CC BY
91
Электронное периодическое издание «Вестник Дальневосточного государственного технического университета» 2010 год № 3 (5)
05.00.00 Технические науки
УДК 629.5.015.4
С.В.Каленчук, В.А.Кулеш
Каленчук Сергей Всеволодович - канд. техн. наук, доцент кафедры конструкции судов ДВГТУ. E-mail: [email protected]
Кулеш Виктор Анатольевич - д-р техн. наук, профессор кафедры конструкции судов ДВГТУ. E-mail: [email protected]
ЛЕДОВАЯ ПРОЧНОСТЬ КОРПУСОВ МОРСКИХ СУДОВ: ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ, ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ
Рассмотрены основные этапы становления и развития отечественной практики нормирования прочности корпусов судов, плавающих во льдах. Рассмотрены методы определения расчетных ледовых нагрузок и критерии прочности, указанные в Правилах Российского морского регистра судоходства. Показана актуальность разработки методики анализа предельной прочности корпусов судов на действие ледовой нагрузки локальной формы и рассмотрены ее теоретические основы и отдельные практические аспекты. Продемонстрированы ее преимущества и возможности применения.
Ключевые слова: ледовые нагрузки, нормирование прочности, теория предельного равновесия, методика анализа, экспертиза конструкций.
Sergey V. Kalenchuk, Victor A. Kulesh ICE STRENGTH OF SEA-GOING SHIP HULLS:
STAGES OF DEVELOPMENT, PROBLEMS, PERSPECTIVES
The present paper considers the basic stages of formation and development of Russian practice of strength standardization for ice-going ship hulls. Methods of defining ice loads and strength assessment criteria that are included in Russian Marine Register Rules are specified. The urgency of development of evaluation methods of the hull ultimate strength against localized ice loads is shown. We also cover the theoretical basis and certain practicalities of the methods described. Its advantages and application possibility are shown.
Key words: ice loads, strength standardization, Coulomb's wedge theory, evaluation method, examination of constructions.
Проблема нормирования ледовой прочности корпусов судов возникла в отечественном судостроении в конце XIX в. в связи со строительством мощнейшего в мире в то время ледокола «Ермак». Следует отметить роль профессора Д.И.Менделеева и адмирала С.О.Макарова, которые были инициаторами постройки, а также акад. А.Н.Крылова, заведовавшего опытовым бассейном и принявшего активное участие в совершенствовании носовых обводов ледокола. Опыт проектирования судов подобного класса в тот период практически отсутствовал, поэтому неудивительно, что, несмотря на энциклопедические знания С.О.Макарова, разработавшего технические условия на постройку, прочность корпуса ледокола оказалась недостаточной для покорения полярных льдов. Это ни в коей мере не умаляет заслуг прославленного адмирала, а лишь подчеркивает сложность вставшей перед судостроителями проблемы.
Более остро эта проблема обозначилась в 30-х гг. прошлого века в связи с началом освоения Северного морского пути (СМП) и интенсивным строительством судов ледового плавания и ледоколов. В 30-х-50-х гг., благодаря работам В.В.Давыдова, Н.А.Заботкина, А.И.Маслова, Л.М.Ногида, Ю.М.Шиманского и других, начал формироваться теоретический принцип описания силового взаимодействия корпуса судна со льдом. Для использования в нормативной практике тех лет он был малопригоден, поэтому Правила классификации и постройки морских судов (далее Правила) Регистра (РС) 1956 г. основывались на методе «условных измерителей ледовых качеств судов» академика Ю.А.Шиманского [11]. Благодаря ему стало возможно сопоставлять прочность судов с учетом опыта их эксплуатации, не оперируя в явном виде параметрами ледовых нагрузок. С позиции современных подходов Правила занижали длину носового района ледовых усилений и требовали избыточных толщин наружной обшивки при недостаточной прочности набора.
Большой вклад в развитие науки о ледовой прочности внесли в тот период сотрудники лаборатории ледовых качеств судов Арктического и антарктического научно-исследовательского института (ААНИИ) Д.Е.Хейсин, В.И.Каштелян, В.А.Лихоманов, Ю.М.Попов, А.Я.Рывлин, О.В.Фадеев и др.
