CC BY
10УДК 629.5.015.4
П.П. Карпов, доцент, кандидат технических наук, Инженерная школа, ДВФУ М.В. Китаев, доцент, кандидат технических наук, Инженерная школа, ДВФУ О.Э. Суров, доцент, кандидат технических наук, Инженерная школа, ДВФУ Дальневосточный федеральный университет (ДВФУ) 690950, г. Владивосток, ул. Суханова, 8
МЕТОДЫ УМЕНЬШЕНИЯ ВОЛНОВЫХ ИЗГИБАЮЩИХ МОМЕНТОВ ПРИ ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИИ НАГРУЗКИ СУДНА
Ключевые слова: прочность, волновые изгибающие моменты, кинематические параметры, корпус судна, продольная качки, стандартные отклонения, оптимизация
В работе рассмотрен метод приема балласта и (или) загрузки судна для уменьшения волнового изгибающего момента (ВИМ) на волнении. Выполнены систематические расчеты влияния распределения загрузки судна на кинематические характеристики продольной качки (ПК) и волновые изгибающие моменты на нерегулярном волнении в нелинейной постановке. Исследования выполнены для различных форм корпуса судна. Предложен способ перераспределения балласта и (или) загрузки, уменьшающий значения волновых изгибающих моментов.
В результате исследований, проведенных в разных странах, было установлено, что многие виды бактерий, растительных и животных организмов, могут выживать в балластной воде и в осадках в балластных цистернах. Последующий сброс балластной воды или осадков в акваториях портов может привести к распространению вредных водных организмов и патогенов, нанести вред здоровью людей, животным и растениям, морской окружающей среде. Хотя существует несколько путей переноса организмов из одной географически отделенной акватории в другую, наиболее распространенным из них является сброс балласта судов.
Предпочтительным способом с точки зрения экологии является замена балласта в центральных районах океанов. Наиболее заинтересованные страны дают указания для судов, в отношении управления балластными операциями вместе с просьбой о сотрудничестве на добровольной основе в отношении применения технических методов.
Если не принять некоторых мер предосторожности, балластные операции могут повлиять на безопасность судна вследствие возникновения в его корпусе напряжений, превышающих проектные значения, или вследствие ухудшения остойчивости судна. Классификационными обществами разных стран рекомендуется, чтобы каждое судно было снабжено Руководством по безопасной замене балласта в море, в котором должны быть приведены указания по обеспечению безопасности судна.
Таким образом, для судов в эксплуатации очень часто приходится решать задачу дополнительного размещения груза или балласта с целью повышения эксплуатационных показателей, при этом мореходные и прочностные качества судна на морском волнении должны соответствовать нормативным (допускаемым) значениям.
Напряжения, возникающие в корпусе судна, определяются через суммарные изгибающие моменты (на тихой воде, волновой и динамический - ударный). В настоящее время ВИМ определяют с учетом сил различной природы, в т.ч. возникающих при продольной качке. При этом установлено, что ВИМ зависит от знака момента на тихой воде за счет влияния сил инерции при вертикальной качке: при перегибающем моменте на тихой воде ВИМ уменьшается, при прогибающем - увеличивается. Эти изменения значительны и могут достигать 20-30% от волнового момента [1, 2].
В работе [3] выполнен анализ влияние сил инерции при качке и установлено, что при определенном несимметричном распределении нагрузки масс судна по длине возможно уменьшение ВИМ за счет использования сил инерции при килевой качке без изменения посадки судна, кинематических параметров ПК и, следовательно, изгибающих моментов на тихой воде и ударного.
Указанный эффект наблюдается при любом соотношении между кажущейся частотой волн и собственной частотой килевой качки судна, так как качка всегда отстает по фазе от возмущающей силы. Сдвиг фаз изменяется от 0° до 180°, при резонансе он составляет 90° и соответствует наибольшему эффекту влияния сил инерции при килевой качке.
По результатам выполненных исследований влияния сил инерции при килевой качки на ВИМ [4] получен патент Российской Федерации на изобретение «Способ размещения грузов на судне» [5].
