CC BY-NC
8
DOI: 10.24937/2542-2324-2020-2-S-I-77-82 УДК: 629.5.023.242
М.С. Шилкина
АО «Центральный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт морского флота», Санкт-Петербург, Россия
ПРИМЕНЕНИЕ ПОИСКОВЫХ МЕТОДОВ ДЛЯ ОБОСНОВАНИЯ УСИЛЕНИЙ КОНСТРУКЦИЙ ЛЕДОВОГО ПОЯСА ПРИ ПЕРЕХОДЕ ИНОСТРАННЫХ СУДОВ ЛЕДОВОГО ПЛАВАНИЯ В КЛАСС РОССИЙСКОГО МОРСКОГО РЕГИСТРА СУДОХОДСТВА
Объектом исследования является многофункциональное судно водоизмещением 10406 т, с момента постройки имеющее ледовый класс IA Super, относящийся к классификации балтийских судов ледового плавания. Целью исследования является обоснование варианта модернизации конструкции ледового пояса эксплуатирующегося судна путем усиления существующих элементов набора с помощью дополнительных сварных элементов.
Анализируются основные характеристики, главные размерения, параметры формы корпуса многофункционального судна; приводится обоснование варианта модернизации конструкции с помощью оптимизационно-поисковой задачи математического программирования и метода конечных элементов (МКЭ).
Аналитический расчет конструкции ледового пояса показал, что с помощью дополнительных элементов можно обеспечить необходимую прочность существующей конструкции без замены профиля. Применение в аналитическом расчете оптимизационно-поисковых процедур позволило быстро и точно определить характеристики дополнительных элементов. Расчет МКЭ подтвердил, что при применении предложенного метода подкрепления конструкции максимальные напряжения балочных элементов, возникающие под действием ледовой нагрузки, лежат в диапазоне допустимых значений напряжений. Подкрепление конструкции ледового пояса с помощью дополнительных элементов может не только обеспечить ее прочность, но и уменьшить массу требуемого металла конструкции ледового пояса, а также значительно сократить время ремонта и количество технологических работ, необходимых для его выполнения.
Ключевые слова: ледовый класс РС, реклассификация судов, ледовые усиления, модернизация корпуса, экономический анализ, оптимизационно-поисковый метод, метод конечных элементов. Автор заявляет об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2020-2-S-I-77-82 UDC: 629.5.023.242
M. Shilkina
JSC Central R&D Institute of Maritime Fleet (CNIIMF), St. Petersburg, Russia
RESEARCH STUDY METHODS FOR JUSTIFICATION OF ICE BELT STRUCTURES FOR FOREIGN ICE-NAVIGATION SHIPS GOING UNDER RS CLASSIFICATION RULES
This paper discusses a multifunctional vessel (displacement 10406 t) with ice class IA Super assigned upon construction. This ice class is a part of classification for Baltic ice-going ships. The purpose of this study is to justify the variant of upgrading the ice belt of this vessel by strengthening its current framing by means of additional welded elements.
The paper analyses main characteristics and particulars of this ship, as well as its hull shape parameters. Possible structural upgrades are justified through solution of an optimization search problem by means of mathematical programming and finite-element method.
Для цитирования: Шилкина М.С. Применение поисковых методов для обоснования усилений конструкций ледового пояса при переходе иностранных судов ледового плавания в класс российского морского регистра судоходства. Труды Крыловского государственного научного центра. 2020; Специальный выпуск 2: 77-82.
For citations: Shilkina M. Research study methods for justification of ice belt structures for foreign ice-navigation ships going under RS classification rules. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2020; Special Edition 2: 77-82 (in Russian).
The analysis of ice belt structures for this multi-purpose ship has shown that additional elements will make the existing structure sufficiently strong without the necessity to change its profile. Optimization search procedures implemented in this analysis offered fast and precise determination of additional elements. FEM-based calculation confirmed that if this upgrade variant is implemented, maximum ice-induced stresses in beams will be within acceptable limits.
Ice belt reinforcement by additional elements might result in not only greater structural strength but also in lower metal consumption of ice belt structures, as well as considerably reduce the duration and man-hours of repair. Keywords: RS ice class, reclassification of ships, ice belts, hull upgrade, cost analysis, optimization search method, finite-element method.
Author declares lack of the possible conflicts of interests.
