CC BY-NC
69
DOI: 10.24937/2542-2324-2019-1-S-I-17-23 УДК 624.042.43:629.5.024.3
Е.М. Апполонов1, В.В. Платонов2, В.Н. Тряскин3
!АО «ЦКБ «Лазурит», Нижний Новгород, Россия
2ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия
3ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет», Санкт-Петербург, Россия
МЕТОДИКА НОРМИРОВАНИЯ ЛЕДОВЫХ НАГРУЗОК НА КОНСТРУКЦИИ НОСОВОЙ ОКОНЕЧНОСТИ СУДОВ С ВЕРТИКАЛЬНЫМ БОРТОМ И БУЛЬБОВЫМИ ОБВОДАМИ
Для носовых оконечностей судов ледового плавания с бульбовыми обводами корпуса на уровне ледовой грузовой ватерлинии характерны участки с вертикальным бортом, где угол наклона шпангоута очень мал или равен нулю. С другой стороны расчет параметров ледовых нагрузок по зависимостям действующих Правил Регистра для участков вертикального борта является невозможным. Для исключения этого недостатка в рамках существующей методологии обеспечения ледовой прочности Правил Регистра разработаны методика и алгоритмы определения ледовых нагрузок на конструкции вертикального борта как в районе носового бульба, так и в пределах всего носового заострения на уровне расчетной ватерлинии.
Ключевые слова: Российский морской регистр судоходства, Правила, бульбовые обводы, вертикальный борт, ледовые нагрузки.
Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2019-1-S-I-17-23 UDC 624.042.43:629.5.024.3
E.M. Appolonov1, V.V. Platonov2, V.N. Tryaskin3
'Lazurit Central Design Bureau, Nizhny Novgorod, Russia
2Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia
3St. Petersburg State Maritime Technical University, St. Petersburg, Russia
ICE LOAD ASSIGNMENT PROCEDURE FOR BOWS OF SHIPS WITH VERTICAL SIDES AND BULBOUS LINES
Bulbous bows of ice-going ships typically have vertical sides at summer loadline level, where frame angle is very small or zero. Ice loads on these vertical areas are impossible to calculate as per current RS Rules.
In view of the above, this paper suggests ice load calculation procedure and techniques (developed as per the existing methodology of RS Rules governing ice strength) for vertical sides both at bulbous bow and over the whole entrance area at design waterline level.
Keywords: Russian Maritime Register of Shipping, Rules, bulbous bow, vertical side, ice loads.
Authors declare lack of the possible conflicts of interests.
Введение
Для обеспечения хороших показателей мореходности на чистой воде носовая оконечность современных судов ледового плавания может иметь бульбовые
обводы. Действующие Правила Российского морского регистра судоходства (далее Правила Регистра) допускают такую форму носовой оконечности для ледовых категорий от 1се1 до Дге7 включительно [1].
Для цитирования: Апполонов Е.М., Платонов В.В., Тряскин В.Н. Методика нормирования ледовых нагрузок на конструкции носовой оконечности судов с вертикальным бортом и бульбовыми обводами. Труды Крыловского государственного научного центра. 2019; Специальный выпуск 1: 17-23.
For citations: Appolonov E.M., Platonov V.V., Tryaskin V.N. Ice load assignment procedure for bows of ships with vertical sides and bulbous lines. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2019; Special Edition 1: 17-23 (in Russian).
Носовая оконечность с бульбовыми обводами характерна в частности для судов, реализующих концепцию «судов двойного действия» (double action ship), то есть судов, которые в ледовых условиях могут двигаться кормой вперёд, а носовая оконечность оптимизируется для работы на чистой воде [2].