Начиная с 1963 г., ААНИИ ежегодно проводил натурные тензометриче-ские испытания прочности корпусов судов и ледоколов разных серий, в результате которых были получены ценные данные о величинах напряжений, возникающих в бортовом наборе и наружной обшивке. Эта информация позволила судить о форме и размерах зоны контакта, характере приложения ледовых нагрузок и оценить значения некоторых физико-механических характеристик льда.
К середине 60-х гг. в результате работ ученых и специалистов ААНИИ сложилась достаточно стройная методология теоретического определения ледовых нагрузок [8], которую можно назвать методологией Попова-Хейсина. Ее основу составили модель внецентренного удара корпуса судна о плавающую льдину, наиболее полно разработанная Ю.М.Поповым, и модель местного смятия кромки льда при ударе твердого тела о лед, предложенная Д.Е.Хейсиным. Согласно этой модели, давление льда не может превышать предел прочности последнего на местное смятие (раздробление).
Для определения нагрузки на бортовой набор давление принималось равным пределу местного смятия и распределенным по некоторой зоне контакта, размеры которой зависели от глубины внедрения борта в лед, конфигурации кромки льдины и геометрии корпуса. Нагрузки на обшивку определялись в рамках метода «условных измерителей».
На основании этой методологии ААНИИ в 1964 г. разработал «Требования к классификации и постройке судов ледового плавания и ледоколов», многие положения которых были использованы в Правилах РС, изданных в 60-70-х гг. для регламентации величин ледовых нагрузок на корпуса судов высоких ледовых категорий (Л1 и выше). Толщины и размеры листов наружной обшивки и бортового набора назначались по критерию фибровой текучести (появлению пластических деформаций). Исключение составляли только относительно тонкие пластины наружной обшивки, для которых толщина назначалась в соответствии с условием возникновения пластического шарнира в опорных сечениях с учетом износа к концу срока службы.
В то же время с помощью методологии Попова-Хейсина начали решать и обратную задачу - определение допустимых режимов движения судна во льдах
при известной кривой строительной прочности корпуса, которая легла в основу процедуры составления ледовых паспортов.
В 70-х гг. в исследования под руководством Д.Е.Хейсина включились аспиранты Ленинградского кораблестроительного института В.А.Курдюмов и В.Н.Тряскин. На основе работ, связанных с изучением фактической картины разрушения льда, была разработана гидродинамическая модель (ГДМ) удара твердого тела о лед Курдюмова-Хейсина, которая описывала разрушение льда в зоне контакта как вытеснение мелкодисперсного промежуточного слоя [5]. Модель хорошо согласовывалась по некоторым параметрам с экспериментальными данными, полученными при сбросе полусферических тел на поверхность ледяного покрова, и получила признание в нашей стране и США.
На основании исследований ГДМ авторы разработали единую схему назначения ледовых нагрузок на связи бортовых перекрытий ледоколов [7]. С учетом специфики условий их эксплуатации рассматривался удар о толстое ледяное поле, не разрушаемое изгибом [6]. Такое предположение несколько завышало величину расчетных ледовых нагрузок, но значительно упрощало установление зависимости между строительной прочностью корпуса и условиями его эксплуатации во льдах. Несколько позднее аналогичную работу авторы проделали совместно с В.Н.Тряскиным [4] для судов ледового плавания. Контактные усилия, возникающие при ударе о кромку льда, для них ограничивались разрушением льда от изгиба или смятием на всю толщину.
Результаты этих работ получили отражение в Правилах РС 80-х гг., когда впервые начали регламентировать как величину ледовой нагрузки, так и высоту зоны контакта для судов всех ледовых категорий. В.Н.Тряскиным [10] были уточнены некоторые расчетные схемы, хотя сами критерии, лежащие в основе зависимостей для определения прочностных размеров конструктивных элементов корпуса, остались неизменными.