В настоящей работе выполнены систематические исследования с целью определения эффективного метода балластировки судна во время рейса для обеспечения прочности и надежности корпуса на морском волнении с учетом рационального приема (расходования) балласта (груза) на судне.
Исследования выполнялись численным методом с использованием программного комплекса MOTION [4]. Расчеты кинематических характеристик ПК и ВИМ судна выполнялись при скорости движения судна, соответствующей числу Фруда Fr=0.15 для нерегулярного встречного волнения, вблизи резонанса (средняя длина волны равна длине судна, высота волны с 3% обеспеченностью, как и длина волны, принимались постоянными) в нелинейной постановке задачи.
Численные эксперименты выполнены для двух корпусов судов, соответствующих U- и V-образным формам поперечных сечений (рис. 1). Главные размерения судов: L = 125 м - длина между перпендикулярами, B = 18 м - ширина, d - осадка (варианты, рис. 2),
D - водоизмещение (варианты, см. таблица 1 и рис. 2).
Рис. 1. Корпуса судов с U- и V-образными формами поперечного сечения
7500 8500
Displacement, t
- U—form section ■
- V—form section
Рис. 2. Диаграмма осадки и водоизмещения для исследуемых корпусов судов
Водоизмещение варьировалось от - порожнем, до _0=2.313£>0 - в полном грузу, как указано в табл. 1 для каждого случая загрузки.
Дополнительные массы балласта (груза) распределялись таким образом, чтобы судно не получило дополнительного дифферента:
- в первом варианте равномерно по длине судна;
- во втором варианте на 2 шп. Р1=0.15В/*5/13 и на 15 шп. Р2=0.15Дх8/13 (рис. 3).
Р2=0.15ДХ8/13
Pi=0.15A-x5/13
20 15 10 5 0
Рис. 3. Прием дополнительного балласта (груза)
В общем случае при изменении загрузки судна относительные радиусы инерции масс (ЬИ) должны изменяться. Рассмотрим изменение LRI для рассматриваемых вариантов загрузки (см. табл. 1).
В табл. 1 обозначено:
[м /м /
- Ро = 2Рх2 2Р Ь - LRI относительно миделя для всего судна при равно-
го / 1=0 / мерном варианте загрузке;
N2 /N12 /
- Р& = 2 РЪ 2Р Р - LRI носовой части судна относительно миделя;
I i=0
i=0
N / N
рж = I 2Р,х2 2Р Ь - LR[ кормовой части судна относительно миделя;
\|г=М/2 / 1=М/2 /
- Р/ - массы на шпангоутах, т;
- X/ - расстояния точек приложения масс от миделя, м;
- Ар = Лр2 - Ар; (с учетом знака);
4500
5500
6500
9500
10500
11500
- Ар; = ——- равномерная загрузка (I вариант);
Ро
- Ар2 = Pb2—Ps2 - неравномерная загрузка (II вариант).
Ро
Таблица 1
Параметры водоизмещения для вариантов загрузки
Случай загрузки Водоизмещение Dj Po I вариант загрузки II вариант загрузки AP
Pb P, Pb P,
V - form section
0 Do 0.282 0.273 0.276 - - -
1 D1=1.15D0 0.282 0.273 0.276 0.289 0.272 0.071
2 D2=1.15D, 0.282 0.274 0.276 0.289 0.272 0.067
3 D3=1.15D2 0.282 0.273 0.277 0.288 0.273 0.067
4 D4=1.15D3 0.282 0.272 0.277 0.286 0.273 0.064
5 D5=1.15D4 0.282 0.272 0.277 0.288 0.273 0.071
6 D6=1.15D5 0.282 0.272 0.278 0.287 0.274 0.067
U - form section
0 Do 0.282 0.273 0.277 - - -
1 D1=1.15D0 0.282 0.273 0.277 0.288 0.273 0.067
2 D2=1.15D1 0.282 0.273 0.277 0.288 0.273 0.067
3 D3=1.15D2 0.282 0.273 0.277 0.288 0.273 0.067
4 D4=1.15D3 0.282 0.273 0.277 0.288 0.273 0.067
5 Ds=1.15D4 0.282 0.273 0.277 0.288 0.273 0.067
6 D6=1.15D5 0.282 0.272 0.278 0.287 0.274 0.067
Из таблицы 1 следует, что при исследуемом методе приема балласта (груза) LRI остаются постоянными, а значит кинематические характеристики ПК и, следовательно, ударные изгибающие моменты для двух вариантов загрузки при заданном водоизмещении. Исключения составили отдельные случаи загрузки для V-образных форм шпангоутов (выделены), обусловленные тем, что при таких формах корпуса изменение водоизмещения судна от осадки больше (рис. 2). Для U-образных форм шпангоутов в исследуемом диапазоне изменений осадок формы поперечных сечений корпуса в носовой части остаются постоянными (вертикальные борта, рис. 1).
