CC BY
42
Simulation of the Initial Stability of the Floating Dock for the List and Trim Stabilization Tasks
Kondratenko Y.P.1, Topalov A.M.2, Kozlov O.V.2
1Petro Mohyla Black Sea National University, Mykolaiv, Ukraine 2Admiral Makarov National University of Shipbuilding, Mykolaiv, Ukraine
Abstract. The aim of this work is the development and study of a mathematical model of the floating dock initial stability for solving problems of list and trim stabilization. The proposed model allows calculating the change of the parameters of the initial stability of the floating dock (with and without a vessel) for different values of the draft. The initial stability of the real floating dock of the middle class with a carrying capacity of 8500 tons is studied using the simulation model developed by the authors in the FREE!SHIP Plus. With the help of this computational model, the operation of immersion of the floating dock is considered. At each stage of immersion at a certain draft, the parameters of the initial stability of the floating dock are calculated, namely, the values: transverse and longitudinal metacentric heights, centers of buoyancy, centers of gravity, and mass displacement. Corrections of transverse and longitudinal metacentric heights due to changes in the mass of liquid in ballast tanks and the influence of its free surface are also taken into account. Based on the obtained modeling results, the following dependences are calculated: a) moments from list and trim angles at different values of draft, b) moments of list and trim from draft at various values of list and trim, c) angles of list and trim from the fill level of the respective tanks. These dependences can be used for further development of the list and trim stabilization system for the given floating dock. Keywords: floating dock; initial stability; list; trim; simulation. DOI: 10.5281/zenodo.3239200
Simularea stabilitatii initiate a unui doc plutitor pentru probleme de stabilizare a unghiului de taiere si
inclinatiei
Kondratenko Yu.P.1, Topalov A.N.2, Kozlov A.V.2
1 Universitatea Nationala „Petru Moghila" din Marea Neagra, Nicolaev, Ucraina 2Universitatea Nationala de Constructii Navale numita dupa amiralul Makarov, Nicolaev, Ucraina Rezumat. Scopul lucrarii este de a elabora si studia un model matematic al stabilitatii initiale a unui doc plutitor pentru rezolvarea problemelor de stabilizare a unghiului de taiere si inclinatiei. Acest obiectiv este realizat prin dezvoltarea unui model care permite calcularea variatiei parametrilor stabilitatii initiale a docului plutitor (cu si fara nava) pentru diferite valori ale pescajului. Noutatea lucrarii consta in studierea stabilitatii initiale a unui doc plutitor real, folosind modelul de simulare dezvoltat de autori in pachetul software FREE! SHIP Plus conceput pentru a simula conturul structurilor plutitoare si a navelor care utilizeaza tehnologia NURBS pentru a determina statica, propulsia si alti parametri ai hidrodinamicii. Pe baza unui model de simulare care tine cont de dimensiunile reale si de nelinearitatea suprafetelor docului plutitor si a vasului, se ia in considerare o operatiune de scufundare a docului plutitor. in fiecare etapa de imersiune la o anumita scufundare se calculeaza parametrii stabilitatii initiale a docului plutitor, adica valorile: inaltimi metacentrice transversale si longitudinale, centrele de marime, centrele de greutate, deplasarea maselor. Se iau in considerare si corectiile inaltimilor metacentrice transversale si longitudinale datorate schimbarilor in masa fluidului in rezervoarele de balast si influenta suprafetei sale libere. Pe baza rezultatelor obtinute la simulare, se calculeaza dependentele: a) momentele fata de unghiul de taiere pentru diferite valori ale scufundarii, b) momentele unghiului de taiere pentru diferite valori ale acestora, c) unghiurile de taiere §i scufundare functie de nivelul umplerii rezervoarelor respective.
Cuvinte-cheie: docuri plutitoare; stabilitate initiala; unghi de taiere; scufundare; simulare pe calculator.