Расчетные ледовые нагрузки на конструкции ледового пояса судов ледового плавания в носовом районе корпуса действующих Правил Регистра определяются в зависимости от категории ледовых усилений, водоизмещения и параметров формы корпуса на уровне ледовой грузовой ватерлинии. Для носовых оконечностей судов с бульбовыми обводами корпуса в районе ледовой, а часто и балластной ватерлинии характерно наличие участка с вертикальным бортом, где угол наклона шпангоута очень мал или равен нулю. У неарктических судов с категорией ледовых усилений корпуса Ice1-Ice3 носовая оконечность может иметь протяженную зону с вертикальным бортом - от носового перпендикуляра до цилиндрической вставки. Расчет параметров ледовых нагрузок по зависимостям действующих Правил Регистра в этих случаях является невозможным.
Для исключения данного недостатка на основании анализа параметров ледовых нагрузок на носовую оконечность судов, полученных прямыми расчетными методами в рамках существующей методологии обеспечения ледовой прочности Правил Регистра, разработаны методика и алгоритмы определения ледовых нагрузок на конструкции вертикального борта в районе носового бульба, а также и в пределах всего носового заострения на уровне расчетной ватерлинии. Задача решена с использованием методов моделирования и аппарата планирования численного эксперимента. Разработаны практические рекомендации по определению ледовых нагрузок на конструкции носовой оконечности судов с вертикальными бортами и бульбовыми обводами, ориентированные на использование в действующих Правилах Регистра.
Теоретические основы методологии действующих Правил Регистра
В отечественном судостроении с конца 70-х годов при определении ледовых нагрузок используется гидродинамическая модель удара твердого тела о лед (ГДМ) [3]. Ледовые нагрузки при ударе наклонным бортом о кромку ледяного поля определяются из решения дифференциального уравнения движения судна в направлении удара
+ Г pdF = 0, (1)
С dZ Г
где V - скорость относительного сжатия борта судна и льдины; £ - глубина внедрения борта в лед; F -площадь зоны контакта; р - контактное давление; М - масса судна; С - коэффициент приведения массы к направлению удара. Для вытянутой зоны контакта с учетом ряда допущений получено известное аналитическое решение дифференциального уравнения (1) для параметров ледовой нагрузки, представленное в [4].
В качестве нормативных значений параметров скорости при регламентации ледовых нагрузок, принятых в действующих Правилах Регистра, используется система базовых опасных режимов движения (БОРД) [5]. Независимо от размеров судна каждой категории ледовых усилений ставится в соответствие единый уровень ледовой прочности, который определяется кривой БОРД. В качестве расчетных параметров ледовой нагрузки для района носового заострения выбираются значения контактного давления, высоты и длины зоны контакта борта со льдом, соответствующие той расчетной точки кривой БОРД, для которой реализуется максимальная погонная нагрузка. Регламентационные зависимости для параметров ледовой нагрузки, представленные в Правилах Регистра, получены на основании обобщения результатов массовых расчетов ледовых нагрузок с использованием ГДМ и совокупности расчетных режимов, определяемой кривой БОРД.
При ударе вертикальным бортом о кромку ледяного поля форма и соотношение сторон зоны контакта зависит от глубины внедрения £ борта судна в лед:
■ вытянутая в вертикальном направлении - при малой глубине внедрения (вытеснение промежуточного слоя происходит преимущественно в поперечном направлении);
■ квадратная (вытеснение промежуточного слоя одинаково в поперечном и вертикальном направлениях);
■ вытянутая в горизонтальном направлении - при большой глубине внедрения (вытеснение промежуточного слоя преимущественно в вертикальном) направлении.
В статье [6] приведена аналитическая зависимость для определения контактного давления в функции от глубины внедрения полученная из решения дифференциального уравнения движения судна в направлении удара, для случая вертикального борта в точке контакта:
p = po [1 - z• 4©]
11/7
z = 0,118 •
H
4,5 1,2
1 + ^
C
1/4
(2)
i^75 • M • R l1'75 '
р° = 0,707 • • а\2 • Н0'5 • 7°'25,
где ар = 1р (Н - параметр динамической прочности льда на раздробление; Ь = Н = 2 а - высота распределения; С = 1 (а, хИ) - коэффициент приведения массы; £ = Б^АУН2; £ - глубина внедрения.
