CC BY
22[5] Тихонов В.И. Основы теории динамической системы судно-жидкость / В.И. Тихонов. - Н. Новгород: ФГОУ ВПО ВГАВТ, 2007. - 262 с.
[6] Федяевский К.К. Управляемость корабля / К.К. Федяевский, Г.В. Соболев. - Л.: Судпромгиз, 1963. - 376 с.
[7] Хвостов Р.С. Метод адекватного моделирования гидродинамических усилий, действующих на корпус маневрирующего судна: дис. ... канд. ист. наук: 05.22.19: защищена 06.03.12: утв. 15.07.02 / Хвостов Роман Сергеевич. - Н. Новгород, 2012. - 157 с.
THE TRANSVERSE COMPONENTS HULL EFFORTS DETERMINATION CONSIDERING THE SHALLOW WATER IMPACT
A.S. Krinitsin, V.I. Tikhonov, R.S. Khvostov
Keywords: vessel, shallow water, hydrodynamic characteristics, hull.
The article analyzes the existing methods for determining the hydrodynamic characteristics in shallow water. The authors offer a new method for calculating hull transverse components for the forces acting on the vessel, depending on the fairway depth reduction Some methods for the future research concerning the hydrodynamic characteristics determining in the shallow water are noted.
Статья поступила в редакцию 16.05.2016 г.
УДК 659.62.052.4:[629.12:532.5]
В.А. Лобанов, профессор, д.т.н., доцент ФГБОУВО «ВГУВТ» Р.С. Хвостов, к.т.н., доцент ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О CAE-СИСТЕМАХ. ОСОБЕННОСТИ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ЗАДАЧАХ ЛЕДОТЕХНИКИ
Ключевые слова: судно, ледовые условия, ледотехника, CAE-системы, конечноэле-ментное моделирование.
В работе сделан краткий обзор применения CAE-технологий для оценок ледовых качеств флота и прогноза ледового воздействия на гидротехнические сооружения. Даны общие сведения о CAE-системах, особенностях их использования в решениях задач морской и речной ледотехники. Проиллюстрированы конкретными примерами CAE-решения ледовых задач специального рассмотрения. Подчёркнута особая значимость CAE-экспериментов для теории морской и речной ледотехники. Приведены некоторые результаты, которые можно использовать в качестве справочных.
CAE-система (англ.: Computer Aided Engineering) - это компьютерная технология, моделирующая и визуализирующая пространственно-временное развитие исследуемого процесса. В настоящее время подобные технологии находят свое применение в различных областях знания: механика, гидро-, газо- и термодинамика, строительство, обработка материалов, медицина, ядерная физика, гидрометеорология, микро- и макромир и др.
Основой САЕ-системы является численный решатель систем дифференциальных уравнений, описывающих поведение предварительно дискретизированной (обычно в конечноэлементной формулировке) области пространства (среды, тела). При этом необходимо отметить, что сходимость решения здесь обеспечивается не только отработанными численными методами, но и специальными «искусственными» программными процедурами, алгоритмами и приёмами, также обеспечивающими адекватность результата.
САЕ-система объединяет в себе три автономные структурные единицы: препроцессор, процессор и постпроцессор [8]. Препроцессинг включает в свой состав процедуры формирования геометрии модели, её конечноэлементного разбиения, выбора типов и формулировок конечных элементов, задания моделей материалов и их физико-механических свойств, определения алгоритмов контактного взаимодействия, установки начальных и граничных условий, а также вывода содержания и объёмов информации для последующей постпроцессорной обработки.
Начальный этап процессинга связан с устранением синтаксических и процедурных ошибок сформированной исходной модели. После отладки выполняется наиболее ресурсопотребляемый этап - непосредственно расчёт.
Постпроцессинг подразумевает анализ результатов моделирования как в традиционном виде (пространственно-временные функции), так и средствами научной визуализации (трёхмерная графика и анимация).