Моделирование начальной остойчивости плавучего дока для задач стабилизации крена и дифферента Кондратенко Ю.П.1, Топалов А.Н.2, Козлов А.В.2
1 Черноморский национальный университет имени Петра Могилы, Николаев, Украина 2Национальный университет кораблестроения имени адмирала Макарова, Николаев, Украина Аннотация. Целью работы является разработка и исследование математической модели начальной остойчивости плавучего дока для решения задач стабилизации крена и дифферента. Поставленная цель достигается благодаря разработки модели, которая позволяет рассчитывать изменение параметров начальной
© Кондратенко Ю.П., Топалов А.Н., Козлов А.В. 2019
остойчивости плавучего дока (с судном и без) при различных значениях осадки. Новизна работы состоит в исследования начальной остойчивости реального плавучего дока с помощью разработанной авторами имитационной модели в программном комплексе FREE!SHIP Plus, предназначенном для моделирования обводов плавучих сооружений и судов по технологии NURBS с целью определения показателей статики, ходкости и других параметров гидродинамики. На основе имитационной модели, учитывающей реальные размеры и нелинейность поверхностей плавучего дока и судна, рассматривается операция погружения плавучего дока. На каждом этапе погружения при определённой осадке рассчитываются параметры начальной остойчивости плавучего дока, а именно значения: поперечной и продольной метацентрических высот, центры величины, центры тяжести, массовое водоизмещение. Также учтены поправки поперечной и продольной метацентрических высот вследствие изменения массы жидкости в балластных танках и влияния её свободной поверхности. На основе полученных результатов моделирования рассчитаны зависимости: а) моментов от угла крена и дифферента при различных значениях осадки, б) моментов крена и дифферента от осадки при различных значениях крена и дифферента, в) углов крена и дифферента от уровня заполнения соответствующих танков. Значимость результатов состоит в том, что полученные зависимости могут быть использованы для дальнейшей разработки системы стабилизации крена и дифферента приведенного плавучего дока путем учета перераспределения жидкости среди балластных отсеков. Разработанную математическую модель начальной остойчивости целесообразно использовать в дальнейших исследованиях при проектировании и настройке высокоэффективных систем стабилизации крена и дифферента плавучих доков различных классов.
Ключевые слова: плавучий док; начальная остойчивость; крен; дифферент; компьютерное моделирование.
ВВЕДЕНИЕ
Плавучий док представляет собой сложное инженерное сооружение, предназначенное главным образом для подъема и спуска судна. В плавучем доке проводят технический осмотр, обслуживание, текущий и аварийный ремонт подводной части корпуса судна и винто-рулевого комплекса [1].
При доковании судна плавучий док сталкивается с проблемами равновесия [1,2]. Как правило, собственный вес судна передается через киль-блоки палубе понтона, в результате могут произойти наклоны и нарушения прочности плавучего дока. Поэтому прогиб, перегиб и углы наклона (крен и дифферент) плавучего дока должны быть ограничены в пределах допустимого диапазона, чтобы обеспечить безопасность эксплуатации судоподъемного сооружения.
Для устранения критической деформации плавучего дока и нежелательных наклонов перед докованием судна проводят расчеты балластировки дока. Эти расчеты, прежде всего, определяют подбор балласта в понтонах плавучего дока, причем цель расчетов -получение такого распределения балласта, при котором крен и деферент дока равны нулю, а момент, изгибающий систему док-судно, меньше допустимого значения для данного плавучего дока. Необходимо иметь в виду, что при большом запасе грузоподъемности дока, выгибающие моменты, которые действуют на систему док-судно, можно полностью устранить путем
выравнивания нагрузки на каждый понтон за счет жидкого балласта.
Для обеспечения высокой эффективности и безопастности выполнения операций погружения и всплытия плавучего дока необходимо на стадии проектирования системы стабилизации углов крена и дифферента провести исследования параметров начальной остойчивости плавучего дока с помощью математического моделирования [2]. В научно-технической литературе имеется определенное количество публикаций в области моделирования различных морских объектов [3-8]. Математическое описание плавучих сооружений и судов различных классов подробно рассмотрено в работах [4, 5, 7]. В частности, в [7] приведены результаты математического моделирования движения морских объектов, а также рассмотрены задачи статики и динамики. В свою очередь, в работах [9-11] представлены расчеты гидродинамики и прочности корпусов плавучих доков и сооружений, а в [12-15] получены результаты моделирования доковых операций погружения и всплытия с постановкой судна в док. Также, в работах [1623] представлены математические и имитационные модели различных
компонентов систем автоматического управления осадкой, креном и дифферентом плавучих доков. При этом исследователями активно применяются методы компьютерного моделирования [24] в программных приложениях Multisurf, Maxsurf, AutoShip,
NavCAD, что обусловлено достаточно высокой точностью расчетов параметров морских объектов, имеющих криволинейные поверхности.
Компьютерное моделирование морских объектов позволяет значительно сократить количество экспериментальных исследований и время, необходимое на их проведение, что делает его эффективным и низкостоимостным инструментом. Поэтому разработка эффективных технологий компьютерного моделирования для расчета параметров начальной остойчивости плавучего дока во время его погружения и всплытия является актуальной задачей.
Моделирование плавучего дока (на основе расчетной модели) с детальной проработкой всех поверхностей и надстроек требует неоправданно больших затрат времени и вычислительных ресурсов. Поэтому решение задач моделирования требует применения специальных подходов, позволяющих упростить исходную модель и в то же время учесть все необходимые особенности плавучего дока с достаточной для практических целей точностью.