Введение
Освоение и развитие Российской Арктики на сегодняшний день является одной из стратегических задач Российской Федерации. С каждым годом интерес к потенциалу Арктики растет, и это приводит к увеличению интенсивности судоходства, прежде всего на трассах Северного морского пути (СМП), что, в свою очередь, ставит перед судовладельцами ряд дополнительных задач, связанных с эксплуатацией судна в ледовых условиях. Наиболее распространенной задачей является выбор соответствующего ледового класса, который будет отвечать всем предъявляемым судовладельцем эксплуатационным требованиям
Наличие нескольких методологий, обеспечивающих безопасную эксплуатацию судов в ледовых условиях, предоставляют судовладельцам возможность выбора оптимального ледового класса для конкретных условий эксплуатации. Как показывает практика, наиболее востребованными ледовыми классами из классификации Российского морского регистра судоходства (РС) для эксплуатации на трассах СМП являются арктические ледовые классы Arc4-Arc5.
Проблемы приема судов ледового плавания иностранной постройки в класс Российского морского регистра судоходства
Приобретаемое судовладельцем подержанное судно иностранной постройки, как правило, имеет ледовый класс IA или IA Super в соответствии с Финско-швед-скими правилами по классификации балтийских судов (ФШ Правила), которые приблизительно эквивалентны ледовым классам РС Arc4 и Arc5 [1]. Процедура получения требуемого ледового класса РС в большинстве случаев предполагает проект изменения конструкции ледового пояса путем замены существующих конструкций или установкой дополнительных и/или подкрепляющих элементов, прочностные характеристики которых должны удовлетворять требуемым значениям, определяемым в соответствии с гл. 3.10 Части II «Корпус» Правил РС [2].
Т.к. требования ФШ Правил и Правил РС принципиально различаются как в подходах к определению районов ледовых усилений, так и в методике нормирования требуемых размеров конструктивных элементов, объем необходимых изменений для получения ледового класса РС может быть существенным.
В работе рассматривается многофункциональное судно, имеющее с момента постройки ледовый класс IA Super (ФШ правил), переходящее в класс РС с возможностью присвоения ледового класса Arc5. Распределение районов ледовых усилений применительно к рассматриваемому судну с категорией ледовых усилений Arc5 показано на рис. 1.
Обоснование возможных конструктивно-технологических решений по обеспечению выполнения требований к ледовым усилениям Правил Российского морского регистра судоходства
При смене ледового класса на более высокий разница требуемых размеров ледовых усилений будет больше, чем у эквивалентных, что влечет за собой значительное увеличение массы конструкции. Поэтому на начальных этапах выполнения аналитических расчетов выполняется модернизация конструкции путем изменения параметров судна, участвующих в вычислении требуемых размеров ледовых усилений. Однако параметры формы корпуса (углы а и в) и характеристики судна (водоизмещение и мощность главных механизмов) являются неизменяемыми значениями. Остальные параметры, относящиеся к конструкции (расстояние между балками, пролет, материал), могут варьироваться, и при их изменении значения требуемых размеров ледовых усилений могут быть значительно снижены.
На начальных этапах выполнения расчета ледовых усилений на ледовый класс Arc5 было определено, что при заданной нагрузке в носовом районе требуемая площадь поперечного сечения основного шпангоута больше фактической примерно в два раза. Т.к. расчет ледовых усилений выполняется поэтапно, определение параметров балок рамного набора невозможно без соответствующих подкреплений.
Л
bt
Рис. 1. Районы ледовых усилений для ледового класса Arc5
На существующих судах часто возникают технологические трудности, связанные с реализацией проекта переоборудования. Ремонт конструкции ледового пояса подразумевает наличие прямого доступа к корпусу судна, который достигается путем частичной разборки конструкции, а также, по необходимости, демонтажа трубопроводов, механизмов и других устройств и оборудования в прилегающих к корпусу помещениях, разборки изоляции переборок в жилых и служебных помещениях.
В общем случае на судах, для которых выполняется изменение конструкции ледового пояса в носовом районе ледовых усилений, где действуют наибольшие ледовые нагрузки, отсутствуют наиболее важные для эксплуатации судна помещения. Однако рассматриваемое судно имеет машинно-котельное отделение и помещение подруливающего устройства в носовом районе ледовых усилений, где демонтаж оборудования и систем крайне проблематичен и экономически невыгоден.
В качестве наиболее рационального способа решения проблемы предлагается усиление конструкции ледового пояса с помощью дополнительных элементов, привариваемых к внутренней стенке существующей балки (рис. 2).
