CC BY
10ние (и массу) центропланного участка основного лонжерона. В частности для
[0] = 0,54-Ooj получается Ттш=19,0 лет.
Для обеспечения достаточного срока службы конструкций экраноплана с целью получения высокой эффективности в любом случае необходимо, как и предусмотрено «Временными Правилами...», в процессе проектирования и постройки изготавливать и испытывать на переменное нагружение (программные испытания) дублирующие конструкции этого соединения и других высоконагруженных узлов.
В процессе эксплуатации наблюдение за состоянием корпусных конструкций должно производиться Речным Регистром посредством ежегодных и внеочередных освидетельствований.
Список литературы
[1] Временные Правила классификации и постройки экранопланов. - Бюллетень № 2 дополнений и изменений Правил Российского Речного Регистра. - М.: Изд-во МАИ, 2004. - 80 е.: ил.
[2] Зиганченко П.П., Кузовенков Б.П., Тарасов И.К. Суда на подводных крыльях. Конструирование и прочность. - Л.: Судостроение, 1981. - 312 с.
[3] Савицкий B.F.. «Повышение долговечности конструкций судов на подводных крыльях». Автореферат кандидатской диссертации. - Горький, 1980.
[4] Прочность корабля: Учебник / В. М. Волков. - Н. Новгород: Н1ТУ, 1994. - 260 е.: ил.
[5] Петинов C.B. Основы инженерных расчётов усталости судовых конструкций. - Л.: Судостроение, 1990. - 224 е.: ил.
THE RESEARCH OF OPERATING SERVICE LIFE OF THE MAIN PICK UP POINT OF THE WING WITH THE HULL OF THE PASSENGER EKRANOPLAN "VOLGA-2" TYPE S. V. Sozinov
Because of creation of the passenger vessels, using the dynamic air cushion for movement, a serious question came up in connection with the hull structure s mass minimization. Therefore it's necessary to carry• out such research for the most stressed structure of ekranoplan, basing on the experimental data of its loading.
УДК 629.12:539.4
Т. А. Кузнецова, аспирант, ВГАВТ. 603600, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.
ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЕМКОСТИ КОНСТРУКТИВНОЙ ЗАЩИТЫ СУДОВ ПРИ СТОЛКНОВЕНИИ
Рассмотрены варианты повышения энергоемкости конструктивной защиты судна в случае столкновения
В настоящее время в связи с ростом потребностей мирового сообщества в добыче и переработке нефти повышаются потребности в новых танкерах и интенсивность их эксплуатации. Это вызывает необходимость уделения особого внимания к безопасности эксплуатации. Столкновение танкера с другим судном может привести к пробоине борта в районе грузового танка и выливу нефтепродуктов в море. При значительной глубине пробоины возможен перелом корпуса танкера, что приведет к крупномасштабной экологической катастрофе.
Областью данного исследования является разработка конструктивных мероприятий, направленных на повышение защищенности корпуса танкера в случае тарана его другим судном. Основной целью при разработке таких мероприятий является повышение энергопоглощающей способности конструкций корпуса в районе грузовых танков. Для предотвращения получения опасной пробоины в грузовом танке энергоемкость корпусных конструкций, подвергшихся разрушению, должна быть не менее кинетической энергии удара при столкновении.
Начало изучения проблемы повышения защиты корпусов судов при столкновении возникло при строительстве атомных судов, последствия столкновения с которыми представляют особую опасность. В частности, в Центральном Научно-исследовательском Институте им. акад. А. Н. Крылова с 1969 г. Ю. Ф. Леппом и М. В. Филип-пео проводились теоретические и экспериментальные исследования применительно к этому типу судов. Были установлены основные закономерности деформирования и разрушения конструкций бортового отсека судна, и предложен ряд конструктивных мероприятий, направленных на повышение эффективности защиты отсека с атомной энергетической установкой. Закономерности разрушения и теоретические зависимости для расчета энергопоглощающей способности, установленные в данном исследовании, применимы и к бортовым конструкциям других типов судов, в том числе танкеров [3, 4, 5, 6]. В дальнейшем данная методика была доработана с учетом ряда дополнительных факторов [2].
Опубликованная информация о зарубежных расчетных методах конструктивной защиты недостаточна для практического применения.