Целью данной работы является разработка и исследование математической модели начальной остойчивости плавучего дока для решения задачи стабилизации крена и дифферента.
МОДЕЛИРОВАНИЕ НАЧАЛЬНОЙ ОСТОЙЧИВОСТИ ПЛАВУЧЕГО ДОКА С СУДНОМ
Остойчивость обусловлена способностью плавучего дока, выведенного внешними воздействиями из равновесия, возвращаться в исходное состояние после завершения этого влияния. Основной характеристикой остойчивости является восстанавливающий момент, который должен быть достаточным для того, чтобы плавучий док противодействовал моментам крена и дифферента. Различают поперечную остойчивость, соответствующую наклону в поперечной плоскости (крен), и продольную остойчивость, соответствующую наклону плавучего дока в продольной плоскости (дифферент).
Практикой эксплуатации плавучих доков установлено, что крен плавучего дока в любой момент погружения или всплытия не должен превышать 2 градуса, а дифферент - 1 градус. Более значительные наклоны могут привести
к аварийным смещениям установленного в доке судна. Соскальзывание судна с кильбло-ковой дорожки не может произойти раньше, чем крен достигнет 6,5°. При доковании по-мальтийски (в случае наклона плавучего дока в 2,5°-3°) ослабевшие распорные могут начать выпадать и дальнейший рост крена создаст опасность падения судна на стапель-палубу.
При доковании поставленного в док судна небольшие значения крена являются некритическими, и при крене в пределах 0,5° передоковывать судно нецелесообразно. Но если во время откачки балласта судно после посадки на кильблоковую дорожку начнет существенно крениться (крен превысит 0,5°), то следует принять соответствующие меры -заново погрузить док до всплытия судна.
Основными внешними воздействиями, которые способны вызвать крен или дифферент плавучего дока являются: силы, возникающие при постановке судна в док, когда их диаметральные плоскости не совпадают; неправильная загрузка судна при его постановке в док; силы давления ветра. Действие сил этих трех групп можно избежать при правильном доко-вании судна.
На рис. 1 приведены положения плавучего дока з судном при крене и дифференте. При незначительном крене (вызванном моментом крена Мкр) положение центра тяжести О не меняется, а центр величины вследствие изменения формы объема подводной части перемещается из точки С в точку С1. Вес системы док-судно и сила поддержки создают определенный момент, направленный против момента крена. Этот момент называется восстановительным моментом Ме.
Аналогичным образом при дифференте плавучего дока (вызванном моментом дифферентаМД) создается восстановительный момент Му.
Под действием момента крена Мкр (или дифферента Мд) плавучий док наклоняется с увеличением (вместе с углом наклона © или Т) соответствующего восстановительного момента Ме (Му) до значения, которое уравновесит воздействие приложенного момента крена (дифферента).
Под действием двух различных и противоположно направленных моментов плавучий док будет иметь некоторый угол наклона. Как только действие момента крена или дифферента прекращается,
восстановительный момент вернет плавучий док в первоочередное положение равновесия.
а)
б)
Рис. 1. Начальная остойчивость плавучего дока с судном: а) в случае крена; б) в случае дифферента.1
Таким образом, остойчивость определяется действием восстановительного момента. В зависимости от того, в какой плоскости действуют наклоняющий и
восстановительный моменты, различают поперечную и продольную остойчивость. Кроме того, различают малые и большие углы наклона, поэтому для простоты понимания вводится понятие начальной остойчивости и остойчивости на больших углах.
Моменты крена или дифферента могут действовать как в статических, так и в динамических режимах. В первом случае остойчивость характеризуется
восстановительным моментом, а во втором -его работой (потенциальной энергией). В
зависимости от этого различают статическую и динамическую остойчивость [1].
При наклонах плавучего дока, центр величины смещается в сторону наклона, описывая кривую СС (рис.1), которая называется кривой центров величины [1]. Центр кривизны кривой центров величины СС1 называется метацентром (метацентр также может быть представлен как точка пересечения двух линий действий сил поддержки при малых углах крена или дифферента).
Также различают поперечный метацентр т - при крене (рис.1а) и продольный метацентр М - при дифференте (рис.1б). Поскольку кривая центров величины при дифференте более пологая, чем при крене, продольный метацентр М лежит гораздо выше поперечного метацентра т.