С использованием новой методологии были спроектированы и построены широко известные серии судов активного ледового плавания типа «Дмитрий Донской», «Норильск» (СА-15), «Витус Беринг» и другие, а также не имеющая аналогов в мире серия атомных ледоколов «Арктика».
На рубеже 70-х-80-х гг. наметилась тенденция на продление навигации в Арктике. Произошедшее при этом ужесточение условий эксплуатации, особенно в Восточном секторе Арктики, и увеличение скоростей проводки судов новыми мощными ледоколами привело к существенному росту повреждаемости судов. В тяжелейшую осеннюю навигацию 1983 г. затонуло судно «Нина Сагайдак» типа «Пионер» (Л1). Другое судно этого типа «Коля Мяготин» удалось спасти только благодаря самоотверженной работе экипажа и помощи экипажей других судов. Повреждения получали танкеры «Самотлор» (УЛ) и «Норильск» (УЛА) и даже самые мощные в мире дизель-электрические ледоколы типа «Ермак» (ЛЛ2). Танкеры типа «Самотлор» были вынуждены идти в порт назначения южным путем.
Большое влияние на развитие Правил в тот период оказали работы, выполненные под руководством профессора Н.В.Барабанова сотрудниками кафедры конструкции судов ДВПИ В.А.Бабцевым, В.Н.Бугаковым, В.А.Кулешом, Ю.Ф.Литвиновым, В.Т.Луценко, Г.П.Шемендюком и другими, по сбору, систематизации, обработке и анализу ледовых повреждений. Во многом благодаря этим исследованиям в Правила РС 90-х гг. были включены требования к арктическим ледовым категориям по усилению не только традиционного ледового пояса корпуса, перекрывающего по высоте район эксплуатационных осадок, но и ниже расположенных участков борта, скулы и днища.
В связи с ужесточением условий эксплуатации и ростом повреждаемости судов в Арктике назрела необходимость перехода от довольно условных расчетов по критерию фибровой текучести, приводящих к не вполне рациональному распределению материала между обшивкой и набором ледовых усилений, к расчетам, учитывающим специфику работы конструкций в пластической стадии и адекватно описывающим процесс возникновения повреждений. Такие расчеты выполнялись, как правило, с использованием методов теории предельного равновесия (ТПР), которые отличались от других методов относительной простотой и наглядностью получаемых результатов. Большой вклад в развитие и реализацию методов ТПР в области судостроения внесли профессора Л.М.Беленький (КВИМУ) и В.В.Козляков (ОИИМФ), а также их ученики.
ТПР в качестве предельного рассматривает состояние конструкции из идеального жесткопластического материала, называемое пластическим механизмом, при котором становится возможным нарастание пластических деформаций при постоянной внешней нагрузке. Возникновение пластического механизма обусловливается образованием в конструкции необходимого числа пластических шарниров (шарниров текучести), соединенных жесткими элементами. Предельная нагрузка, соответствующая образованию пластического механизма, является тем индикатором прочности конструкций, который может быть использован для сопоставления с нормативными ледовыми нагрузками Правил.
Вся методология нормирования ледовой прочности по предельному состоянию разработана в 90-х гг. сотрудниками ЦНИИ им. академика А.Н.Крылова Е.М.Апполоновым и А.Б.Нестеровым [2] и впервые включена в текст Правил РС в 1999 г.
Существенным отличием этих Правил стал переход на новую единую классификацию судов и ледоколов с одновременным увеличением количества высоких ледовых категорий, что позволило согласовать ее с международной практикой. В основу построения новой ледовой классификации авторами был положен принцип гарантии безопасности в установленных допустимых условиях плавания. В то время такой подход, ставивший на первое место прочность корпуса, был предметом оживленных дискуссий между сотрудниками ЦНИИ им. академика А.Н.Крылова и исследователями ЦНИИМФ (Л.Г.Цой и С.Б.Ка-раванов), предлагавшими единую классификацию судов и ледоколов на базе критерия ледопроходимости. Не вступая в полемику, отметим, что переход на новую классификацию позволил многие годы сосуществовать в рамках системы РС судам с новыми и старыми ледовыми категориями и поставил тем самым определенные проблемы методического характера.