Весь комплекс задач морской и речной ледотехники относится к обширному классу проблем механики деформируемых сред. Именно в этой области моделирования появились первые коммерческие САЕ-системы и в настоящее время остаются наиболее надёжными и потому востребованными. Принципиальная научная новизна САЕ-технологий при рассмотрении проблем механики заключается в моделировании взаимодействия объектов в отличие от моделирования нагрузок, что предлагают традиционные полуэмпирические и большинство численных методов. В задачах оценки и прогнозирования ледовых качеств флота это позволяет перейти к реализации неавтономных моделей взаимодействия корпуса судна и его движительно-рулевого комплекса (ДРК) с водоледяной средой. В отличие от классических автономных решений, учитывающих влияние только количественно статичной изотропной среды на судно, САЕ-модели описывают взаимовлияние судна и среды с учётом стохастично-сти этого процесса в пространстве и времени. Также важным достоинством САЕ-анализа следует признать возможность разделения гидродинамических и ледовых нагрузок, что недоступно модельному эксперименту и натурным испытаниям.
Основным условием корректности последующих САЕ-решений в задачах морской и речной ледотехники стала предварительная отработка адекватной реологической модели льда и алгоритмов его контакта в триаде «судно (в том числе и ДРК)-ледяная среда-вода». К настоящему времени эти проблемы успешно решены в рамках применения универсальной САЕ-системы LS-DYNA [19]. Так, в отношении льда предпочтение отдано изотропному материалу, который описывается упругопластиче-ской средой с условием текучести Мизеса (*MAT_ISOTROPIC_ELASTIC_FAILURE _ТПЪЕ). Особенностью его использования является реализация гидродинамической конечноэлементной модели разрушения льда. При этом по достижении любого из критериев разрушения (предельные напряжения или деформации) элемент сохраняется в матрице жёсткости некоторое время, но компоненты девиатора напряжений обнуляются, элемент теряет способность противостоять растягивающим нагрузкам, т.е. ведёт себя подобно жидкости. Период его «гидродинамической жизни» определяется предельным шагом интегрирования, по достижении которого элемент, приобретая «нефизические деформации», удаляется [8, 6].
В современных САЕ-системах, претендующих на универсальность, имеется богатая «библиотека» отлаженных алгоритмов поведения контактных границ тел. Всю совокупность методов принято делить на две группы: несимметричные и симметрич-
ные. Несимметричные подразумевают деление контактных поверхностей на главную и подчинённую (master - slave), в симметричных такое подразделение отсутствует. Кроме этого в каждой группе предусмотрены модели с условием разрушения одной или нескольких поверхностей (eroding) или без такого условия. В наиболее усовершенствованных пакетах предложены возможности корректировки имеющихся моделей или создания авторских.
Корректность применения алгоритма контактного взаимодействия определяется, в первую очередь, знанием физики моделируемого процесса. Для обоснования выбора и отработки опций контактных алгоритмов была поставлена серия экспериментов по взаимодействию льда с различными конструкциями и средами. Эти опыты затем были реализованы средствами CAE-системы LS-DYNA на базе нескольких десятков первоначально «качественно приемлемых» моделей контактов. CAE-решения многократно сократили набор исходных моделей, показав удовлетворительное соответствие результатов расчётов (количественных и качественных) и обработки натурных наблюдений при использовании алгоритмов, показанных в табл. 1 [8, 4].
При этом необходимо особо подчеркнуть, что в рамках отработки алгоритма № 2 (табл. 1) осуществлено взаимодействие фрагментированных частей ледяного покрова (самоконтакт льда при его дроблении), что является принципиально важным условием адекватности CAE-моделей в задачах морской и речной ледотехники.
Таблица 1
Модели контактных алгоритмов в триаде «судно-ледяная среда-вода»
№ Модель контакта в LS-DYNA Контактирующая пара Характеристика контакта
*CONTACT_AUTOMATIC_NODES_TO_SURFACEJD лёд - стальная конструкция оболочечного типа Несимметричный «узлы-поверхность» без разрушения
*CONTACT_ERODING_SINGLE_SURFACE_ID лёд - лёд Симметричный «поверхность-поверхность» с разрушением
*CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE_ID лёд - стальная конструкция объёмного типа Несимметричный «поверхность-поверхность» с разрушением
*RIGIDWALL_GEOMETRIC_FLAT_ID лёд - недефор-мируемая среда Несимметричный «узлы- недеформируемая поверхность»
*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID_TITLE лёд - вода, конструкция -вода Несимметричный «связывание вида лагранжево тело-эйлерова жидкость»
Помимо выбранных моделей материалов и контактных алгоритмов, значимым условием корректности САЕ-решений ледовых задач выступает степень детализации и дискретизации при описании взаимодействующих тел и сред. Погоня за точным решением проблемы порождает гиперресурсопотребляемые модели, обработка которых «под силу» только суперпроизводительным ресурсоёмким вычислительным комплексам (задача, распараллеленная на сотни подзадач). Как правило, ледовые эксперты не располагают таковыми возможностями. В лучшем случае, вычислительная система поддерживает несколько десятков параллельных процессоров (допустима мультия-
дерность и гипертрейдинг) с оперативной памятью в несколько Гб. Поэтому решение осуществляется в рамках разумного соотношения между временными затратами на обсчёт модели и её соответствием с натурой. Опыт показал, что этот компромисс вполне достижим даже при использовании современных персональных компьютеров.