Расстояния от центра величины к поперечному т и продольному метацентрам М называются, соответственно, поперечным г и продольным Я метацентрическими радиусами [2]. Расстояния от центра тяжести О плавучего дока к поперечному или продольному метацентру называются соответственно поперечной к и продольной Н метацентрическими высотами. Плечо восстановительного момента ОК называется плечом статической остойчивости I.
Из рис. 1,а видно, что восстановительный момент определяется соотношением
Ма = Ы ■ ОК = Ы1 .
(1)
где В - массовое водоизмещение, т.
Из треугольника ОтК видно, что I = ksin9 и соответственно метацентрическая формула остойчивости при крене имеет вид
Мп = ЫИ ■ 0 .
(2)
Метацентрическая высота плавучего дока при определенном водоизмещении зависит от положения центра тяжести О по высоте, который в свою очередь зависит от докуемого судна и балласта.
С повышением центра тяжести О плавучего дока его остойчивость уменьшается.
Причем плавучий док может потерять остойчивость в случае, если центр его тяжести будет находиться выше метацентра.
Метацентрическая высота определяется как
к = Г + - ,
(3)
где г - поперечный метацентрическии радиус; zc и ZG - аппликаты, соответственно, центра величины С и центра тяжести О. При этом
к
(4)
где 1к - момент инерции плоскости ватерлинии относительно продольной оси, проходящей через центр тяжести О; V - объемное водоизмещение плавучего дока, м3.
Также из рис. 1,а следует, что к = г - а, де а - расстояние от центра величины С к центру тяжести О. Тогда
Мв = Бк0 = Б(Г-а^т0 .
(5)
В данном случае предполагается, что метацентр при крене не перемещается. Это возможно при условии, если кривая центра величины является частью окружности. Для надводных плавучих сооружений это условие выполняется только в пределах малых углов крена или деферента, поэтому метацентрическую формулу остойчивости можно использовать только при малых углах крена или деферента. Таким образом, восстанавливающий момент при малых углах крена линейно зависит от их значений.
Аналогичным образом из рис. 1,б следует, что при продольных наклонах плавучего дока
учитывать поправки в результате приема или расхода балласта и влияния свободной поверхности воды в балластных отсеках плавучего дока.
Поправка при приеме или расходе балласта определяется как
ЛК 1 т+лт- - ^ - ^ 1 Б + р ^ 2 р
(9)
где р - масса жидкого груза; В -водоизмещение; Т - начальная осадка; ДТ -изменение осадки при приеме или росходе жидкого груза; Е - начальная метацентрическая высота (если поперечная то к, если продольная - Н); zp - центр тяжести жидкого груза.
Поправка для учета свободной поверхности жидкости определяется как
ЛК = --.
2 к '
(10)
М = БН sinу = Б(Я - а) Бту .
(6)
где V - объемное водоизмещение; /г - момент инерции свободной поверхности жидкости, проходящей через ее центр тяжести относительно продольной оси (для поправки к) или относительно поперечной оси (для поправки
Н).
Значения метацентрических высот с учетом поправок определяются как
к =к+ЛК+ЛК; „ 1 2; (11)
Н = н+Лк +ЛК.
Соответственно моменты крена и дифферента для плавучего дока имеют вид:
Продольная метацентрическая определяется как
высота
М = °к„ 0;
Му = БНп 5Ш у.
(12)
Н = Я + гс - га ,
(7)
где Я - продольный метацентрический радиус. При этом
я =
к •
(8)
где - момент инерции плоскости ватерлинии относительно поперечной оси, проходящей через центр тяжести; V - объемное водоизмещение плавучего дока, м3.
Кроме того, для определения метацентрических высот необходимо
Поскольку продольный метацентрический радиус Я во много раз больше поперечного метацентрического радиуса г, то продольная метацентрическая высота Н во много раз больше поперечной к.
Анализ восстановливающих моментов (12) показывает, что мерой остойчивости можно считать метацентрические высоты к и Н, которые косвенно характеризируют сопротивление плавучего дока моментам крена и дифферента.
г =
Расчет, метацентрических высот считается довольно сложным процессом для многокорпусных плавучих сооружений.
Достаточно точные результаты дают только экспериментальные модельные испытания, хотя и в этом случае желательно использовать модели с размерами, близкими к натуральным [1, 24]. Компьютерное моделирование с помощью FREE!SHIP Plus дает возможность использовать модели размеров реальных объектов.
Программный комплекс FREE!SHIP Plus предназначен для моделирования обводов корпуса по технологии NURBS при исследовании статики, ходкости и параметров гидродинамики для судов, плавучих сооружений и подводных аппаратов.