Результатами расчетов в программном комплексе MOTION являются кинематические характеристики ПК (перемещения, скорости, ускорения) и значения ВИМ для каждого положения судна на нерегулярном морском волнении. Характеристики формы и профиля нерегулярного волнения моделируются на основании спектральной теории волн. Пример результатов расчетов ВИМ представлен на рис. 4.
100 150 200 250 300 350 400 450 500 Tame, sec
Рис. 4. Пример результатов расчетов ВИМ
Обработка результатов расчетов производилась путем определения относительных стандартных отклонений - а'я?вм = 100стгам/^ для исследуемых вариантов загрузки с последующим их сравнением. В настоящей работе рассматривались только изменения ВИМ т.к. характеристики ПК остаются постоянными при заданном значении водоизмещения (см. выше).
Сводные данные результатов расчетов а'я?вм в зависимости от водоизмещения для двух вариантов загрузки с учетом разных форм корпусов судов представлены на рис. 5.
При анализе результатов расчетов установлено, что при равномерном распределении нагрузки (I вариант) ВИМ больше, чем при предлагаемом методе балластировки (загрузки) судна (II вариант). Указанная закономерность отмечается как для судна с V-образной, так и с и-образной формой шпангоутов. Уменьшение относительных стандартных отклонений ВИМ и, следовательно, эффективность использования сил инерции от килевой качки при способе балластировки (загрузки) согласно II варианту достигает 5-15% в зависимости от водоизмещения судна.
Displacement, t
Рис. 5. Результаты расчетов стандартов ВИМ
Для форм корпуса судна с V-образными шпангоутами значения относительных стандартных отклонений ВИМ g'wbm больше, чем для судна с U-образной формой шпангоутов. В выполненных исследованиях разница значений <j'WbM между разными
123
формами корпуса и в зависимости от водоизмещения судна составила 8-20% для двух вариантов загрузки.
Изменение кинематических характеристик ПК при переходе от V- к U-образным формам шпангоутов имеют обратную зависимость. Такая закономерность была отмечена в работе [4].
В результате выполненных расчетов было выявлено, что стандарты ВИМ в миде-левом сечении оказались меньше при U-образных шпангоутах для двух случаев загрузки. Стандарты кинематических характеристик продольной качки (перемещения, скорости, ускорения) получились больше при U-образных шпангоутах.
Предлагаемый способ балластировки (загрузки) судна позволяет уменьшить ВИМ за счет действия сил инерции от килевой качки судна. Уменьшение ВИМ будет зависеть от параметров килевой качки, а также от количества дополнительного груза и мест его размещения на судне, которые могут повлиять на величину изгибающего момента на тихой воде при не соблюдении условия равенства моментов масс грузов относительно миделя.
Выполненными теоретическими исследованиями получены формулы, позволяющие осуществлять оптимизацию весовой нагрузки за счет обоснования ее более благоприятного с точки зрения общей продольной прочности на волнении несимметричного распределения по длине. Размещаемый груз создает силы инерции при килевой качке, снижающие волновой изгибающий момент.
Эффективность от эксплуатации судна определяется увеличением грузоподъёмности до 6,5 4 15% от водоизмещения без затрат на повышение прочности корпуса. Это относится к кораблям и судам с размерениями L = 80 м и более, для которых вес дополнительно перевозимого груза достигает значений 50 + 600 т и более.