В качестве показательного примера такого компромисса следует отметить отработанные САЕ-решения задач ледовой ходкости и управляемости судов. Учитывая, что гидродинамические корпусные нагрузки многократно меньше ледовых, первые в подобных задачах допустимо задавать приближённо. Для этого воздействие воды заменяется назначением узловых сил на корпусе судна и ледяном покрове. При этом исключение воды как контактной среды из процесса симуляции почти на порядок снижает ресурсопотребление модели, сохраняя практически приемлемую точность решения.
В общем случае при использовании приближённых методов оценки гидродинамического воздействия на корпус судна во льдах требуется корректировка значений гидродинамических нагрузок, полученных для чистой воды. Для условий ледового канала можно рекомендовать использование поправочного коэффициента (рис. 1). При отсутствии натурных данных кривые гидродинамического сопротивления судна в чистой воде предпочтительно определять численными методами, но допустимо рассчитывать с использованием традиционных методик [18].
Сплочённость льда 10 баллов 9 баллов 8 баллов 7 баллов 6 баллов /
В 1 Г-
х N \ А
х чЗ % Л ж У
- о ж
/ \А
/ / у > \ ш
/ / X
***
Толщина льда, м
Рис. 1. Коэффициент увеличения корпусных гидродинамических нагрузок в ледовых условиях
Для судов внутреннего и смешанного плавания с традиционной формой обводов корпуса и открытыми гребными винтами приближённую оценку потерь упора движителей в мелкобитых и тёртых льдах допустимо производить по графикам рис. 2.
На рис. 2 приняты следующие обозначения. Т - относительный упор движителей:
- Т
Т = , (1)
Т4
где Тссе - упор движителей в ледовых условиях;
Т^ - упор движителей в чистой воде в режиме «на швартовах переднего хода». V - относительная скорость движения судна:
- V.
V = , (2)
V
cw
где Vсе - скорость хода судна в ледовых условиях; Vcw - скорость полного хода судна в чистой воде. Ъ - относительная толщина льда:
И = -Ъ-, (3)
И
тах
где И - толщина льда; Ъ - ледопроходимость судна, см:
Ътах ^ Ре*пу , (4)
где Реп^ - суммарная мощность ГД, л.с.
CAE-решения ледовых задач специального рассмотрения
Потребность применения САЕ-технологий в сфере морской и речной ледотехни-ки, в первую очередь, связана с решением ледовых проблем, требующих специального рассмотрения. Под специальным рассмотрением понимается процедура принятия экспертного решения в условиях недостаточности репрезентативной информации об исследуемом ледовом процессе, сопровождающаяся, как правило, либо значительной ограниченностью, либо неадекватностью (отсутствием) традиционных методик, описывающих подобные процессы. Следует отметить, что при существующей в настоящее время многочисленности подобных полуэмпирических методик по оценкам ледового воздействия на гидротехнические сооружения, суда и их ДРК сохраняется достаточный круг задач, требующих специального рассмотрения.
При невозможности осуществления натурного эксперимента приемлемые для практики решения ледовых проблем может обеспечить только их моделирование. При этом подразумеваются как реальные, так и виртуальные модели (САЕ-модели). Степень точности реализации условий процесса определяет уровень адекватности модели. Следует отметить, что оба способа моделирования несовершенны.
Принципиальными недостатками реального моделирования являются невозможность разделения гидродинамических и ледовых нагрузок на корпусе судна и его ДРК, несовершенство модельного ледяного покрова, необеспеченность полного физического подобия и необходимость пересчёта результатов с модели на натуру. Всё это вносит погрешности в модель, ограничивающие применение данного метода. Сюда же можно отнести высокую ежеразовую материальную затратность, сложность
подготовки и выполнения полномасштабного опыта, а в ряде случаев - его неосуществимость (например, постановку процесса сжатия судна льдами с анализом поведения корпусных конструкций).