Авторами разработано в программном комплексе FREE! SHIP Plus имитационную модель (рис. 2), которая соответствует реальному плавучему доку среднего класса грузоподъемностью 8500 тонн [1] со следующими параметрами: ширина Ьд = 32,4 м; длина 1д = 139,5 м; ширина каждой башни
Вв = 3,13 м; высота понтона Нп = 4,6 м; высота плавучего дока Нд = 12,8 м; осадка плавучего дока без судна Тд = 2м; количество водяного балласта Мб = 18500 тонн.
Причем максимальная масса дока (массовое водоизмещение) со всем оборудованием составляет Ртпд = 9253 тонн. Кроме того, моделирование также проводилось для плоскобортного судна, которое имеет следующие параметры: ширина Вс = 22,54 м; длина Ьс = 130 м; высота Нд = 7 м; вес Рс = 8400 тонн.
С помощью разработанной расчетной модели рассмотрена операция погружения плавучего дока. На каждом этапе погружения рассчитаны параметры начальной
остойчивости плавучего дока.
Таким образом, получены все данные для расчета моментов крена и дифферента, значения которых приравненные к их восстановительным моментам при различных углах наклона плавучего дока.
MКР = M0 = Dhn • sin0; Mд = Mv = DHn ■ sin y.
(13)
Рис. 2. Расчетная модель системы док-судно в программном комплексе FREE! SHIP Plus.2
моментов от угла крена и дифферента при различных значениях осадки (рис. 3). Основными этапами осадки плавучего дока приняты: осадка на уровне понтона (T = 3,83 м), осадка на уровне кильблоков (T = 3,83 м), осадка на уровне башен плавучего дока (T = 8,25 м).
На основе компьютерного моделирования получены практически линейные зависимости
а)
б)
Рис. 3. Зависимости моментов от угла наклона плавучего дока: а) при крене; б) при дифференте.3
s
03 Я
Oi CL &Й H
sc
Oi
16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0
e
OJ
E
©
£
E н
OS H X
qj
a.
QJ
/
X—
—
▲— ■ ж -А.
23456789 10 11 Осадка, м (Draft, m)
-*-Угол крена 0,5° (List angle 0,5°) -•-Угол крена 1° (List angle 1°) -*^Угол крена 1,5° (List angle 1,5°) -♦-Угол крена 2° (List angle 2°)
12
a)
s
н
X aj
S о
140000 120000 I 00000 80000 60000 40000 20000 0
А—А k \
\\
\\ —•
А ■ж
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Осадка, м (Draft, m) -*-Угол дифферента 0,5° (Trim angle 0,5°) -•-"Угол дифферента 1° (Trim angle 1°)
6)
Рис. 4. Зависимости моментов от осадки плавучего дока: а) при крене; б) при дифференте.'
На основании полученных данных рассчитаны также зависимости моментов крена и дифферента от осадки при различных значениях крена и дифферента (рис 4).
Из графиков (рис. 4, а, б) видно, что процесс погружения плавучего дока начинается с осадки 2 м (осадка плавучего дока порожнем).
При постепенном увеличении балласта в понтоне плавучий док начинает погружаться. При этом центр тяжести смещается вниз, что
приводит к увеличению остойчивости и росту значений
моментов крена и дифферента, особенно это заметно при угле крена в 2°. После достижения осадки 4,6 м (осадка погруженного понтона) начинается процесс погружения
кильблоковой дорожки и башен плавучего дока. При этом значительно уменьшается площадь ватерлинии плавучего дока, что снижает метацентрические высоты плавучего дока. Вследствие данных изменений
существенно уменьшаются значения моментов крена и дифферента. Далее значения моментов крена и дифферента плавучего дока стабилизируются и практически не меняются. При осадке 8,6 м балластные танки понтона полностью заполняются, соответственно уменьшается площадь свободной поверхности жидкости и метацентрические высоты плавучего дока растут. При этом значения
моментов также увеличиваются. В дальнейшем, в результате стремительного заполнения балластных танков башен, имеющих значительно меньший объем, чем объем в понтоне, достигается предельная осадка плавучего дока в 11,6 м. При этом значения моментов принимают конечные величины.
В 12000
10000
О)
I 8000
-SS 6000
оз Я
QJ &
н ЕС о
4000 2000 О
\ v4^ к -^
Лг *--ц
^ 1
X А-
4 5 6 7 8 Осадка, м (Draft, m) -А-Угол крена 0,5° (List angle 0,5°) -•-Угол крена 1° (List angle 1°) -^-Угол крена 1,5° (List angle 1,5°) -♦-Угол крена 2° (List angle 2°)
а)
б)
Рис. 5. Зависимости моментов от осадки плавучего дока с судном: а) при крене; б) при дифференте.5
Для учета влияния судна на показатели начальной остойчивости плавучего дока, проведено моделирование случая погружения
плавучего дока с поставленным на кильблоки судном. Получены зависимости для моментов
крена и дифферента от осадки при различных значениях крена и дифферента (рис 5).