Полученное решение (2) показывает, что в случае вертикального борта выделить в явном виде параметры, характеризующие влияние массы судна и формы корпуса на параметры ледовой нагрузки, как это сделано при решении задачи об ударе наклонным бортом [4], является невозможным. Поэтому для построения функций влияния формы корпуса и водоизмещения судна на параметры ледовой нагрузки при ударе вертикальным бортом предлагается использовать метод моделирования на основе аппарата планирования численного эксперимента [7, 8], где численным экспериментом являются результаты прямых расчетов параметров ледовой нагрузки с использованием ГДМ и кривых БОРД применительно к расчетной сетке судов с бульбовыми носовыми обводами и вертикальным бортом.
Расчет ледовых нагрузок по ГДМ для вертикального борта
В настоящее время строятся и эксплуатируются суда ледового плавания с бульбовыми обводами носовой оконечности неарктических категорий и арктической категории Лге4 Правил Регистра и суда ледового плавания, построенные в соответствие с Правилами иностранных классификационных обществ.
На основании анализа существующих судов ледового плавания неарктических и низких арктических категорий выделена следующая особенность:
■ суда арктических категорий характеризуются острой формой носового бульба и зоной вертикального борта небольшой протяженности (рис. 1а);
■ суда неарктических категорий характеризуются полной формой носового бульба и протяженной зоной вертикального борта, доходящей до цилиндрической вставки (рис. 1б).
Исходя из отмеченной особенности, для расчетов параметров ледовой нагрузки с использованием ГДМ по БОРД были составлены две расчетные сетки судов
а) б)
Рис. 1. Носовая часть проекции «корпус» судна: а) арктической категории; б) неарктической категории
3,0
| 2,5
0
1 2,0
о
tt 1,5 1,0
20
й 1S
И °
....... »
.......
Ice l]-
50 100 150
Водоизмещение, тыс. т а)
200
10 5
lXie7l
.........•
|Arc5|
.......
.......
Arc4 I
0 50 100 150 200
Водоизмещение, тыс. т б)
Рис. 2. Результаты расчета ледового давления по ГДМ для БОРД: а) неарктические категории; б) арктические категории
с бульбовыми носовыми обводами и вертикальным бортом - для неарктических и арктических категорий. Основные размерения варьировались в следующих диапазонах: длина между перпендикулярами от 90 до 300 м; ширина от 17 до 55 м; осадка от 5,5 до 19 м; водоизмещение от 5 до 195 тыс. т.
Результаты расчета ледового давления с использованием ГДМ и кривых БОРД для расчетных сеток судов представлены на рис. 2а и 2б. На осно-
вании анализа полученных результатов сделаны следующие выводы:
■ Максимальные значения погонной нагрузки всегда соответствуют сечениям с вертикальным бортом.
■ Максимальные значения погонной нагрузки всегда соответствуют 10 режиму на кривой БОРД для всех классов и водоизмещений, т.е. наименьшей скорости и самому толстому льду.
■ Высота распределения, соответствующая максимуму погонной нагрузки, получается при расчетной толщине льда для 10-го режима кривых БОРД (наименьшее значение скорости и наибольшая толщина льда).
Давление сравнительно интенсивно возрастает при увеличении водоизмещения от 5 до 40,0 тыс. т, затем увеличивается слабо (это является следствием влияния разрушения льда от изгиба).
Алгоритм разработки
рекомендаций
для определения расчетных
ледовых нагрузок
на вертикальный борт в районе
носового бульба
На основании анализа результатов расчетов параметров ледовых нагрузок для вертикального борта в рамках принятых сеток судов с использованием ГДМ и кривой БОРД разработан следующий алгоритм построения регрессионных зависимостей:
1 Кривые БОРД, являясь осредненными кривыми опасных режимов движения судов в рамках каждого класса, обладают следующими особенностями:
- кривая БОРД является огибающей кривых ледовой прочности, построенных для различных участков корпуса в районе носового заострения;
- крайняя правая точка, соответствующая минимальному значению скорости и наибольшей толщине льда (расчетный режим 10), определяется по предельной строительной прочности набора в самом носовом районе носового заострения - в районе х1Ь = 0 ч (0,05 ч 0,10);
- при переходе к районам корпуса, расположенным ближе к переходу в цилиндрическую вставку, кривые БОРД смещаются в зону меньших толщин льда и больших скоростей, что связано с изменением формы корпуса и предельной строительной прочности по длине носового заострения;
- минимальная толщина льда и наибольшая скорость движения судна соответствуют крайней левой точке (расчетный режим 1).
