CC BY
73
Лобанов Василий Алексеевич
Lobanov Vasily Alekseevich Волжская государственная академия водного транспорта (Нижний Новгород) Volga State Academy of Water Transport (Nizhniy Novgorod) доцент кафедры Судовождения и безопасности судоходства The Safety of Navigation and Shipping department - associate professor
кандидат технических наук Candidate of technical sciences Доцент / Associate professor E-Mail: lobbas@mail.ru
05.22.19 Эксплуатация водного транспорта, судовождение
Разработка с применением CAE-систем нормативных документов по безопасности ледового плавания судна
Development with the use of CAE-systems of normative documents on safety of the
vessel ice navigation
Аннотация: В работе на примере танкера ледового плавания приведена структура Свидетельства о допустимых условиях ледового плавания судна. Отмечено, что Свидетельство требует развёрнутого приложения с анализом основных ледовых качеств судна, например, в виде Ледового паспорта. Проведён обзор возможностей CAE-систем в сочетании с аналитическими методами для оценки этих качеств. Показаны условия и формы отображения результатов в нормативных документах, регламентирующих допустимые режимы плавания судов во льдах.
The Abstract: In the work on the example of tanker of ice navigation structure of the ice navigation Ship Certificate shown. Noted that the Certificate requires the deployed application with the analysis of the main ice Performances of the vessel, e.g. in the form of Ice passport. A review of opportunities CAE-systems together with the analytical methods for the evaluation of these Performances. Shows the terms and form of displaying the results in the normative documents regulating the permissible modes of navigation in ice.
Ключевые слова: Судно, ледовые качества, ледовый паспорт, CAE-системы.
Keywords: Vessel, ice Performances, ice Passport, CAE-systems.
Введение
В настоящее время сохраняется необходимость в ледовом плавании судов. Она обусловлена рядом причин как объективного, так и субъективного характера. При этом остаётся актуальной задача обеспечения безопасности ледового судоходства, что подтверждается достаточно высоким уровнем его ледовой аварийности. В целях снижения этого показателя в декабре 2011 года Российский морской регистр судоходства (РМРС) утвердил новый регламентирующий документ - Свидетельство о допустимых условиях ледового плавания судна (Свидетельство) [8]. РМРС рекомендует иметь Свидетельство поднадзорным ему судам, участвующим в ледовых транспортных операциях. Этот документ призван уточнить и конкретизировать ледовые качества судна и условия его безопасной эксплуатации во льдах.
Свидетельство выдаётся по заявке судовладельца после внеочередного освидетельствования судна. При этом обязательным условием получения документа является экспертиза основных ледовых качеств судна. Таковая экспертиза предшествует освидетельствованию и выполняется компетентной организацией, уполномоченной для этих целей РМРС (ВГАВТ имеет такой статус). Одной из признанных РМРС составляющих экспертизы являются расчёты по методикам, обоснованное предпочтение которым отдают эксперты. Использование для этих целей известных полуэмпирических (полуаналитических) решений ограничено. Кроме того, Свидетельство требует анализа некоторых режимов эксплуатации судна и его устройств, которые для подобных методик являются «нерасчётными». Поэтому наряду с упомянутыми методиками для решения экспертных проблем начинают использоваться САЕ-системы [10].
CAE-системы - это программные комплексы, реализующие численные (чаще в конечноэлементной постановке) решения в задачах механики твёрдых тел и различных сред. Трудоёмкость описания и относительная длительность решения задач в большой степени окупается высокой адекватностью, наглядностью, детализацией рассматриваемых процессов. В общем случае САЕ-системы в сочетании с традиционными решениями - это инструмент, обеспечивающий оптимальное соотношение затрат судовладельца на проведение анализа ледовых качеств судов с достоверностью получаемых результатов.
Структура Свидетельства и Ледового паспорта судна
Свидетельство, первоначальная форма которого была утверждена РМРС в циркуляре [8], регламентировало только безопасные режимы, причём акцент делался на условия самостоятельного ледового плавания и под проводкой ледокола. Однако достижимые режимы также определяют условия безопасной ледовой эксплуатации судна. Поэтому эксперты ВГ АВТ рекомендовали использовать в качестве обязательного приложения к Свидетельству Ледовый паспорт судна. Принятые к исполнению форма и содержание Свидетельства (на примере одного из танкеров проекта 19614) показаны на рис. 1.