Из графиков (рис. 5, а, б) видно, что процесс погружения плавучего дока начинается с осадки 3,83 м (осадка плавучего дока с судном порожнем). Под действием веса судна и увеличения балласта, плавучий док начинает погружаться, соответственно центр тяжести смещается вниз, что приводит к увеличению остойчивости и росту значений моментов крена и дифферента. После достижения осадки 4,6 м (осадка погруженного понтона) начинается процесс погружения кильблоко-вой дорожки и башен плавучего дока, соответственно значительно уменьшается площадь ватерлинии плавучего дока, что снижает мета-центрические высоты плавучего дока. Вследствие данных изменений существенно уменьшатся значения моментов крена и дифферента. После чего значения моментов крена плавучего дока стабилизируется, и практически не меняется, а значения моментов дифферента постепенно уменьшаются. При достижении осадки 5,8 м. существенно увеличится площадь ватерлинии, которая будет состоять из плоскостей плавучего дока и судна, что существенно увеличит продольную метацентри-ческую высоту плавучего дока и уменьшит его поперечную метацентрическая высоту. Вследствие данных изменений существенно увеличится значения моментов дифферента и уменьшится значения моментов крена. Процесс погружения плавучего дока продолжается до значения осадки 8,6 м. При этом моменты крена плавно увеличиваются, а моменты дифферента стабилизируется.
БАЛЛАСТНАЯ СИСТЕМА ПЛАВУЧЕГО ДОКА И ЗАДАЧИ СТАБИЛИЗАЦИИ УГЛОВ КРЕНА И ДИФФЕРЕНТА
Оценка влияния размещения и массы жидкого груза на моменты крена и дифферента рассмотрена на примере предложенного плавучего дока
грузоподъемностью 8500 тонн. Балластная система состоит из четырех
ра 6 Appendix 1 коробок, 20 балластных танков и укомплектована балластными насосами (Н) производительностью 3750 м3/час. В свою очередь, насосы центробежного типа работают с постоянной частотой вращения колес. Приемные трубопроводы имеют диаметр d1 = 750 мм, разветвленный трубопровод балластных танков имеет диаметр d2 = 350 мм. Все
клинкеты имеют мотор-редукторы 2-10 кВт и выступают в роли регуляторов расхода. Схема расположения балластных танков (БТ) данного плавучего дока приведена на рис. 6. Центральная часть понтона дока содержит балластные танки значительно больших размеров, чем балластные танки, которые находятся в носовой и кормовой частях.
Знак координат расположения балластных танков зависит от оси х: знак «+» соответствует носовому направлению, знак «-» - кормовому. Для оси у: знак «+» соответствует левому борту, знак «-» -правому борту.
ВП-
ОЛЗ
ч / \ -7 ч У
ч ВТ1 / Ч ВТ2 / втз,
\/ \ / / \ /
А \ / л
/ \ \ / \
\ / / / \ Г
ВТ5 / \ ВТ6 / , ВТ7, \ 1 \ 1 \ /
\ ! \ / \ /
V \/ 1 / \
л /\
./ \ / \
м / \ / ч \ 1 rl
) ( 1 f ! \ / \ \ :/ \ I J | 1
и \ ВТ9 / \ втю / и
и \ f \ / 8
( \ / \ / 1
1 \ / \ / 0
11 X X II
11 / \ / \ М-
1 \ / \ / \ 1 i
1 1 / \ / \
/ \ / / \ "V
\ ВТ11 / \ ВТ12 /
1 1 \ / \ /
н \ / \ / If
\ j X / \ / 11
и 1 X |j
! / \ / \ |
j / \ / X 1
II / \ / \ j
м \ / \ f \ i
1 1 \ / \
1 !■ 1 ( втп; \ ВТ15 / RT16. \ / И i :l
1 1 \ 1 X /
\ / \ / \ /
V \/ 1 / \
л /\
/ \ \
/ V / \ / / / \ \ t \ / \
—1ВТ18 \ ВТ19 / ВТ20\—
\ / \ / \ /
V ч/ /\ V
7 \ / \ / \
/ \ / ч /' \
{ \ / \
Рис. 6. Схема расположения балластных танков (БТ) плавучего дока.6
О 20 40 60 80 100
Процент заполнения, °/о (Filling percentage %)
а)
заполнения,
б)
Рис. 7. Зависимость углов крена и дифферента от уровня заполнения балластных танков.8
Для расчета стабилизирующих моментов крена и дифферента рассмотрено более подробно влияние жидкого балласта в танках. Причем расчеты проводились для пустого плавучего дока с судном при осадке 3,83 м. Данная осадка является основной для выполнения ремонтных работ на судне в плавучем доке. Для балластировки рассмотрены по 5 позиций заполнения балластных танков, в частности для случаев создания крена на левый борт и дифферента на нос (таблица 1).