Формирование новой детальной виртуальной модели также трудоёмкий процесс, но он существенно облегчается и ускоряется при поддержании библиотек «элементов моделей», созданных в предыдущих сеансах (и особенно, если вновь моделируемая ситуация близка к прототипу). Другим существенным ограничением САЕ-модели-рования следует признать его высокую вычислительную ресурсозатратность. Однако реализация виртуальной модели позволяет имитировать, практически любой процесс взаимодействия конструкции (тела) с ледяным покровом. Поэтому виртуальная модель является не только альтернативой реальной модели, но и в ряде случаев - единственным средством получения достоверных данных. Ниже это проиллюстрировано кратким перечнем задач, требующих специального рассмотрения и успешно решаемых с применением виртуального моделирования.
В данную группу, безусловно, входят все задачи, связанные с оценками безопасных условий ледового судоходства и предсказаниями последствий воздействия льда на гидротехнические сооружения. Так анализ зависимостей, входящих в состав полуаналитических методик прогноза ходкости, инерционных характеристик и поворотливости, указывает на наличие в них большого количества корректирующих эмпирических коэффициентов [1, 2, 16-18]. При отсутствии надёжных натурных данных для их определения ледовые эксперты вынуждены были неоднократно прибегать к численному эксперименту (рис. 3-5).
N0 ЯЕйК^ВИ
11 - 1 1 1 I - 1 ! 1
-
1 1 !_ 11 1
б
Рис. 3. Влияние ширины ледового канала на ходкость судна (а - ширина канала 20 м; б - ширина канала 60 м)
а
здчл уз
б
Рис. 4. Влияние раздробленности льдов на ходкость судна (а - тёртый лёд; б - мелкобитый лёд)
б
Рис. 5. Влияние граничных условий на поворотливость судна во льдах (а - свободное поле; б - стеснённый ледовый канал)
При невозможности проведения полномасштабных натурных испытаний альтернативным путём надёжного прогнозирования взаимодействия нескольких судов во льдах также зарекомендовал себя САЕ-эксперимент (рис. 6-8) [13].
Рис. 6. Расхождение судов в тёртых льдах выполнением маневра «уклонение»
б
Рис. 7. Совместная прокладка канала в сплошных льдах двумя ледоколами (а - способом «борт к борту»; б - способом «уступ»)
Рис. 8. Околка грузового судна в сплошных льдах двумя ледоколами
Для флота, эксплуатируемого во льдах, согласно требований классификационных обществ предусмотрена обязательная процедура оценки его ледовых качеств. Для современного судовладельца процедура получения экспертного заключения о ледовых качествах судна на основе натурных или модельных экспериментов, как правило, неприемлема по причинам экономического характера. Поэтому анализ ледовых качеств в настоящее время сведён к расчётам по фактическому состоянию судна с использованием эмпирических, полуаналитических или численных методик, обоснованное предпочтение которым отдают лицензированные эксперты. За последнее десятилетие отечественный флот пополнился новыми грузовыми судами смешанного река-море плавания. При этом некоторые серии имеют в обозначении класса символ ледовой категории. Новизной конструктивных решений применительно к флоту смешанного плавания является применение в ряде проектов увеличенной ширины (до 17 м) и длины цилиндрических вставок (до 75% расчётной длины), полных носовых обводов с коэффициентом полноты водоизмещения более 0,92 (например, проекты 19614, RSD44, RST27), бульбообразных носовых оконечностей (проекты RST07, RST22, RST27). Такие формы признаны нетрадиционными. Нетрадиционная форма корпуса (и особенно носовой части) предполагает особенности взаимодействия битых льдов с ним. Эти особенности не учитываются нормативными и классическими полуэмпирическими методиками при расчётах кривых ледового сопротивления подобных судов. Согласно правилам Российских Регистров оценки их ледовых качеств безоговорочно являются предметом специального рассмотрения. Поэтому при разработке ледовых паспортов, например, таких проектов как 19614, RSD44, RST27 оценки ходкости и поворотливости во льдах производись только по результатам САЕ-моделирования (рис. 9, 10) [11].