На первом этапе выполняется построение зависимостей ледового давления от водоизмещения судна при осредненных характеристиках параметров формы корпуса в районе носового бульба:
р(Д) = рге{ (1С) • Ср (А),
где рге[(1С) - некоторое среднее давление, являющееся параметром класса; Ср(Л)- степенная зависимость от водоизмещения А. Для арктических категорий параметры формы корпуса варьируются в следующем диапазоне:
а : 100 + 300,
аср = 20,
CJJ
yL : 0,025 + 0,075,
х/
L.
= 0,05.
ср
Для неарктических категорий в связи с протяженной зоной вертикального борта, доходящей до цилиндрической вставки, параметры формы корпуса варьируются в значительно более широком диапазоне:
0
а : 10° + 400
аср = 250
yL : 0,025 + 0,275,
L
= 0,150.
Для арктических категорий значения Vи Нпри-нимаются соответствующими 10-му режиму кривых БОРД для каждого ледового класса, поскольку участок вертикального борта располагается в самом носовом районе корпуса судна; для неарктических категорий значений V и Н задаются для 1-го и 10-го режимов БОРД, а в качестве среднего принимается 5 режим1. Расчет нагрузок выполняется в соответствии с матрицей планирования эксперимента для каждого водоизмещения из расчетных сеток арктических и неарктических судов. Определяется отклонение нагрузок от среднего значения для всех расчетных случаев. Выполняется построение регрессионных зависимостей влияния параметров формы корпуса х>(х1Ь, а) для арктических и неарктических категорий:
и [т ^ = Ь0 + Ь1 • Х + •а+ Ь11 • (Х) +
+¿22 •а2 + Ь12 • Х•а.
Выполняется построение регламентационных зависимостей в виде:
р (А) = ре (С • Ср (А) и [ Х, а
■
■
■ Построение зависимостей для высоты и длины распределения выполняются по аналогичному алгоритму.
Рекомендации по определению ледовых нагрузок на конструкции носовой оконечности судов с бульбовыми обводами
На основе обобщения полученных результатов сформулированы следующие рекомендации по определению параметров ледовых нагрузок на участки вертикального борта судов ледового плавания, ориентированные на использование в требованиях Правил РМРС к усилениям судов для плавания во льдах:
■ Нормирование расчетных нагрузок на конструкции носовой оконечности судов ледового плавания с бульбовыми обводами производится с учетом формы корпуса на уровне максимальной эксплуатационной ватерлинии (ватерлинии в полном грузу) и на уровне минимальной эксплуатационной ватерлинии (балластной ватерлинии).
■ Ледовое давление определяется по следующим зависимостям для соответствующего ледового класса в сечениях с вертикальным бортом, в качестве расчетного значения выбирается сечение с наибольшим значением ледового давления:
честве расчетного значения выбирается сечение с наибольшим значением высоты2.
Icel -Ice3:
Arc4 -Arc7:
p(A) = 0,9841- pref (IC) x
/ n / A \0,0039
xu I —, a I -1-I ,
IL ) У1000)
p(A) = 0,7897 - pref (IC) x x II A 0,0614
xuI —, a I -1-
I L ) {1000
' При проектировании обшивки / балок основного набора ледового пояса при поперечной системе набора значение расчетной высоты зоны контакта не должно приниматься более расстояния между горизонтальными опорными конструкциями / расстояния между опорными сечениями шпангоутов.