Из рис. 7а, б видно, что зависимости между величинами заполнения балластных танков и значениями крена и деферента плавучего дока практически линейные. Нелинейности наблюдаться только с теми группами балластных танков, в которых присутствуют БТ1, БТ18, БТ20. Эти балластные танки имеют разную площадь сечения в понтоне и башне, что приводит к смещению центра тяжести.
Таблица 17
Position number Floating dock in list on the left side Floating dock in trim on nose
1 BT4, BT13 BT18, BT19, BT20
2 BT1, BT18 BT14, БТ15, БТ16
3 BT5, BT14 BT11, BT12
4 BT9, BT11 BT13, BT17
5 BT4, BT13, BT1, BT18, BT5, BT14, BT9, BT11 BT18, BT19, BT20, BT14, BT15, BT16, BT11, BT12, BT13, BT 17
В зависимости от групп заполнения балластных танков получены значения стабилизирующих моментов и их влияние на углы крена и дифферента плавучего дока (рис. 7).
Для создания крена в 2°, можно заполнить следующие балластные группы: 1 группу на 10%, 2 группу на 73%, 3 группу на 87%, 4 группу на 56%, 5 группу на 35%. В свою очередь, для создания дифферента в 1° можно заполнить только две группы балластных танков: 1 группу на 98%, 5 группу на 53%.
Следовательно, стабилизация углов крена и дифферента плавучего дока напрямую оценивается путем соотношения возмущающих и стабилизирующих моментов. Соответственно в качестве показателя остойчивости используют значения составляющих нагрузок относительно влияния жидкого балласта плавучего дока, если момент крена или деферента окажется меньше допустимого, то остойчивость считается достаточной. В противном случае остойчивость считается недостаточной и необходимо увеличить или уменьшить количество жидкого балласта в соответствующих танках.
Выводы
Разработанная модель позволяет рассчитывать изменение параметров начальной остойчивости плавучего дока (с судном и без) при различных значениях осадки.
Исследования начальной остойчивости реального плавучего дока среднего класса грузоподъемностью 8500 тон проведены с помощью разработанной авторами имитационной модели в программном комплексе FREE! SHIP Plus с учетом размеров дока и судна. В результате компьютерного моделирования получены зависимости: а) моментов от угла крена и дифферента при различных значениях осадки, б) моментов крена и дифферента от осадки при различных значениях крена и дифферента, в) углов крена и дифферента от уровня заполнения соответствующих танков. Данные зависимости могут быть использованы для дальнейшей разработки системы автоматической стабилизации крена и дифферента приведенного плавучего дока.
Разработанную математическую модель начальной остойчивости целесообразно использовать в дальнейших исследованиях при проектировании и настройке высокоэффективных систем стабилизации крена и дифферента плавучих доков различных классов. APPENDIX 1 (ПРИЛОЖЕНИЕ 1)
1Fig. 1. Initial stability of the floating dock with the vessel: a) in the case of roll; b) in the case of the diverter
2Fig. 2. Calculation model of the dock-ship system in the FREE! Ship Plus
3Fig. 3. Dependencies of moments on the angle of inclination of the floating dock: a) with list; b) with trim 4Fig. 4. Dependence of moments on the floating dock sediments: a) with list; b) with trim 5Fig. 5. Dependencies of moments on the draft of a floating dock with a vessel: a) with list; b) with trim 6Fig. 6. Layout of ballast tanks (BT) of floating dock 7Table 1. Ballast tank filling options 8Fig. 7. The dependence of the angles of list and trim on the filling level of the ballast tanks
Литература (References)
[1] Rashkovsky O.S., Shchedrolosev O.V., Ermakov D.V., Uzlov O.M. Proektuvannya, tehnolohiya and orhanizatsiya pobudovy kompozytnyh plavuchyh dokiv [Design, technology and organization of building composite floating docks], 2015, Kherson, 320 p. (In Ukrainian)
[2] Fukelman V.L. Fundamentals of ship theory. [Osnovyi teorii korablya], 1977, Shipbuilding, Leningrad, 247 p. (in Russian).
[3] Hughes O. F. Ship structural design. A rationally based, computer-aided optimization approach.