Неоспоримым преимуществом Правил 1999 г. явилось то, что при описании допустимых ледовых условий использовались не качественные приближенные формулировки, а количественная регламентация для различных сроков навигации и условий эксплуатации. Это значительно облегчило заказчикам и проектантам судов выбор необходимой ледовой категории.
Переход на нормирование ледовой прочности по предельному состоянию потребовал пересмотра расчетных ледовых нагрузок. Авторы Правил 1999 г. сохранили структуру формул для определения величин нагрузки и высоты зоны контакта в соответствии с зависимостями ГДМ. Однако в целом величины этих параметров были повышены, особенно для высоты зоны контакта, по сравнению с предшествующими Правилами. Другим важным шагом стала регламентация в явном виде и третьего параметра ледовой нагрузки - длины зоны контакта, которая при заданной форме кромки льда однозначно определяется как функция высоты зоны контакта.
Следует отметить, что для построения любой методики расчета прочности на действие локальной нагрузки, какой и является ледовая нагрузка, даже трех указанных параметров недостаточно - необходимо знание формы эпюры нагрузки. В Правилах 1999 г. форма эпюры нагрузки не оговаривалась, однако анализ расчетных зависимостей свидетельствует о том, что в них подразумевалась нагрузка в форме прямоугольной призмы (рис. 1 а). Нагрузка такой формы значительно упрощает получение аналитических зависимостей, однако слабо соответствует физике рассматриваемого явления и приводит к нерациональным решениям - занижению требований к обшивке на фоне завышения требований к основному и, особенно, к рамному набору. Отметим, что решение для ГДМ при ударе корпуса о круглую в плане кромку льдины дает параболическую форму эпюры давлений (рис. 1 б), в то время как ряд проведенных за рубежом экспериментов выявил явно выраженный пиковый характер эпюры давлений (рис. 1 в). Для учета этих экспериментальных данных Е.М.Апполоновым и А.Б.Нестеровым [1] были предложены модифицированная гидродинамическая модель (МГДМ) - как компромиссное решение и перспективная модель динамического разрушения льда (МДРЛ), практическое применение которой требует проведения комплекса дополнительных экспериментальных исследований. К сожалению, авторы не довели эти теоретические работы до логического завершения, а практический учет локальности нагружения был выполнен ими только в отношении рамных связей бортовых конструкций путем введения в расчет-
Рис. 1. Формы эпюр ледовых нагрузок: a) прямоугольная (Правила РС 1999 г.); б) параболическая (ГДМ); в) пиковая (эксперименты); г) трапециевидная (предложения [9])
ные зависимости понижающих коэффициентов, определенных на основании анализа канадских Правил. Данные изменения отражены в Правилах РС 2003 г.
Такое своеобразное решение проблем создало определенный методический тупик. С одной стороны, авторы признали, что форма эпюры нагрузки далека от прямоугольной, хотя оставили без изменения большую часть расчетных зависимостей, полученных на ее основании. С другой стороны, не было прямого ответа на вопрос - что это за форма, а без знания этого параметра невозможно построение любой внутренне непротиворечивой методики анализа предельной прочности бортовых перекрытий.
Для преодоления указанной ситуации Е.М.Апполоновым и А.Б.Нестеро-вым [9] в 2006 г. было предложено включить в текст Правил возможность регламентации размеров сложных пространственных конструкций на основе прямых расчетов прочности на ледовую нагрузку, форма которой представлена на рис. 1 г. Для выполнения таких расчетов они рекомендуют использовать современные программы, реализующие метод конечных элементов (МКЭ) и позволяющие рассматривать деформирование конструкций в пластической области, при этом предполагается пластинчатая идеализация конструктивных элементов.
Данное предложение, которое до сих пор не вошло в текст новых Правил, безусловно, является прогрессивным. Однако необходимо отметить следующее.