Рекомендации по повышению эффективности бортовой защиты танкеров заключаются в увеличении объема металла корпуса, включенного в процесс деформирования. В настоящее время наиболее известным способом для этого является увеличение размеров продольных связей корпуса (стрингеров, обшивки наружного и внутреннего бортов, настила и продольных ребер палуб и платформ), установка дополнительных платформ, либо применение специальных «сотовых» конструкций, обладающих повышенной ударостойкостью, но существенно усложняющих и удорожающих постройку судна. Основной недостаток перечисленных способов заключается в повышении массы корпуса и, соответственно, стоимости постройки.
Эти способы могут находить применение при проектировании морских танкеров, но являются мало приемлемыми для танкеров внутреннего и смешанного плавания, заходящих во внутренние водные пути. Имеющиеся ограничения по осадке на внутренних водных путях не позволяют увеличить массу корпуса, поскольку эю привело бы к необходимости снижения грузоподъемности танкера. Таким образом, для танкеров смешанного и внутреннего плавания актуальной является разработка мероприятий, позволяющих повысить энергоемкость конструкции без существенного вложения дополнительного металла, за счет усовершенствования конструкции. Усовершенствование должно быть направлено на расширение зоны деформирования и включение таким образом в деформирование большего объема металла.
С этой целью нами были проведены теоретические исследования энергоемкости различных вариантов конструкций бортовых отсеков танкера.
При расчете энергоемкости был рассмотрен центральный таран танкера (т. е. под прямым углом в районе средней части, в середину грузового отсека, причем танкер считается неподвижным), как наиболее опасный случай столкновения. Совместное движение судов описывается уравнениями [1]:
л*1 - ускорение таранимого судна;
mi - масса таранимого судна;
ij - ускорение таранящего судна:
т2 - масса таранящего судна;
Р(х) - сила столкновения судов;
F(x) - сила сопротивления воды движению судов;
Я - коэффициент присоединенных масс.
Неизвестная сила столкновения Р(х) определяется жесткостью бортовой защиты танкера и зависит от конструкции бортовых отсеков и размеров связей таранимого судна. Интегрируя значение этой силы по глубине пробоины, получаем энергоемкость бортовой конструкции.
Решение уравнений (1) и расчет усилия Р(х) выполняется по разработанной программе для ЭВМ.
Методика расчета усилия Р(х) базируется на данных экспериментов, проведенных Ю. Ф. Леппом, где показано, что основная доля энергии при разрушении отсека поглощается за счет деформаций растяжения в глубокой пластической стадии. Поэтому, согласно [3], деформирование бортового перекрытия может быть представлено как растяжение гибкой нити, лежащей на жестко-пластическом основании, образованном шпангоутами.
Представление шпангоутов в виде жестко-пластического основания является упрощенным для удобства выполнения расчетов вручную. Кроме того, в этом случае не учитывается изменение зоны деформирования по длине отсека в зависимости от глубины внедрения форштевня.
Расчетная схема, используемая в настоящей работе в расчете на ЭВМ. позволяет учесть дискретно реакцию каждого шпангоута и проследить процесс распространения зоны деформирования от шпации к шпации.
Расчетная схема палубного перекрытия представлена, в случае продольной системы, как череда последовательно формирующихся на продольных ребрах и разрывающихся складок - гибких нитей, причем по длине отсека зона деформирования палубы лежит в одной рамной шпации. При поперечной системе набора образуется складка, разрывающаяся гораздо быстрее по сравнению с продольной системой набора, т. к. зона ее деформирования лежит в пределах холостой шпации. После разрыва складки дальнейшая работа палубного перекрытия происходит за счет раздира настила с постоянным усилием, меньшим по сравнению с усилием от деформирования складок. Величина усилия зависит от толщины настила и коэффициента, определяемого экспериментально [2]. Поэтому поперечная система набора палубы признана менее эффективной с точки зрения энергопоглощающей способности при столкновении судов. Энергоемкость поперечной системы набора примерно втрое меньше [3].
Для определения конструктивных мероприятий, позволяющих в наибольшей степени повысить энергоемкость бортового отсека при минимальном увеличении массы, нами были проведены расчеты энергоемкости конструктивной защиты танкеров с различной конструкцией бортовых отсеков. Критерием для оценки эффективности того или иного конструктивного мероприятия являлась относительная энергоемкость бортовой конструкции до образования опасной трещины в грузовом танке. Относительная энергоемкость определялась как отношение абсолютной энергоемкости конструкции к массе конструкции. При этом в массу конструкции включалась масса наружного и внутреннего бортов, и масса палубы на протяжении 4 м по ширине отсека от деформируемого наружного борта. Днище в расчете не учитывалось, т. к. при наклоне форштевня таранящего судна к борту таранимого, оно остается практически незатронутым. В расчете принимается форштевень наклонным к вертикали на угол 30°.