2000. Society of Naval Architects. 591 p.
[4] Rawson K.J., Tupper E.C. Basic Ship Theory Combined Volume 5th Edition. 2001. Butterworth-Heinemann. 784 p.
[5] Bruce G.J., Eyres D.J. Ship Construction. 2012, Elsevier. 388 p.
[6] Musca D.G. Static and dynamic stability for floating cranes. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. doi: 10.1088/1757-899X/400/8/082015.
[7] Lee K. Y., Cha J. H., Park K. P. Dynamic response of a floating crane in waves by considering the nonlinear effect of hydrostatic force Ship Technology Research, 2010, vol. 57, no. 1, pp. 6271.
[8] Zwaan S., Bernardino A., J. Santos-Victor. Vision based station keeping and docking for floating vehicles. European Control Conference (ECC).
2001, pp. 2910-2915.
[9] Smith, D.Q., LeVezu, A.P. Floating Dock Deflection Management Systems. Patent U.S. No. 8,467,921, 2013.
[10] Burlacu E., Domnisoru L. Strength investigation of a small size floating dock unit by 3D-FEM models in head design waves. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. doi:10.1088/1757-899X/400/8/082005.
[11] Yang G., Liang H., Wu C. Deflection and inclination measuring system for floating dock
based on wireless networks. Journal Ocean Engineering. 2013, Issue 69. pp. 1-8.
[12] Apostolidis A., Kokarakis J., Merikas A.: Modeling the Dry-Docking Cost: The Case of Tankers. Journal of Ship Production and Design, 2012, 28, No. 3, pp. 134-143.
[13] Lundquist E.A. Science and an Art: Dry Docks Enable Vital Ship Construction, Maintenance and Repair. Seapower, 2015, pp. 10-13.
[14] Dev A.K., Saha M. Modeling and Analysis of Ship Repairing Time. Journal of Ship Production and Design, 2015, 31, No. 2, pp. 129-136.
[15] Kwon J.W., Seo J. Docking Control on Both Stationary and Moving Stations Based on Docking Formation. Electronics Letters, 2014, 50, No. 6, pp. 436-438.
[16] Burlacu E., Pacuraru F., Domnisoru L. On the development of design software for floating dock units operating capabilities analysis. Mechanical Testing and Diagnosis. 2017, 7(1), pp. 5- 17
[17] Valery V. Korotaev, Anton V. Pantiushin, Mariya G. Serikova, Andrei G. Anisimov. Deflection Measuring System for Floating Dry Docks. Ocean Engineering, 2016, Volume: 117, Pergamon, pp. 39-44.
[18] Yu Y., Meng Q., Wang L., Yin B., Li P. Kinematics of parallel-series position and pose adjustment mechanism for automated docking system of replenishment at sea. The 2010 IEEE
International Conference on Information and Automation. 2010. pp. 2273-2276.
[19] Zhukov Y., Gordeev B., Zivenko A., Nakonechniy A. Polymetric Sensing in Intelligent Systems. Chapter in the book: Advances in Intelligent Robotics and Collaborative Automation. 2015, River Publishers, pp. 211-234.
[20] Wang F. Study on closed-loop gain shaping control of floating dock control system. International Conference on Computer, Mechatronics, Control and Electronic Engineering. 2010, Volume: 3, pp. 53 -55.
[21] Wang F. Study on Mixed Sensitivity Control of Floating Dock Control System. International Conference on Electrical and Control Engineering. 2010, pp. 5641-5642.
[22] Qian C., Hong W. Intellectual control of floating dock's immersion. Ship Boat, 2007, No 1, pp. 4344.
[23] Kondratenko Y.P., Kozlov O.V., Korobko O.V., Topalov A.M. Synthesis and Optimization of Fuzzy Control Systems for Floating Dock's Docking Operations. Chapter in the book: Fuzzy Control Systems, 2017, Nova Science Publishers, pp. 141-213.
[24] Alyamovsky A. A. SolidWorks Simulation. How to solve practical problems [SolidWorks Simulation. Kak reshat prakticheskie zadachi], 2012, BHV- Petersburg, Saint Petersburg, - 488 p. (in Russian).
Сведения об авторах.
Кондратенко Юрий Пантелеевич,
д.т.н., профессор, профессор кафедры интеллектуальных информационных систем ЧНУ им. П. Могилы. E-mail:
Топалов Андрей Николаевич,
преподаватель кафедры компьютеризированных систем управления НУК им. адм. Макарова, г.. Николаев, E-mail: topalov [email protected]
Козлов Алексей Валерьевич,
к.т.н., доцент кафедры компьютеризированных систем управления НУК им. адм. Макарова, г.. Николаев, E-mail: kozlov [email protected]