(ггггт
а\\\\\>
I >50 им
(ГГПТТ\
1ч\\\\У
Û / / / / /\
Uww у
(>21 С
7ТТТ7Л
\\\\\>
А
А-А
Современные методы решения проектно-конструкторских задач
Определение требуемых размеров элементов подкрепления конструкций ледовых усилений проводилось по результатам решения оптимизационно-поисковой задачи математического программирования (ОПП). Это задача нахождения экстремума (минимума или максимума) целевой функции в некоторой области
Рис. 2. Пример сварного соединения на пробочных швах
векторного пространства при наличии линейных и/или нелинейных равенств и/или неравенств [3]. В данной работе целевая функция определяет массу конструкции, включая массу дополнительных подкрепляющих элементов в соответствии с ограничениями-неравенствами, формирующимися на основе требований к конструкциям ледовых усилений Правил РС: О(Х) = х^х2 + х3 + х5х6,
где х1 = мм - толщина листовой конструкции; х2 = a, м - расстояние между балками основного набора (шпация); х3 = /0, см2 - площадь сечения изолированного балочного элемента; х4=Кек, МПа - предел текучести стали листов, балок; х5 = Л мм - высота
варьируемых параметров - высоту дополнительной стенки hwall (рис. 3).
Т.к. формулы определения фактического момента сопротивления по Правилам РС не учитывают такую сложную форму поперечного сечения балки, фактический предельный момент сопротивления балки с дополнительной стенкой определялся как сумма статических моментов верхней и нижней половины сечения относительно нейтральной оси, разделяющей профиль с присоединенным пояском на две равные по площади части:
см3 = 5 + + 5
Результаты расчета требуемых параметров подкрепления основных и рамных балок набора бортового перекрытия в носовом районе, полученные с помощью ОПП с учетом всех ограничений, представлены в табл. 1 и 2.
Дополнительно была выполнена оценка прочности бортового перекрытия корпуса судна в носовом районе ледового пояса с помощью МКЭ. Расчет выполнялся для двух вариантов: при исходной компоновке конструкции ледового пояса (без учета подкреплений) и после подкрепления конструкции дополнительными элементами. После выполнения расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкции под действием ледовой нагруз-
■V,, С,
X,
15...20 мм
30 мм
Рис. 3. Обоснование геометрических ограничений дополнительной стенки: а) для балки основного набора; б) для балки рамного набора
ки, которую можно схематично представить в виде эпюры и приложенной в соответствующих для расчетных случаев узлах (в середине пролета основных и рамных балок набора и бортовых стрингеров), были получены эквивалентные напряжения.
На рис. 4а, б показаны эквивалентные напряжения, возникающие под действием ледовой нагрузки в основных балках набора, где видна разница напряжений в середине пролетов шпангоутов.
Т.к. в данной работе выполняется расчет в рамках линейной теории упругости и соотношение между предельной нагрузкой и нагрузкой фибровой текучести (при которой приведенные напряжения равны пределу текучести материала) составляю 1,6-2,0 предела текучести, то в качестве нормативного параметра выступает удвоенный предел текучести материала, численное значение которого составляет ориентировочно 630 МПа.
Из табл. 3 видно, что при исходной конструкции эквивалентные напряжения превышают удвоенный предел текучести материала, однако при наличии дополнительных подкрепляющих элементов эквивалентные напряжения находятся в допускаемом диапазоне, что подтверждает применимость данного способа подкрепления конструкции ледового пояса.
Оценка экономических последствий выбора способа подкрепления конструкции ледового пояса
Для полноценной оценки металлоемкости дополнительно была выполнена экономическая оценка реализации двух вариантов подкрепления основных балок набора. Средняя стоимость корпусной стали повышенной прочности с учетом работ составляет $8-9 за 1 кг металла. Дополнительные работы по гибке, конструктивному оформлению и т.п. влекут за собой удорожание на 10-15 %, поэтому в качестве расчетной принята цена $9,5. Расчет стоимости требуемого металла, необходимого для подкрепления основных балок набора для двух вариантов выполнения ремонта, приведен в табл. 4, где видно, что вариант с дополнительными элементами подкрепления экономически предпочтителен.