Рис. 9. Характер контакта носовой оконечности танкера проекта ЯБТ27 с тёртыми льдами
ГЦ 19314 Н02 НО РЕЯ Т1ШН
Т1г' - Г1
Рис. 10. Отворот танкера проекта 19614 в мелкобитых льдах
Хорошо поддаются САЕ-решениям задачи ледовой прочности судов. Так для обоснования допустимых условий эксплуатации при ледовых сжатиях достаточно смоделировать ледовое воздействие на одно бортовое перекрытие цилиндрической вставки судна с жёстко закреплёнными узлами по периметру конструкции (рис. 11). А вот оценки последствий сильных сжатий или ударного взаимодействия с ледяными образованиями с целью выбора безопасных скоростей движения в ледовом канале и разреженных битых льдах требуют реализации уже более сложных моделей (рис. 12,
13) [8, 11].
Рис. 11. Характер повреждений бортового перекрытия танкера проекта 19614 при допустимом ледовом сжатии
б
Рис. 12. Общий (а) и детализированный (б) характер повреждения носовой части судна ледового класса «1се-1» при ударе о плавающую льдину
Рис. 13. Характер повреждений цилиндрической вставки судна ледовой категории «лёд-40» при сильном сжатии льдами
В составе ледовых качеств ДРК судна с помощью традиционных полуэмпирических методик корректно определяется несущая способность лопастей гребного винта, прочность валопровода, руля и его баллера при нормируемых ледовых нагрузках. А вот достоверная оценка местной ледовой прочности кромок лопастей винта пока доступна только численным методам. При этом кроме расчётного режима «фрезерова-
ние», обязательному анализу подвергается и режим «навала» неработающего винта на припайный лёд (рис. 14, 15) [8].
Рис. 14. Оценка прочности гребного винта в режиме «фрезерование» льда
Рис. 15. Оценка прочности лопасти в режиме «навала» неработающего винта
на неподвижный лёд
Не менее важным ледовым качеством ДРК являются его пропульсивные характеристики. В классических методиках расчёта достижимых режимов движения судна во льдах они априорно отождествляются с условиями чистой воды при прочих одинаковых параметрах работы движителей. САЕ-симуляция работы ДРК позволяет обоснованно скорректировать их тяговые и рулевые характеристики в ледовых условиях (рис. 16) [8, 10, 12].
Решения частных задач ледовой безопасности гидротехнических объектов, в основном, связаны с расчётом нагрузок от воздействия подвижных льдов на счалы ошвартованных стоечных судов, причалы, стенки, откосы, жёсткие и податливые опоры различной формы. Необходимо отметить, что эти нагрузки имеют переменный не только пространственный, но и временной уровень. Для податливых конструкций (в том числе и швартов) динамические нагрузки в начальные моменты навала льдов многократно превосходят их последующую величину, что неоднократно приводило к разрыву швартовных канатов и навалу на нижестоящие по течению сооружения. Прогноз временного развития подобных явлений, недоступный для классических методов, вполне осуществим с применением конечноэлементного моделирования (рис. 17) [9].
а
в
Рис. 16. Исследование пропульсивных качеств различных ДРК во льдах (а - ДРК «винт-руль»; б - ДРК «винт-поворотная насадка»; в - ДРК «винторулевая колонка»)
ТЕРРАСЕ Т1.6
Г .п. - 162.13
Рис. 17. Исследование навала дрейфующих льдов на суда защитного ограждения
CAE-эксперименты в теории ледотехники
Справедливость классических расчётных методов рассматриваемой области ледотехники ограничена кругом проектно-эксплуатационных проблем, когда воздействие ледовых нагрузок рассматривается на значительном временном интервале, исчисляемом десятками часов. Сказывающийся в этом случае «эффект сглаживания» даёт вполне корректный результат для практического использования, несмотря на введение в полуэмпирические зависимости различных допущений. Между тем, существует достаточный ряд частных задач безопасности. В основном они связаны с оптимизацией маневрирования судов (в том числе и совместного) в различных конкретных ледовых условиях или воздействия льдов на объекты в краткосрочный период времени (в пределах от нескольких минут до нескольких десятков минут). Опыт показал, что в таких случаях прогноз безопасных условий с позиций усреднения влияния набора ледовых аргументов (что и предлагают традиционные решения) будет иметь низкую оправдываемость. При решении подобных проблем процесс ледового контакта или движения судна следует рассматривать с позиций обязательного учёта пространственно-временной неустойчивости всего комплекса факторов: раздробленности льдов, их сплочённости и толщины, ширины и формы ледового канала, распределения суммарных нагрузок на корпусе со стороны льдов (а, возможно, и навалившегося соманеврирующего судна), скорости движения, закона управления судном и пр.