Ь = ЬгеГ (1С) • иь ^ Х
Длина распределения определяется по следующим зависимостям для соответствующего ледового класса в сечениях с вертикальным бортом, в качестве расчетного значения выбирается сечение с наибольшим значением длины.
Ice1 -Ice3:
Arc4 -Arc7:
lz (A) = 0,3028 - lz-re{ (IC) x
Ч 0,3259
xuh\L, a
1000
lz (A) = 0,3373 - lz-ref (IC) x
0,2906
X II A i
'lz I ~
xulz I -X, a
1000
Высота распределения для арктических классов Arc4 - Arc7 задается равной толщине льда для 10-го режима кривых БОРД для соответствующего класса2.
Высота распределения для неарктических категорий Ice1 - Ice3 определяется по следующей зависимости для соответствующего ледового класса в сечениях с вертикальным бортом, в ка-
■ Для сечений с наклонным бортом при углах наклона более 3-5 град. параметры ледовой нагрузки определяются по зависимостям действующих Правил Регистра с новыми функциями формы, представленными в [2].
Примеры расчета
Ниже приведены результаты расчета параметров ледовой нагрузки на участки вертикального борта для существующих проектов судов ледового плавания с использованием разработанных рекомендаций.
В качестве примера неарктического судна выбран танкер типа Айашах, водоизмещением ок. 113 тыс. т, ледового класса 1се3 (рис. 3).
Результаты расчета параметров ледовой нагрузки для вертикального борта приведены в табл. 1 и на рис. 4, из которых видно, что погрешность
Рис. 3. Танкер типа Aframax, водоизмещением ок. 113 тыс. т, класс Ice3
Таблица 1. Результаты расчета нагрузок для танкера типа Агатах
Ледовый класс р, МПа БОРД р, МПа Новые зависимости 8, % Ь, м БОРД Ь, м Новые зависимости 8, % 4 м БОРД 4 м Новые зависимости 8, %
1ее1 1,99 1,95 1,91 1,30 1,27 2,16 8,99 8,69 3,33
1ее2 2,62 2,58 1,68 1,60 1,59 0,64 9,58 9,18 4,19
1ее3 3,30 3,25 1,63 1,90 1,91 -0,41 9,71 9,38 3,35
вычислений по разработанным зависимостям в сравнении с результатами прямых расчетов по БОРД для давления не превосходит 2 %, высоты распределения 2,2 %, длины распределения 4,2 %.
В качестве примера арктического судна выбран танкер типа «РН Сахалин» проекта 00211, водоизмещением ок. 5 тыс. т, ледового класса Лге4 (рис. 5).
Результаты расчета параметров ледовой нагрузки для вертикального борта приведены в табл. 2, из которой видно, что погрешность вычисления по разработанным зависимостям в сравнении с результатами прямых расчетов по БОРД для давления не превосходит 4 %, а длины распределения 9 %. На рис. 6 приведены эпюры ледового давления для районов Л, Л1 и В ледовых усилений, объединяющие как участки наклонного так и вертикального бортов.
Заключение
На основе выполненного теоретического исследования и расчетного анализа:
■ Разработан алгоритм определения расчетных ледовых нагрузок на вертикальный борт в районе носового бульба судов ледового плавания ледовых классов 1ее1-1ее3 и Лге4-Лге7.
■ Построена система регламентационных зави-Рис. 5. Танкер «РН Сахалин», водоизмещением симостей для определения расчетных ледовых ок. 5 тыс. т, класс Агс4 нагрузок на вертикальный борт в районе носо-
Таблица 2. Результаты расчета нагрузок для танкера типа «РН Сахалин»
Ледовый класс р, МПа БОРД р, МПа, Новые зависимости 8, % 4 м БОРД 4 м, Новые зависимости 8, %
Лге4 3,86 3,71 3,88 3,15 2,92 7,16
Лге5 6,09 5,87 3,63 3,16 2,91 8,02
Лге6 10,46 10,39 0,71 3,09 2,81 9,00
Лге7 15,88 16,22 -2,13 2,98 2,70 9,44
— 1се1,районА ■ 1се2, район А _ ♦ 1сеЗ, район А 1се2, район В
/ * я
• У
.'*' У У
„«-" . - *
; .V -------
-^-----10
0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,0 х!Ь
Рис. 4. Результаты расчета ледового давления для танкера типа Агатах
вого бульба судов ледового плавания ледовых классов Ice1-Ice3 и Arc4-Arc7.