Во-первых, его авторы предлагают использовать МКЭ-расчеты только для проверки размеров рамных связей. Для наружной обшивки и балок основного набора предлагается использование все тех же зависимостей Правил, полученных для нагрузки прямоугольной формы, что существенно снижает ценность такого расчета в целом. Во-вторых, далеко не все проектные организации могут себе позволить использование в расчетной практике весьма дорогостоящих и сложных пакетов программ, основанных на МКЭ. В-третьих, Правила ориентированы на новые суда и жестко привязаны к регламентируемым ими же конструктивным требованиям. Учитывая текущее состояние судоходства и отечественного судостроения, на практике часто приходится проверять корпуса уже эксплуатируемых судов российской или иностранной постройки на соответствие ледовым категориям РС при обновлениях или реклассификациях, с разработкой проектов их подкреплений и т.п. Конструкции этих судов, а также варианты подкрепления обшивки и набора зачастую существенно отличаются от этих требований, что сильно затрудняет или делает невозможным применение Правил РС для решения многих практических задач.
Все эти факторы указывают на необходимость разработки и внедрения в нормативные документы РС более гибкой методики анализа предельной прочности корпусов судов на действие ледовой нагрузки. Методика должна учитывать локальный характер ледовой нагрузки, быть относительно простой и обеспечивать анализ прочности бортовых перекрытий любой встречающейся на практике конструкции и конфигурации.
Основы такой методики анализа предельной прочности, базирующейся на кинематическом методе ТПР, разработаны авторами статьи при активном участии студентов Кораблестроительного института ДВГТУ И.С.Сидоренко и И.В.Житникова.
Условие равновесия рассматриваемой системы в соответствии с принципом возможных перемещений записывается в виде:
34 ¿4 ,
где ^ - работа внешних сил на обобщенных перемещениях -4 в пределах зоны разрушения с уровнем-индексом -^
DL - энергия деформирования конструкции в соответствующей зоне разрушения.
В качестве обобщенных перемещений могут приниматься как собственно перемещения, так и параметры конфигурации зоны разрушения. Предполагается, что энергия деформирования накапливающаяся (поглощаемая) в пластических шарнирах, как по контуру, так и внутри зоны разрушения.
Условие (1) обеспечивает возможность получения из него выражения для предельной нагрузки, которое в общем случае может включать неизвестные параметры зоны разрушения. В таком случае нахождение предельной нагрузки требует использования процедуры минимизации при варьировании этих параметров. Предельную нагрузку можно представить в виде суммы
N
Pl =1 Pl, ,
n=1
где N - число однородных элементов конструкции, участвующих в схеме разрушения с индексом -L;
n - номер элемента;
PLn - параметр силы сопротивления группы однородных элементов на данной схеме разрушения.
При заданных параметрах зоны нагружения (обычно регламентируются Правилами) определяется величина предельного давления:
Pl = Pl/Al > где Al - параметр площади зоны нагружения.
Далее предлагается определить коэффициент запаса прочности относительно регламентируемых классификационным обществом (КО) расчетных давлений P с учетом ледовой категории, обводов и других характеристик судна:
kL = kpPL/Ppc >
где кр - коэффициент давлений, учитывающий неравномерное распределение давлений в пределах зоны контакта (эпюру).
Условие соответствия конструкции регламентируемым КО параметрам
можно представить в виде
kmin = min (k1,k2,...,kL )> 1.
При этом должны быть рассмотрены все уровни прочности -L так, чтобы верхний уровень включал в зону разрушения максимальное число однородных элементов конструкции -N.
Рассмотрим отдельные аспекты данной методики применительно к модели бортового перекрытия с поперечной системой набора, размеры и нумерация конструктивных элементов которой представлены на рис. 2 а. В общем случае
б
Рис. 2. Размеры и элементы перекрытия (а) и принципиальная схема анализа предельной прочности (б)
оно включает следующие элементы: 1 - наружная обшивка; 2 - бракеты и/или интеркостельные стрингеры; 3 - промежуточные шпангоуты; 4 - основные шпангоуты; 5 - разносящие стрингеры; 6 - несущие стрингеры; 7 - рамные шпангоуты.
Зона ледовых давлений с параметрами ар*Ьр вытянута в продольном направлении. Соответственно обозначены продольные и поперечные размеры конструкции перекрытия с индексами, упорядоченными по мере их нарастания.