Для сопоставления использовались значения относительной энергоемкости различных вариантов конструкции при критическом значении внедрения форштевня.
Причиной нарушения герметичности трюма является трещина, появляющаяся при разрыве складки, образованной при смятии палубной пластины, лежащей между вторым бортом и первой продольной балкой палубы над грузовым трюмом. Критерием разрыва служит величина относительного удлинения деформируемого материала при разрыве. Таким же образом фиксируется поэтапный разрыв образующихся палубных складок и бортового перекрытия.
Сопоставление различных вариантов конструкций выполнено применительно к конструкции танкера типа «Волгонефть» пр. 1577. Поперечное сечение судна представлено на рис. 1. Наружный борт судна имеет поперечную систему набора, палуба -продольную. Второй борт набран по продольной системе из гофрированного листа. Расстояние между двойными бортами 1.65 м. Шпация - 0.66 м, рамная шпация 1.98 м. Кроме того, рассмотрены следующие варианты конструкций: с увеличенной шпацией по наружному и внутреннему бортам; с увеличенной шпацией по палубе; с продольной системой набора по наружному борту; с утолщенной обшивкой наружного борта; с увеличенным расстоянием между двойными бортами; с наклонным участком второго борта; объединенные варианты - с увеличенной шпацией по бортам и палубе, и с увеличенной шпацией по бортам и палубе и наклонным вторым бортом.
Результаты расчета представлены в таблице.
Для исходного варианта разрыв наружного борта начинается при глубине внедрения форштевня 0.53 м, когда зона деформирования лежит в одной рамной шпации. Разрывы внутреннего борта и пластины палубы, лежащей внутри трюма, происходят одновременно при глубине внедрения 2.18 м. Относительная энергоемкость конструкции в этот момент составила 375 кДж/т.
Учитывая то, что, вследствие малой зоны деформирования наружного борта относительное удлинение материала обшивки достигает критического значения при небольшой глубине внедрения форштевня, целесообразно увеличение зоны начального этапа деформирования путем увеличения рамной шпации. Поэтому во втором варианте конструкции рамная шпация была увеличена с 1.98 м до 3.6 м. При этом ориентировочно учитывались требования Правил Российского Морского Регистра, согласно которым максимально возможная рамная шпация должна составлять не более 5 нормальных шпаций и по длине не превышать 3.6 м. Нормальная шпация в этом случае составила 0.72 м, что не более допустимой шпации для судна такой длины, как «Волгонефть» (128.6 м). Такая рамная шпация была принята по наружному и внутреннему
бортам, а по палубе оставлена прежняя (1.98 м). Соответственно были увеличены размеры рамных шпангоутов и продольных гофр. Тем не менее, глубина пробоины осталась прежней, т. к. разрушение началось с разрыва палубной пластины в трюме. Разрыв пластины приведет к тому, что трещина быстро перейдет на внутренний борт, поэтому такое разрушение считается опасным. Кроме того, при разрыве настила и трении металла форштевня о металл настила может возникнуть искра, что вызовет воспламенение нефтепродуктов. Снижение относительной энергоемкости внутренне-го борта объясняется уменьшением его жесткости вследствие более редкой расстановки шпангоутов. Вследствие этого уменьшается сумма реакций шпангоутов, и, соответственно, величина воспринимаемого бортом усилия. Относительная энергоемкость отсека составила 380 кДж/т.
Сопоставление продольной и поперечной (исходной) систем набора показывает, что их эффективность при столкновении судов примерно одинакова. Увеличение площади поперечного сечения продольных связей при продольной системе, т. е. увеличение площади поперечного сечения гибкой нити, не дает ожидаемого увеличения энергоемкости вследствие того, что уменьшается сумма реакций от шпангоутов. Разрывы бортов и палубы начинаются при тех же значениях внедрения форштевня, что и при исходной конструкции. Тем не менее, относительная энергоемкость несколько возросла и составила 383 кДж/т.