■ Разработаны рекомендации по определению ледовых нагрузок на конструкции носовой оконечности судов с бульбовыми обводами, ориентированные на использование в Правилах Регистра.
■ Результаты работы рассмотрены на секция «Прочность и конструкция корпусов морских судов и плавучих сооружений» НТС РС.
Библиографический список
1. Правила классификации и постройки морских судов, Часть II, Корпус, Российский морской Регистр судоходства, 2019 г.
2. Александров АВ., Платонов ВВ., Тряскин В.Н. Разработка Проекта требований Правил РМРС к конструкции ледовых усилений корпуса судов, предназначенных для эксплуатации кормой вперед // Научно-технический сборник Российского морского регистра судоходства, № 52/53, 2018, с. 47-56.
3. Курдюмов В.А., Хейсин Д.Е. Гидродинамическая модель удара твёрдого тела о лед // Прикладная механика, Киев, 1976, Ч. XII, Вып. 10, с. 103-109.
4. Курдюмов В А., Тряскин В.Н., Хейсин ДЕ. Определение ледовой нагрузки и оценка ледовой прочности корпусов транспортных судов // Труды ЛКИ: Ледо-проходимость и ледовая прочность морских судов, Л., 1979, с. 3-12.
5. Апполонов Е.М. Ледовая прочность судов, предназначенных для круглогодичной арктической навигации. СПб.: Изд-во СПбГМТУ, 2016, 288 с.
6. Курдюмов В.А., Хейсин Д.Е. Определение нагрузок при ударе судна вертикальным бортом о кромку ледяного поля // Научно-технический сборник / Регистр СССР, Л: Транспорт, 1984, Вып. 14, с. 3-10.
7. Тряскин В.Н. Применение теории планирования эксперимента при проектировании конструкций корпуса судна. // Проблемы проектирования корпусных конструкций: Сб.науч. тр./ ЛКИ. Л., 1987. с. 26-35.
8. Тряскин В.Н. Методология автоматизированного проектирования конструкций корпуса судна. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Раздел 3.2. Применение аппарата планирования эксперимента при автоматизирован
- Агс4, район А Агс5, район А ■ Агс4, район AI Агс5,районА1 -Агс4,районВ Агс5, район В
I
L--------'
\-V-- -—
Р=о св 6 К
4 к
~ hrl
tgrr s
lo
0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00
x/L а)
25
♦ Агсб, район А ■ Агс7,районА
Агсб, р айонВ -■— Агс7, район В ________-»■•'" 1м]
ß=0
■ 7i ...» г*1"--- —- —♦
к- 1......... , " 1 — -*-
20
15 s
0
0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00
х/Ь б)
Рис. 6. Результаты расчета ледового давления для танкера типа «РН Сахалин»
ном проектировании конструкций корпуса судна, 2007, с. 143-179.
Сведения об авторах
Апполонов Евгений Михайлович, д.т.н., генеральный директор АО «ЦКБ «Лазурит». Адрес: 603951, Россия, г. Нижний Новгород, ул. Свободы, 57, телефон: +7 (831) 273-84-00, e-mail: [email protected]. Платонов Виктор Викторович, к.ф.-м.н., начальник сектора ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, г. Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44, телефон: +7 (812) 415-45-73, e-mail: [email protected].
Тряскин Владимир Николаевич, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой конструкции и технической эксплуатации судов ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет». Адрес: 190121, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, 3, телефон: +7 (812) 714-09-54, e-mail: [email protected].
Поступила / Received: 13.02.19 Принята в печать / Accepted: 09.04.19 © Коллектив авторов, 2019