Положения зоны давлений произвольны, но они должны учитывать неблагоприятные случаи с позиции прочности всех элементов.
Как отмечено ранее, вопрос выбора формы эпюры расчетной ледовой нагрузки остается наиболее сложным и дискуссионным. На данном этапе он не может быть окончательно закрыт без всестороннего анализа повреждений на реальных судах. Эпюры можно уточнять и по данным натурных испытаний, но в них сравнительно точно определяются лишь интегральные характеристики ударного импульса, далеко не однозначно связанные с эпюрой давлений. В данной методике за расчетную ледовую нагрузку принята нагрузка в форме треугольной призмы, которая в достаточной мере учитывает пиковый характер давлений и незначительно отличается от предлагаемой в работе [9] нагрузки в форме трапециевидной призмы (рис. 1 г).
Принципиальная схема анализа предельной прочности показана на рис. 2 б и разработана на данном этапе для 7 уровней, полностью описывающих встречающиеся на большинстве судов бортовые перекрытия, изолированные от внутренних конструкций. При наличии связи бортового перекрытия (через распорки) с внутренними конструкциями число уровней может возрасти до 12. Такие пространственные системы требуют дополнительного анализа, что является одним из основных направлений развития данной методики.
Первым уровнем является предельная прочность пластин наружной обшивки при достаточной прочности опорного контура. Второй уровень включает пластину, подкрепленную бракетой или интеркостельным стрингером, что встречается сравнительно редко.
Наиболее важным уровнем, как свидетельствует опыт эксплуатации и повреждений корпусов судов, является третий уровень, включающий промежуточные шпангоуты. Расчетная схема для него представлена на рис. 3 а.
Формула определения предельного давления для третьего уровня прочности имеет вид
Рз = (Р31 + Р32 + Рзз)/Аз , (1)
где А = а2Ьр (1_ 0.5Ьр / Ь) - параметр площади зоны нагружения;
mm
і=1
ґ
3к
а.
2Ь
----+ ---
V2Ь а2 J
+
Шк Шк
12а. Шік1 кл +12а.
ап
Ь
сопротивление;
кл = 0,5 + ж/8 - коэффициент учета криволинейных шарниров; а^ аF - напряжения текучести материала обшивки и набора;
W2, W3 - предельные моменты сопротивления интеркостельного стрингера и промежуточного шпангоута;
^ - толщина наружной обшивки;
^2, kZ3 - коэффициенты заделок концов соответствующих балок:
1,00 - балка жестко заделана на обоих опорах пролета;
0,75 - балка имеет жесткую и свободную опоры;
0,50 - балка имеет обе свободные опоры; к*, кш - коэффициенты соотношения прочности интеркостельного стрингера, промежуточного шпангоута и наружной обшивки.
а2 _
а б
І
і х> 1
V/ /
Рис. 3. Расчетная схема пластины, подкрепленной промежуточным шпангоутом и формы ее прогибов в предельном состоянии: а) методика; б) МКЭ [3]
Результаты сравнения расчетов по формуле (1) и по МКЭ [3] в широком диапазоне варьирования условий заделок у опор и размеров промежуточных шпангоутов и показывают хорошее совпадение (рис. 4).
Рз>
МПа
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
МЕТОДИКА >
1' ' ■ ■ ■ 1 ■ ! •
■1 Р 'М^'; ^\\ 1 ■ \\ ^\
\ А Д
./ / МКЭ
¥ / ° > /ж к \ д £ а2 = 58,4 ММ
Ь | = 4400 мм Ьр = 550 мм г... = 8.5 мм
аг 235 МПа
0
100
200
300
\У1, см
Рис. 4. Сравнение расчетов по Методике и МКЭ [3] для пластины, подкрепленной промежуточным шпангоутом
Необходимо отметить, что возможность перехода в предельное состояние пластины наружной обшивки совместно с промежуточным шпангоутом в Правилах РС даже не рассматривается.