Имеющийся у экспертов опыт в оценках ледовых качеств судов, позволил сформировать содержание Ледового паспорта. Перечисленная ниже информация, как правило, необходима и достаточна для ледового штаба при организации ледовых транспортных операций с участием данного судна:
1. Технические характеристики судна.
2. Анализ ледовых условий, организации ледовых транспортных операций в
районах плавания и обоснование расчётных режимов эксплуатации судна.
3. Достижимые режимы эксплуатации судна во льдах:
3.1. Ходкость;
3.2. Инерционные характеристики;
3.3. Поворотливость.
4. Допустимые режимы эксплуатации судна во льдах:
4.1. Допустимые скорости движения;
4.2. Допустимые условия самостоятельного плавания;
4.3. Безопасные дистанции при движении в караване;
4.4. Оценка надёжности движительно-рулевого комплекса.
5. Выводы и общие рекомендации.
6. Термины и определения.
Рис. 1. Свидетельство о допустимых условиях ледового плавания судна
Особенности использования САЕ-систем при разработке Ледового паспорта судна
Согласно требованиям Ледового паспорта анализ достижимых режимов эксплуатации в разрешённых льдах заключается в оценках ходкости, инерционных характеристик и поворотливости судна. Для судов с традиционными формами носовых заострений базовой нормативной методикой при расчётах ледовой ходкости является Инструкция [2]. САЕ-моделирование в этих случаях использовалось лишь для получения нескольких контрольных точек с целью корректировки кривых ходкости (Рис. 2).
4
о
-м
О
°2
О
■х
и
° 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
Толщина льда, м
Рис. 2. Достижимая скорость движения танкера пр. 19614 в канале, заполненном мелкобитыми неразрушенными зимними льдами
Анализ ходкости судов с нетрадиционными формами корпусов требовал постановки достаточного ряда численных экспериментов с учётом рекомендаций работ [4,5]. При этом гидродинамическое сопротивление судна определялось либо аналитическим расчётом, либо конечноэлементным моделированием (Рис. 3). Кривая упора движителей (Рис. 3) принималась на основе их швартовных характеристик [11] и анализа сдаточных испытаний теплохода [9].
Я
Рис. 3. Гидродинамические характеристики танкера проекта Я8Т27 (1 - тяговая; 2 - буксировочная при осадке 4,2 м; 3 - буксировочная при осадке 3,3 м)
Каждый вариант сопровождался обязательным мониторингом скорости хода. Начальная скорость движения в каждом варианте ледовых условий назначалась из экспертных
предположении о ходовых возможностях судна, расчёт прекращался при наступлении относительной стабилизации сглаженноИ кривой скорости (Рис. 4). Это значение скорости принималось в качестве статистической точки для данных ледовых условий. Полученная выборка подвергалась статистическому анализу с целью получения набора кривых ледовой ходкости.
і Г/ 2 3 4 Г
Чг~. \А* /а
'• *— \
\
"7 V \
\ .Л. /
200 220 240 260
Время. <
Рис. 4. Временные зависимости скорости хода танкера пр. Я8Т27 в ледовом канале (1 - мелкобитый лёд толщиной 0,5 м сплочённостью 9-10 баллов; 2 - тёртый лёд толщиной 0,5 м сплочённостью 9-10 баллов; 3 - мелкобитый лёд толщиной 0,5 м сплочённостью 6-7 баллов; 4 - мелкобитый лёд толщиной 0,2 м сплочённостью 9-10 баллов)
Для нахождения инерционных характеристик (путь и время разгона и торможения, табл.
1, 2) численными методами решались дифференциальные уравнения неустановившегося движения судна во льдах:
(1)
где М,,- масса судна и присоединённых масс воды с учётом влияния льда;
Б (X) - пройденное судном расстояние как функция времени;
Т (0 - упор движителей во льдах как функция времени движения судна;
К (X) - гидродинамическое сопротивление судна как функция времени движения судна; К (X, Н, Б, d,...) - чистое ледовое сопротивление судна как многофакторная функция.
м, = -Т„ - К(<)- К('. А5. *••■),
(2)
где ТГ!! - упор движителей во льдах в режиме «на швартовах заднего хода».
При этом скоростная кривая полного сопротивления судна в конкретных льдах (сумма двух последних слагаемых в правых частях уравнений (1) и (2)) описывалась линейной зависимостью при известной достижимой скорости. Если предварительно проводилось дополнительное численное моделирование буксировочных испытаний судна во льдах, то для
данных условий в полном сопротивлении выделялось чистое ледовое (Рис. 5) и гидродинамическое сопротивление (Рис. 3).