Преимущества неавтономности CAE-моделей в сочетании с раздельным учётом составляющих ледовогидродинамического воздействия позволяют оценить справедливость введения некоторых утверждений, априорно принимаемых гипотез, условий, оговорок, упрощений, допущений в аналитических или полуэмпирических методиках расчёта ледовой прочности, ходкости и маневренности судов. Поэтому особую актуальность CAE-подходы приобретают в решениях краткосрочных задач ледовой безопасности флота, прогноза допустимых условий ледовой эксплуатации судна, его комплексов и систем. Ниже это продемонстрировано рядом теоретических положений морской и речной ледотехники, которые подвергнуты сомнению результатами численных экспериментов.
Классические методики расчёта ледовой ходкости и маневренности базируются на прогнозе «чистых» ледовых нагрузок, априорно принимая гипотезу о независимости ледового и гидродинамического воздействия на корпус и ДРК судна. Согласно этой гипотезе гидродинамические нагрузки во льдах и на чистой воде эквивалентны при одинаковых режимах эксплуатации судна (скорости движения, частоте вращения движителей, угле перекладки рулевого комплекса) [1, 2, 16-18]. Однако данная гипотеза не проверена экспериментально из-за отсутствия каких-либо технических средств, реализующих раздельное измерение ледовых и гидродинамических сил на корпусе судна и элементах его ДРК. Результаты численного моделирования, в общем случае, не подтвердили этот базовый постулат полуаналитических методик (рис. 18, 19) [8, 5].
Рис. 18. Гидродинамическое сопротивление сухогруза проекта RSD44 в различных условиях (В, D - чистая вода; А, С - мелкобитый сплочённый лёд в канале)
Рис. 19. Сравнение ледовых и гидродинамических нагрузок, действующих на винт танкера проекта 19614 при постоянной частоте вращения (А - упор в чистой воде; В - ледовое сопротивление; С - «чистый» упор во льдах;
D - результирующий упор во льдах)
Все полуаналитические зависимости, описывающие процесс движения судна в битых льдах, получены в предположении свойств однородности, изотропности ледяной среды и сплошности её контакта с корпусом судна. Однако на практике эти условия чаще не выполняются, что приводит к эффектам противоположным прогнозу традиционных методик. Так, в краткосрочных задачах безопасности это, как правило, проявляется в нарушении теоретического баланса скорости судна и его ледового сопротивления, согласно которому ледовые усилия находятся в квадратичной зависимости от скорости движения. Фактически при возмущении ледяной среды подвижным судном образуются локальные зоны её торошений и наслоений, чередующиеся с разводьями. Сплочённость, а частично и толщина льда постоянно перераспределяются, приводятся в движение его большие массы, что порождает немонотонный и неквадратичный прирост ледового сопротивления при увеличении скорости хода судна. Следует также отметить, что САЕ-эксперименты многократно фиксировали рост ледового сопротивления при устойчивом снижении скорости хода судна (рис. 20) [8, 5].
'1 1 2 3
:
с 4
• у' --' . — "1
:: - : % ш
: . / • V, . . '..О
л г; ' Ч - 5 л 1. V. V:, у; г-ч
Ш Р *
Скорость движения, м/с
Рис. 20. Чистое ледовое сопротивление судов в канале, заполненном сильносплочёнными мелкобитыми льдами толщиной 0,5 м (1 - танкер проекта RST27; 2 - танкер проекта 19614; 3 - сухогруз проекта RSD44)
Сведение интегральными методами реального воздействия ледяной среды на корпусе судна к сплошной нагрузке, распределённой в плоскости конструктивной ватерлинии, также не подтверждено САЕ-экспериментами. В естественных условиях льдины контактируют с обшивкой в нескольких локальных зонах, чаще находящихся вне уровня рабочей ватерлинии. Следует признать, что имеет место перераспределение ледовых нагрузок по корпусу, но характер этого перераспределения в границах ледового пояса судна несопоставим с его интегральным описанием (рис. 21).