Анализ предельной прочности на высоких уровнях связан с учетом книц, возможной сменой кинематических механизмов и соотношением длин зон разрушения и давлений. Указанные особенности учитываются коэффициентом давлений кр, который определяет соотношение эквивалентного по действию давления равномерного к давлению в вершине расчетной эпюры.
Для элементов 1, 2 и поперечных балок формула имеет простой вид:
к
1 - а;/(3аР) при а < аг
с V
/ 3 при а > аг
а
а
а
V а1 У
где а - наименьшая из возможных длин зон разрушения для данного элемента. Например, для рамного шпангоута это две рамные шпации.
Для случая системы продольных балок формула сравнительно громоздка из-за указанных особенностей. Расчеты (рис. 5) в сравнении с результатами МКЭ-анализа показывают, что с ростом длины зоны давлений аР существенным становится влияние размеров книц ак.
<
р
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
а к/а = 3
°’Ч МЕ ТОДТ 1КА
од.
°.з
0,4
Ч0,5 МКЭ
о ''о ■ - ак/а = 0,4 0,2
Ч0,7 • -
0,8 ♦ - 0,6
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,
а/а„
Рис. 5. Сравнение коэффициентов давлений, принятых в Методике для продольных балок и определенных по результатам МКЭ-анализа
На основе изложенной методики разработана компьютерная программа, практическое применение которой весьма разнообразно. Во-первых, построение кривой строительной прочности корпуса, необходимой для определения допустимых режимов движения судна во льдах, что является основой процедуры составления ледовых паспортов.
Во-вторых, определение предельной прочности корпусов судов, имеющих, с точки зрения Правил РС, нестандартную конструкцию бортовых перекрытий, и разработка необычных проектов подкреплений для получения ледовой категории. Такой проект подкрепления был разработан и согласован с РС для одного из эксплуатируемых в дальневосточном бассейне танкеров японской постройки. Выполненный с использованием Правил РС предварительный анализ на самую низкую категорию 1се1 выявил недостаточную прочность наружной обшивки и основного набора в районе форпика и цепного ящика. Традиционным решением повышения прочности в такой ситуации является установка промежуточных шпангоутов, которая в данном случае существенно затруднена стесненными условиями и криволинейными обводами носовой оконечности. Альтернативным и более технологичным решением является установка по вы-
соте ледового пояса восьми интеркостельных стрингеров с шагом 300 мм. Однако Правила РС практически не учитывают вклад интеркостельных связей в обеспечение прочности бортового набора. Прямой анализ по предлагаемой методике показал повышение прочности набора в 1,19 раза, что оказалось достаточным и позволило обосновать применимость такого подкрепления.
В-третьих, экспертиза предельной прочности корпусов судов, под которой понимается определение коэффициентов запаса предельной прочности с последующей проверкой условия (5). Она может выполняться для проектируемых судов с целью проверки правильности принятых конструкторских решений и для судов, находящихся в эксплуатации, с целью подтверждения класса РС. Пример такой экспертизы в построечном варианте приведен в таблице для двух судов разного назначения и ледовых категорий (по новой классификации РС).
Таблица
ПРИМЕРЫ ЭКСПЕРТИЗЫ ПРЕДЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ КОРПУСОВ СУДОВ
Параметры Сейнер, категория 1се 2 Ледокол, категория Icebreaker 8
№ уровня прочности 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7
Предельная нагрузка р, МПа 2,85 - 1,59 1,70 2,71 - 2,16 21 - 11,5 9,1 10,4 13,2 7,6
Коэффициент запаса р/ррс 4,7 - 2,6 2,9 4,5 - 3,6 2,1 - 1,10 0,90 1,03 1.30 0,75
Российский сейнер относится к наиболее массовым судам и соответствует своей категории. Коэффициент запаса равен 2,6 и ограничен прочностью промежуточных шпангоутов (уровень-3). Опыт показывает, что суда эксплуатируют и после 24-летнего возраста без снижения категории.
