Polar Class Ships, Krylov Shipbuilding Research Institute, Houston, 19-23 May, 1997, 105 p.

171. Appolonov E.M., Nesterov A.B. (1997c). Regulation of Ice Loads Acting on Bow Area of Ships with Spoon-Shaped Bow. Materials of IACS Ad-hog Group on Polar Class Ships, Krylov Shipbuilding Research Institute, Houston, 19-23 May, 1997, 11 p.

172. Appolonov E.M. (1999b). Research of Arctic ice dynamic strength with the help of drop ball tests. Report of Krylov Shipbuilding Research Institute from WP3 of ARCDEV project supported by the EC Transport programme, St. Petersburg, 1999, 128 p.

173. Appolonov E.M., Nesterov A.B., Didkovski A.V., Kuteinikov M.A. (2000). New ice rules issued by the Russian Maritime Register of Shipping. Proc. of the 6th int. conf. ICETECH'2000, St.Petersburg, 2000, pp. 48-56.

174. Appolonov E.M., Nesterov A.B., (2002). A model of ice dynamic failure under local crushing. Proc. of Third International Shipbuilding Conference ISC'2002, section C, S.Petersburg, 2002, pp. 77-84.

175. Bond J. (1999). Finite element analysis of ship grillages. Materials of IACS Ad-hog Group on Polar Class Ships, MIL Systems, Montreal, 8-11 February, 1999, 66 p.

176. Canadian Arctic Shipping Pollution Prevention Regulations (C.A.S.P.P.R). (1995). Equivalent standard for the construction of arctic class ships. Transport Canada, Ship Safety, TP 12260, 1995, 78 p.

177. Charnes A. and Greenberg G. (1951). Plastic collapse and linear programming. In: Bull. Amer, Math. Soc., v.6, №57, 1951.

178. Charnes A., Lemke C. and Zienkewich O. (1959). Virtual work, linear programming and plastic limit and analysis. In: Proc. Roy. Soc., A 251, 1264, 1959.

179. Daley C. (1991). Ice edge contact, a britle failure process model. Dissertation, Acta Polytechnica Scandinavica, Me 100, Helsinki, 1991, 92 p.

180. Daley C.G., Kendrick A., Appolonov E. (2001). Plating and framing design in the Unified Requirements for polar class ships. Proc. of the 16th int. conf. POAC'Ol., vol. 2, Ottawa, Canada, 2001, pp. 779-791.

181. Det Norske Veritas. Rules for classification on steel ships. Part 5, Ch.l. Ships for navigation in Ice, 1990.

182. Drucker D. (1951). A more sundanrental approach to plastic-strain relations. In: Proc. Inst. US Novt. Congr. Appl. Mech., ASME, 1951.

183. Frederking R.M.W., Jordaan I.J., McCallum J.S. (1990). Field Tests of Ice Indentation of Medium Scale Hobson's Choice Ice Island, 1989. Proceeding of the 10th IAHR Ice Symposium, vol.11, Espoo, Finland, Aug. 20-23,1990, p.p.931-944.

184. Finnish-Sweden Ice Rules. Finnish Board Navigation, Helsinki, 1985, 43 p.

185. Ingerslew Age. (1923). The strength of rectangular slabs, J. Inst, structural eng., v. 1, №1, 1923.

186. Johansen K.W. (1943). Brudlineteorien. Kobenhavn, 1943.

187. Johansen K.W. (1946). Piadeformler. Kobenhavn, 1946.

188. Johansen K.W. (1962). Yield line theory. Cements and concrete assoc., 1962.

189. Kazinahy G. Bemessuny Von Stastich unbestimmten konstructionen unter bliicksichtigung der bleibenden formanderungen. Betonszemle, №4,5,6, 1914.

190. Kist N. Does a stress analysis based on Hook's law had to sates factory acsign. Inaugural lecture, Delft, 1917.

191. Kujala P. (1994). On the statistics of ice load on ship hull in Baltic. Acta Politechnika Scandinavika, Mechnical Engineering Series № 116, Helsinki, 1994, 98 p.

192. Lloyd's Registr of Shipping. Rules and Regulations for the Classification of Ships Part 3. Ships Structure, 1989.

193. Masterson D.M., Frederking R. (1993). Load contact pressures in ship/ice and structure/ice interactions. Cold Region Science and Technology, vol. 21, 1993, pp 169-185.

194. Prager W. Mathematical programming and theory of structures. J. Soc. Indystr. and Appl. Math., v.13, №1,1965. ' "•'

195. Proposals for the revision of the Arctic Shipping Pollution Prevention Regulations. TP 9981, Canadin Coast Guard, Ottwa, 1989, 220p.

196. Revill C.R., Ritch A. (1996). Investigation of ice load parametric dependencies derived from two icebrecer polar voyages. Materials of IACS Ad-hog Group on Polar Class Ships, Krylov Shipbuilding Research Institute, Ottawa, 22-24 May, 1996, 77 p.

197. Timco G.W., Frederking R.M.W. (1990). Drop impact tests on freshwater ice: spherical head. Proceeding of the 10th IAHR Ice.Symposium, vol.11, Espoo, Finland, Aug. 20-23, 1990, p.p.776-787.

198. Timco G.W., Frederking R.M.W. (1993). Laboratory impact tests on freshwater ice. Cold Region Science and Technology. Elsevier Science Publishers B.V., Amsterdam, Vol.22, 1993, pp.77-97.

199. Timofeev O.Y. (1998). Finite element analisis of ice belt grilages. Materials of IACS Ad-hog Group on Polar Class Ships, AARI, London, 7-13 November, 1998, 109 p.