Рис. 21. Распределение ледовых напряжений в корпусе по периметру ватерлиний (А - рабочая; В - уровень 1 м ниже рабочей; С - уровень 2 м ниже рабочей; D - уровень 3 м ниже рабочей)
Интегральный подход вынуждает авторов уточнять аналитические зависимости набором коэффициентов, справедливых только в пределах использованного эмпири-
ческого материала. Их экстраполяция на другие условия (или суда) снижает степень адекватности методик вплоть до их неприемлемости.
Принципиально важный теоретический результат численных экспериментов по ледовой ходкости и управляемости - это отрицание постоянной составляющей (не зависящей от скорости движения) в сопротивлении битых льдов для подвижного судна. Последняя присутствует в структуре всех полуэмпирических зависимостей [1, 2, 17, 18]. Конечноэлементное моделирование показало, что эту составляющую следует толковать только как потенциальную сопротивляемость ледяного покрова для неподвижного судна, подобную статическому трению в механике, ибо степень подвижности судна сказывается на свойствах ледяной среды (рис. 22) [8].
Рис. 22. Ледовое сопротивление танкера проекта 19614 при различных режимах разгона
В классических методиках по оценкам местной ледовой прочности судна при описании процесса его соударения с ледяными образованиями корректно решена задача определения только суммарного контактного усилия в пределах упругих деформаций борта [3, 15]. С ростом пластических деформаций накапливается ошибка расчёта.
В традиционных методиках основным аргументом при расчёте таких параметров соударения как сила, глубина смятия кромки льда, время соударения, прогиб льдины является форма контактной зоны. В зависимости от вида контактной кромки льда (угловой, закруглённой, протяжённой) эта зона сведена к примитиву треугольника или эллиптического сегмента.
На практике контактное пятно имеет произвольную форму, так как льдина прогибается, раздробленная часть льда вытесняется и распространяется вдоль борта, продолжая взаимодействовать с обшивкой. Это пятно перемещается вдоль судна, оставляя на корпусе деформационный след сложной формы (рис. 23) [8, 7, 14].
Необходимо отметить, что в ряде расчётных вариантов были отмечены большие пластические деформации у элементов, находящихся на значительном удалении от непосредственной контактной зоны. Если дополнительно учесть, что в процессе удара судно получает крен и дифферент, то адекватное аналитическое описание конфигурации этого следа пока не достигнуто. Поэтому для сложных в конструктивном исполнении частей корпуса (например, носовая или кормовая оконечности, наиболее подверженные ударному воздействию со стороны льда) эти решения нельзя назвать адекватными.
Список литературы:
[1] Ионов Б.П., Грамузов Е.М. Ледовая ходкость судов; 2 издание, исправленное. - СПб.: Судостроение, 2014. - 504 с.
[2] Каштелян В.И., Позняк И.И., Рывлин А.Я. Сопротивление льда движению судна. - Л.: Судостроение, 1968. - 238 с.
[3] Курдюмов В.А. Расчётные методы определения ледовой нагрузки на корпус судна // Перспективные типы морских транспортных судов, их мореходные и ледовые качества. Транспорт. 1990. - С. 116-127.
[4] Лобанов В.А. Алгоритм контактного взаимодействия тел со льдом в задачах с конечноэле-ментной постановкой. Дифференциальные уравнения и процессы управления, № 3, 2009. Электронный журнал, рег. № П2375 от 07.03.97 ISSN 1817-2172, http://www.neva.ru/journal/j/pdf/ lobanov2.pdf
[5] Лобанов В.А. Ледовая ходкость сухогруза смешанного плавания // Интернет-журнал «Науковедение». 2013 №4 (17) [Электронный ресурс]. - М., 2013. - С. 1-12. - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/72tvn413.pdf, свободный - Загл. с экрана.