Ледокол финского проекта не соответствует указанной ледовой категории, т.к. коэффициенты запаса основных и рамных шпангоутов меньше 1 (уровни 4 и 7). Существенный запас прочности обшивки ледового пояса (уровень-1) не может предотвратить повреждений набора. Авторам статьи известно о повреждениях корпуса такого ледокола при эксплуатации и работах по подкреплению шпангоутов.
Экспертиза предельной прочности корпусов судов необходима проектным организациям, администрациям флага, судовладельцам и фрахтователям, классификационным и страховым обществам. Конечной целью экспертизы может быть дополнение к символу ледовой категории коэффициента запаса прочности при подтверждения класса РС. Например, сравнение двух судов с одинаковыми символами Arc5(2,7) и Arc5(1,2), но с разными запасами прочности, позволяет всем заинтересованным сторонам использовать эту информацию по-своему.
Подводя итоги, можно сказать, что отечественная практика нормирования ледовой прочности прошла большой и сложный путь становления и развития, оказав при этом благодаря своему высокому теоретическому уровню и накопленному опыту проектирования и эксплуатации судов и ледоколов существенное влияние на общемировые тенденции. Однако до настоящего времени многие вопросы, касающиеся как отдельных параметров ледовых нагрузок, так и расчетных моделей взаимодействия корпуса с ледяным покровом в целом остаются дискуссионными. Это же относится и к вопросам выбора и уточнения критериев и методов расчета судовых конструкций на действие локальных ледовых нагрузок. Они ждут своих исследователей.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Апполонов Е.М., Дидковский А.В., Кутейников М.А., Нестеров А.Б. Совершенствование методологии определения ледовых нагрузок // Научно-технический сборник Российского Морского Регистра Судоходства. 2002. Вып. 25. С. 83-100.
2. Апполонов Е.М., Евдосеев А.Н., Нестеров А.Б., Тимофеев О.Я. О проекте новой редакции требований Правил Российского Морского Регистра Судоходства к ледовым усилениям судов и ледоколов // Научно-технический сборник. Российского Морского Регистра Судоходства. 1996. Вып. 19. С. 49-67.
3. Каленчук С.В., Котлярова И.А. Исследование предельной прочности монотонного бортового перекрытия при взаимодействии со льдом методом конечных элементов // Молодежь и научно-технический прогресс: сб. докладов региональной науч.-техн. конф. Владивосток: ДВГТУ, 2008. С. 343-346.
4. Курдюмов В.А., Тряскин В.Н., Хейсин Д.Е. Определение ледовой прочности корпусов транспортных судов // Научно-технический сборник Регистра СССР. 1980. Вып. 9. С. 42-49.
5. Курдюмов В.А., Хейсин Д.Е. Гидродинамическая модель удара твердого тела о лед // Прикладная механика. 1976. Т. XII. № 10. С. 103-109.
6. Курдюмов В.А., Хейсин Д.Е. К определению ледовых нагрузок, действующих на корпус ледокола при ударе // Труды Ленинградского кораблестроительного института. 1974. Вып. 90. С. 95-100.
7. Курдюмов В.А., Хейсин Д.Е. Характеристики строительной и ледовой прочности конструкций ледового пояса ледоколов // Научно-технический сборник Регистра СССР. 1976. Вып. 6. С. 63-71.
8. Попов Ю.Н., Фадеев О.В., Хейсин Д.Е., Яковлев А.А. Прочность судов, плавающих во льдах. Л.: Судостроение, 1967. 223 с.
9. Разработка предложений по оптимизации и упрощению конструктивных требований, алгоритма определения расчетных ледовых нагрузок и проектирования конструкций ледовых усилений судов высших ледовых категорий по Правилам РС: науч.-техн. отчет по этапу 1 договора РС-16/2006 / руководитель Е.М.Апполонов. СПб.: ЦНИИ им. академика А.Н.Крылова, 2006. 49 с.
10. Тряскин В.Н. Исследование работы бортовых конструкций транспортных судов ледового плавания: автореф. дисс. ...канд. техн. наук. Л., 1979. 20 с.
11. Шиманский Ю.М. Условные измерители ледовых качеств судов // Труды Арктического и антарктического научно-исследовательского института. 1938. Т. 130. С. 40-47.