Заключение
В данной работе выполнено обоснование варианта модернизации конструкции ледового пояса эксплуатирующегося судна путем усиления существующих элементов набора с помощью дополнительных свар-
Таблица 1. Результаты характеристик ледовых усилений основных балок набора, полученные с помощью оптимизационно-поисковых процедур
Район Элемент Доп. стенка A , см2 тр шп' A , см2 new шп' W , см3 тр шп' W , см3 new шп'
p_AI, бульб HP 240x10 160x10 39,141 42,10 553,20 734,00
HP 240x10 160x10 34,529 42,10 419,22 734,00
HP 260x10 180x6 32,340 39,50 376,04 724,00
p_AI, верт HP 240x10 160x10 39,141 42,10 553,20 734,00
HP 240x10 160x10 34,529 42,10 419,22 734,00
Р_А1 HP 240x12 160x7 36,487 42,60 487,96 706,00
HP 240x12 160x7 36,487 42,60 487,96 706,00
Р_А,1 HP 220x10 150x7 25,999 34,10 288,72 547,00
HP 240x10 160x7 26,019 37,10 281,05 648,00
Таблица 2. Результаты характеристик ледовых усилений рамных балок набора, полученные с помощью оптимизационно-поисковых процедур
Район Профиль Доп. элемент A , см2 тр шп' A , см2 new шп' W , см3 тр шп' W , см3 new шп'
p_AI, верт 800x15/200x15 - 98,99 126,30 1500,29 6466,19
650x15/200x15 200x8 106,3 119,80 1901,89 5161,00
Р_А1 700x10/200x15 250x6 85,5 89,10 1517,02 4937,10
600x10/200x15 150x5 92,83 109,10 1680,46 4288,80
Рис. 4. Эквивалентные напряжения, возникающие под действием ледовой нагрузки в основных балках набора: а) без учета подкреплений; б) после подкрепления конструкции дополнительными элементами
Таблица 3. Результаты расчета
Элемент конструкции Исходная компоновка конструкции Подкрепленная компоновка конструкции
Эквивалентные напряжения, МПа
Основные балки набора 750 600
Бортовые стрингера 350 250
Рамные балки набора 750 600
Таблица 4. Стоимость общей массы требуемого металла
Замена профиля Дополнительные элементы
Масса, кг 49,29 40,34
Стоимость $616,21 $379,23
Доп. работы 3551,93 -
ных элементов и реализация данного метода с использованием оптимизационно-поисковых процедур.
В результате работы были получены следующие основные выводы:
1. Применение в аналитическом расчете оптимизационно-поисковых процедур позволило быстро и точно определить характеристики дополнительных элементов существующих балок набора бортового перекрытия.
2. Аналитический расчет конструкции ледового пояса показал, что с помощью дополнительных элементов можно обеспечить необходимую прочность существующей конструкции без замены профиля. В качестве проверки несущей способности конструкции ледового пояса с помощью ПК ANSYS был выполнен расчет прочности МКЭ бортового перекрытия в носовом районе ледовых усилений. Расчет МКЭ показал, что при применении предложенного метода подкрепления конструкции возникающие под действием ледовой нагрузки максимальные напряжения балочных элементов лежат в диапазоне допустимых значений напряжений, тем самым обеспечивая необходимый запас прочности конструкции.
3. Подкрепление конструкции ледового пояса с помощью дополнительных элементов может не только обеспечить ее прочность, но и уменьшить массу требуемого металла конструкции ледового пояса, а также значительно сократить время ремонта и количество технологических работ, необходимых для его выполнения.
В данной работе была изначально поставлена задача по обоснованию варианта модернизации существующей конструкции ледового пояса с помощью
дополнительных элементов. В случае необходимости выполнения более сложного ремонта, включающего замену наружной обшивки ледового пояса, применение предложенного метода может оказаться экономически невыгодно. Но в рамках выполнения сложного ремонта, технология подкрепления конструкции может быть применена для тех участков конструкции, которые труднодоступны или требуют дополнительного сложноорганизованного демонтажа.
Список использованной литературы
1. Российский морской регистр судоходства. Международная ассоциация классификационных обществ. Символика классификации судов. Санкт-Петербург, 2015.
2. Российский морской регистр судоходства. Правила классификации и постройки морских судов. Часть II «Корпус». Санкт-Петербург, 2020.
3. Тряскин В.Н. Автоматизированное параметрическое проектирование конструкции корпуса судна. Санкт-Петербург: СПбГМТУ, 2010. 150.
Сведения об авторе
Шилкина Марина Сергеевна, инженер 1 категории АО «Центральный научно-исследовательский и проек-тно-конструкторский институт морского флота». Адрес: 191015, Россия, Санкт-Петербург, Кавалергардская улица, д. 6, лит. А. Тел.: +7 (921) 436-74-59. E-mail: ShilkinaMS@ cniimf.ru.
Поступила / Received: 09.11.20 Принята в печать / Accepted: 21.12.20 © Шилкина М.С., 2020