Предлагаемые варианты размещения грузов повышают безопасность эксплуатации корпусов кораблей и судов благодаря уменьшению волнового изгибающего момента действием сил инерции при килевой качке судна. В результате деградация корпусной стали или процессы развития её структурной повреждённости сдерживаются, тем самым сохраняется ресурс корпуса корабля и гражданского судна на высоком уровне при длительной эксплуатации.
Таким образом, использование для кораблей и судов в эксплуатации предлагаемого в настоящей работе способа балластировки (загрузки) позволяет повысить эксплуатационные показатели за счёт улучшения мореходных и прочностных качеств судна на морском волнении. Небольшим перераспределением посредством дополнительно принимаемого груза, в том числе и балласта, весовая нагрузка оптимизируется по волнению, а судно или корабль переводятся в оптимальный режим штормового плавания.
Список литературы:
[1] Короткин Я.И. Вопросы прочности морских транспортных судов. - Л.: Судостроение, 1965.
- 390 с.
[2] Короткин Я.И., Ростовцев Д.М., Сиверс Н.Л. Прочность корабля. - Л.: Судостроение, 1974.
- 432 с.
[3] Antonenko S., Karpov P., Surov O. (2006) «Use of Inertia Forces at Pitching for Reduction of the Wave Bending Moment», The 3rdAsia Pacific Workshop on Marine Hydrodynamics (APHydro 2006).
- China, 2006. - pp. 148-151.
[4] Surov О. Effect of project characteristics of a ship on seagoing and durability qualities: Dissertation. cand. tech. sci. - Vladivostok, 2000.
[5] Патент РФ на изобретение «Способ размещения грузов на судне», № 2231465 // Бюлл. изобр. - 2004. - № 18.
[6] Kazanov G. Improving The Storm Hydrodynamics Ship The International Conference on Marine Safety and Environment, 12-13 November 2013, Johor Bahru, Malaysia, 2014. - pp. 106-111.
METHODS FOR REDUCING THE WAVE BENDING MOMENTS IN THE REDISTRIBUTION OF SHIP LOADING
P.P. Karpov, M. V. Kitaev, O.E. Surov
Keywords: strength, wave bending moments, kinematics parameters, ship's hull, pitching, standard deviations, optimization
The article presents the method of receiving ballast and (or) the vessel's loading for decreasing of wave bending moment during the swell. The systematic calculations of the influence of the vessel's loading effect on kinematic characteristics of pitching and wave bending moments on irregular waves with nonlinear formulation are carried out. The researchers are made for various forms of the hull. The authors suggest the way of redistribution of ballast and (or) the vessel's loading, reducing the wave bending moments. The conclusions about the effectiveness of the method of ballasting are made.
Статья поступила в редакцию 22.11.2016 г.
УДК 629.124.9.039
В.И. Любимов, д.т.н., профессор ФГБОУВО «ВГУВТ» 603950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ ЭКРАНОПЛАНОВ А.Н. ПАНЧЕНКОВА
Ключевые слова: экраноплан, аэродинамика, полет, конструкция, испытания.
В статье рассмотрены этапы развития, особенности конструкции и результаты испытаний экранопланов серии АДП, созданных под руководством профессора
А.Н. Панченкова.
Полувековой опыт исследования эффекта опорной поверхности (экрана) и проблемы создания экранопланов (ЭП) привели к большим объемам теоретических и экспериментальных знаний. Значительная активизация исследований по экраноплан-ной тематике произошла в 60-е годы XX века, когда были реализованы крупномасштабные проекты фундаментальных научных исследований и постройка опытных образцов ЭП. Комплексные исследования по созданию ЭП почти одновременно выполнялись в СССР (Р. Алексеев, А. Панченков, Р. Бартини), США (А. Липпиш), ФРГ (Х. Фишер, Г. Йорг).
Весомый вклад в разработку теоретических и экспериментальных исследований, посвященных ключевым и определяющим проблемам создания ЭП, внес выпускник кораблестроительного факультета Горьковского института инженеров водного транспорта 1958 года, доктор технических наук, профессор Анатолий Панченков (рис. 1). Целью его теоретических и экспериментальных работ были фундаментальные исследования, включая обоснование перспективных аэродинамических схем и уникальных конструкций ЭП.