[6] Лобанов В.А. Моделирование льда в задачах с конечноэлементной постановкой. Дифференциальные уравнения и процессы управления, № 4, 2008. Электронный журнал, рег. № П2375 от 07.03.97 ISSN 1817-2172, http://www.neva.rU/journal/j/RU/numbers/2008.4/issue.html
[7] Лобанов В.А. Оценка местной ледовой прочности корпуса судна численными методами. Дифференциальные уравнения и процессы управления, № 3, 2010. Электронный журнал, рег. №ФС77-39410 от 15.04.2010 ISSN 1817-2172, http://www.neva.ru/journal/j/pdMobanov4.pdf
[8] Лобанов В.А. Оценки ледовых качеств судов с применением CAE-систем: монография / В.А. Лобанов. - Н. Новгород: Изд-во ФБОУ ВПО «ВГАВТ», 2013. - 296 с.
[9] Лобанов В.А. Прогноз ледового воздействия на суда Пермского портового флота при планировании его зимнего отстоя //Интернет-журнал «Науковедение». 2014 №1 (20) [Электронный ресурс]. - М. 2014. - С. 1-13. - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/34tvn114.pdf, свободный - Загл. с экрана.
[10] Лобанов В.А. Пропульсивные качества комплекса винт-насадка во льдах // Интернет-журнал «Науковедение» Том 7, №1 (2015). - С. 1-18. - Режим доступа: http://naukovedenie.ru /PDF/36TVN115.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ. DOI: 10.15862/36TVN115
Рис. 23. Характер деформационного следа в носовой части судна ледового класса «1се-1» при ударе о плавающую льдину
[11] Лобанов В.А. Разработка с применением CAE-систем нормативных документов по безопасности ледового плавания судна // Интернет-журнал «Науковедение». 2013 №4 (17) [Электронный ресурс]. - М. 2013. - С. 1-14. - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/71tvn413.pdf, свободный - Загл. с экрана.
[12] Лобанов В.А. Рулевая сила комплекса винт-руль во льдах // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 7, №5 (2015) http://naukovedenie.ru/PDF/189TVN515.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ. DOI: 10.15862/189TVN515
[13] Лобанов В.А. Совместное маневрирование судов во льдах на малых расстояниях // Интернет-журнал «Науковедение» 2014. № 6. - С. 1-29. - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/ 104TVN614.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ. DOI: 10.15862/104TVN614
[14] Лобанов В.А. Численная оценка ледовых качеств судна. Прочность. Вестник научно-технического развития, №12, 2011. Электронный журнал, № гос. рег. 0421200120, ISSN 20706847, http://www.vntr.ru/ftpgetfile.php?id=563
[15] Прочность судов, плавающих во льдах / Ю.Н. Попов, О.В. Фаддеев, Д.Е. Хейсин, А.Я. Яковлев. - Л.: Судостроение, 1967. - 224 с.
[16] Сазонов К. Е. Управляемость судов во льдах: методы определения ледовых сил, действующих на движущийся по криволинейной траектории корпус, и зависимости показателей поворотливости судов от характеристик корпуса и внешних условий : диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук : Специальность 05.08.01 - теория корабля и строительная механика / Гос. науч. центр РФ.- Санкт-Петербург, 2004.- 285 с.
[17] Сандаков Ю.А. Об определении полного ледового сопротивления речных судов в битых льдах // Тр. ГИИВТА. Судовождение на внутренних водных путях. - Горький, 1971. Вып. 116. Ч. 2. - С. 85 - 89.
[18] Тронин В.А. Повышение безопасности и эффективности ледового плавания судов на внутренних водных путях : диссертация на соискание учёной степени доктора технических наук: специальность 05.22.16 - Судовождение / Горький, 1990. - 414 с.
[19] Hallquist J.O. LS-DYNA 950. Theoretical Manual. Livermore Software Technology Corporation. LSTC Report 1018. Rev. 2. USA, 2001. - 498 p.
COMPUTER-AIDED TECHNOLOGIES APPLICATION FOR THE SEA AND RIVER ICE TECHNOLOGY PROBLEMS SOLUTION
V.A. Lobanov, R.S. Khvostov
Keywords: vessel, ice conditions, ice technology, computer-aidedsystems, finite element modeling
In the article a short review on the computer-aided technologies application for the shipping transport ice characteristics and the ice impact forecast on hydroengineering constructions is made. Some general information about computer-aided systems, their use peculiarities in the sea and river ice technology problems solution is given. Some particular examples concerning the special consideration ice problems solution with the help of computer-aided technologies are illustrated. The computer-aided experiments importance for the sea and river ice technology is emphsized. Some results which can be used as the help are given.
Статья поступила в редакцию 29.03.2016 г.