7*аблица
Элемент конструкции Характеристика Вариант конструкции
Исходная конструкция Увеличенная шпация по бортам Продольная система набора Утолщенный наружный борт Увеличенное расстояние между бимсами
Бортовой отсек в целом Масса, т 25.25 25.61 25.46 26.33 26.86
Энергоемкость, кДж 9477 9730 9757 10691 11504
Относительная энергоемкость. кДж/т 375 380 383 406 428
Палуба Масса, т 11.01 11.26 11.01 11.01 12.62
Энергоемкость, кДж 2426 2437 2430 2426 4423
Относительная энергоемкость, кДж/т 220 216 221 220 350
Наружный борт Масса, т 8.13 8.21 8.34 9.21 8.13
Энергоемкость, кДж 6783 7143 7055 7992 6807
Относительная энергоемкость, кДж/т 834 870 846 868 837
Второй борт Масса, т 6.11 6.14 6.11 6.11 6.11
Энергоемкость, кДж 269 150 273 270 274
Относительная энергоемкость. кДж/т 44 24 45 44 45
Глубина оп асной пробоины, м 2.18 2.18 2.18 2.18 2.18
продолжение табл.
Вариант конструкции
Элемент Расстояние Увеличенная Увеличенная
конструк- Характеристика между двой- Наклонный шпация по шпация, на-
ции ными бортами 2.2 м второй борт бортам и палубе клонный второй борт
1 2 3 4 5 6
Масса, т 25.07 25.28 27.45 27.45
Бортовой отсек в целом Энергоемкость, кДж 14037 14602 16384 23688
Относительная
энергоемкость, кДж/т 560 578 597 863
Масса, т 10.83 10.83 13.1 12.87
Палуба Энергоемкость, кДж 3280 3286 5395 7233
Относительная
энергоемкость, кДж/т 303 303 412 562
Масса, т 8.13 8.13 8.21 8.21
Наружный Энергоемкость, кДж 10487 10495 10115 14652
борт Относительная
энергоемкость, кДж/т 1290 1291 1232 1785
Масса, т 6.11 6.23 6.14 6.37
Второй Энергоемкость, кДж 269 821 873 1803
борт Относительная
энергоемкость, кДж/т 44 132 142 283
Глубина опасной пробоины, м 2.73 2.73 2.61 3.16
Мероприятия по увеличению толщины бортовой обшивки являются одними из основных в существующей судостроительной практике при проектировании конструктивной защиты судна при столкновении. Утолщение наружного борта целесообразно в районе ширстрека, т. к. именно эта область более всего участвует в деформировании. Для сопоставления с исходной был выполнен расчет конструкции с ширст-рехом, утолщенным до 12 мм (в исходной конструкции 10 мм), и средним поясом обшивки, утолщенным до 10 мм (в исходной конструкции 8 мм). Расчет показал определенную эффективность этого мероприятия, т. к. энергоемкость конструкции увеличилась до 406 кДж/т.
С целью увеличения объема металла палубы, участвующего в деформировании, было выполнено увеличение расстояния между бимсами. Расстояние между рамными бимсами по сравнению с исходной конструкцией было увеличено в 2 раза, что соответственно в 2 раза увеличило зону деформирования настила и продольных ребер. Размеры холостых и рамных связей палубы также были изменены. Помимо расширения зоны деформирования, подобное мероприятие приводит к более позднему разрыву формирующихся складок палубного настила. В данном случае, поскольку шпация по бортам была исходной, разрушение трюма началось с разрывов во втором борту при прежней глубине пробоины (2.18 м). Тем не менее, суммарная относительная энергоемкость оказалась выше, чем в предыдущих случаях, и составила 428 кДж/т.
При увеличении расстояния между двойными бортами с 1.65 м до 2.2 м площадь палубы, участвующая в деформировании, расширяется на одну продольную шпацию. Также в деформирование включается большая по высоте часть наружного борта, что приводит к существенному возрастанию энергоемкости наружного борта. Суммарная относительная энергоемкость конструкции при этом увеличилась до 560 кДж/т.
В варианте с наклонным участком второго борта расстояние между двойными бортами остается как в исходной конструкции - 1.65 м. При этом данная конструкция обладает преимуществами варианта с увеличенным расстоянием между двойными бортами до 2.2 м, и позволяет устранить его недостаток - уменьшение объема грузового трюма при сохранении ширины судна. Высота наклонного участка составляет 0.95 м, угол наклона соответствует углу наклона таранящего форштевня. При этом площадь деформируемого участка палубы по ширине остается той же, как в варианте с увеличенным межбортовым расстоянием, при той же глубине пробоины. Наклон второго борта дополнительно позволяет увеличить объем металла, участвующего в деформировании и придать большие прогибы вертикальному участку второго борта, что существенно повышает его вклад в общую энергоемкость. Относительная энергоемкость данной конструкции составила 578 кДж/т.
Совместное увеличение рамных шпаций по бортам и палубе позволило избежать раннего разрыва бортовых конструкций, и существенно увеличить допустимую глубину внедрения форштевня. При этом увеличился и вклад второго борта в общую энергоемкость вследствие расширения его зоны деформирования по длине отсека. Относительная энергоемкость конструкции составила 597 кДж/т.
Поперечное сечение варианта конструкции, имеющей увеличенную рамную шпацию по бортам и палубе и наклонный участок второго борта, показано на рис. 2.
Холосто« ипамго»т
Ра-ный ЫПО^О^Т
1г»«ом
550.55»,550.550.
ним пп
Рис 2. Схема конструктивного мидель-шпангоута танкера с увеличенной шпацией и наклонным участком второго борга
Такая конструкция сочетает в себе преимущества обоих предыдущих вариантов. В данном случае максимально возрастает допустимая глубина пробоины. Относительная энергоемкость отсека увеличивается до 863 кДж/т, т. е. в 2.3 раза по сравнению с исходной конструкцией при увеличении массы конструкции на 8.7%. Данный вариант конструкции оказался наиболее эффективным из рассмотренных.
Список литературы
[1] Кузнецова Т.А. Определение скорости таранящего судна при столкновении с другим судном // Тезисы докладов IX нижегородской сессии молодых ученых. Технические науки. - Н. Новгород: 2004.-С. 60-61.
[2] Нестеров А.Б. Исследование эффективности конструктивной бортовой защиты при аварийном столкновении судов// Вопросы судостроения. Сер. Проектирование судов. - ЦНИИ «Рубин». - Л.: 1984. - Вып. 40. - С. 46-52.
[3] Лепп Ю.Ф. Танкеры, не загрязняющие море при катастрофах. / В сб.: Человек, море, техника.-Л.: Судостроение, 1982.
[4] Лепп Ю.Ф. Учет энергопоглощающей способности борта крупнотоннажных танкеров при столкновении // Вопросы судостроения. Сер. Проектирование судов. - ЦНИИ «Рубин». - Л.: 1978.-Вып. 17. - С. 115-120.
[5] Лепп Ю.Ф. Оценка энергоемкости бортовых конструкций танкеров при столкновениях // Судостроение. - 1978. - Ха 8. - С. 6-9.
[6] Лепп Ю.Ф. Оценка защищенности грузовых помещений судов от повреждений при столкновениях // Судостроение. - 1980. - Ха 5. - С. 10-13.
A STUDY OF METHODS FOR INCREASING THE SAFETY OF SHIP'S STRUCTURE DUE TO COLLISIONS
T. A. Kuznetsova
The aim of the present study is to evaluate energy absorption capacity of different ships' structures due to collision and to choice the most effective structure
УДК 502:531.001.57
Е. Ю. Чебан, аспирант. ВГАВТ.
603600. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5.
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБТЕКАНИЯ НЕФТЕСБОРНОГО БОНОВОГО ОГРАЖДЕНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА «РЕО\УУ18ЮМ>
Экспериментальное определение эксплуатационных характеристик боновых ограждений и нефтесборных устройств, применяемых при локализации и ликвидации аварийных разливов нефти, является крайне сложной задачей. Экологическая опасность и сложность гидродинамических процессов препятствуют проведению натурных и модельных экспериментов. Альтернативным способом может быть применение численного моделирования с помощью С/Т? - программ. В данной работе изложены основные положения и особенности моделирования обтекания бонового ограждения оснащенного нефтесборным устройством с помощью программы «Р1опУ15и>п».
Обзор литературы
Боновые ограждения применяют для локализации и ликвидации разливов нефти на водной поверхности. Основной проблемой их применения, является так называемый «проскок» или «унос» нефти под боновое ограждение, возникающий при совместном действии течения, свойств нефти и нефтепродуктов, объема разлива и эксплуатационных характеристик оборудования. Идентифицированы три модели проскока для барьеров сдерживающих нефтяное пятно. Это капельный сквозной проскок, дренажный проскок и критическое накопление. Сквозной проскок возникает, когда существует достаточно высокая относительная скорость. Капли отрываются от поверхности раздела и если не существует достаточного времени для сил плавучести поднять капли обратно к поверхности пятна, они могут уйти под барьер. В случае дре-