Таблица 1
Характеристики разгона танкера проекта 19614 до достижимой скорости в канале, заполненном мелкобитыми неразрушенными зимними льдами, при начальной скорости движения 1,3 м/с («Самый малый ход»)
Толщина льда, м Путь, м / Время, мин разгона при сплочённости льда, балл
6 7 8 9 10
0,1 1541/6,55 1456/6,34 1335/6,03 1171/5,58 958/4,96
0,2 1419/6,25 1258/5,83 1034/5,19 743/4,27 394/2,9
0,3 1303/5,95 1073/5,32 764/4,35 388/2,88 <
0,4 1192/5,66 901/4,8 528/3,49 111/1,22 -
0,5 1086/5,36 743/4,29 324/2,58 < -
0,6 985/5,07 598/3,77 154/1,56 - -
Таблица 2
Тормозные характеристики танкера проекта 19614 в канале, заполненном мелкобитыми неразрушенными зимними льдами, при начальной скорости движения 3,9 м/с («Средний ход»)
Толщина льда, м Путь, м / Время, мин торможения при сплочённости льда, балл
6 7 8 9 10
0,1 295/2,74 291/2,72 285/2,68 276/2,62 260/2,53
0,2 290/2,71 282/2,66 267/2,57 241/2,4 189/2,06
0,3 285/2,68 270/2,59 243/2,43 188/2,05 59/0,99
0,4 279/2,65 257/2,52 213/2,23 111/1,47 -
0,5 272/2,61 242/2,42 175/1,97 14/0,43 -
0,6 265/2,57 225/2,31 127/1,61 - -
Примечания к табл. 14 и 15:
Символ «-» в графе означает невозможность самостоятельного движения судна в данных ледовых условиях.
Символ «<» в графе означает, что заданная начальная скорость судна превосходит расчётную достижимую скорость.
Расчётные параметры разгона получены из условия наступления момента времени 98% уровня достижимой скорости.
1 2 3
• I 1\
/ ; • 'V ’ •» • • • : • Г |
' • •• • у • 1 * в ••:. ; :
/г. у •;
•• Й '• • • • *•: •' ' ' ".
{ '-у /\ -: С С; г* • ’ . ••• ■ Г;.'
/* * • •* к V •’ . •. ;• •••-• * •• . •••• !' •*.'*. •• ‘ ууу- г- ••
■4 ' ' ; - : ’ ?
1 1.5
Скорость движения, м/с
Рис. 5. Чистое ледовое сопротивление судов в канале, заполненном сильносплочёнными
мелкобитыми льдами толщиной 0,5 м.
(1 - танкер проекта ЯБТ27; 2 - танкер проекта 19614; 3 - сухогруз проекта Я8В44)
Поворотливость судов в мелкобитых льдах прогнозировалась только на основе результатов конечноэлементного моделирования. Применение численных экспериментов в оценках поворотливости затруднено большой ресурсоёмкостью задач, так как здесь требуется моделирование сравнительно больших по площади акваторий с целью минимизации влияния граничных условий (Рис. 6). Это многократно увеличивает время выполнения варианта для получения обоснованных выводов (хотя бы до изменения курса судна на 90 градусов). Поэтому эксперты, ограниченные производительностью имеющейся вычислительной системы, делали расчёт нескольких вариантов только для сильносплочённых льдов (Табл. 3).
Рис. 6. Пример модели, реализующей численный эксперимент по оценке ледовой поворотливости танкера проекта 19614 (1 - судно; 2 - ледяное поле)
Таблица 3
Характеристики поворотливости танкера проекта 19614 в неразрушенных зимних
сильносплочённых мелкобитых льдах
Толщина льда, м Угол перекладки руля, град Диаметр циркуляции по ЦТ (размер акватории), м Линейная скорость по ЦТ, м/с Угловая скорость, с-1 Угол дрейфа по ЦТ, град Время разворота на обратный курс, мин
«Цир куляция»
0,20 25 440 2,1 0,0095 15,0 5,5
0,35 25 700 1,0 0,0029 11,0 18,1
0,50 25 860 0,52 0,0012 8,0 43,3
Разворот способом «Звезда»
0,20 0 - 25 300 10,0
0,35 0 - 25 300 25,0
0,50 0 - 25 300 36,0
Допустимые режимы непосредственно определяют условия безопасной эксплуатации судна во льдах. В качестве основных к таковым относят допустимые условия самостоятельного плавания, безопасные скорости движения и безопасные дистанции в составе каравана.
Определение безопасных границ самостоятельного плавания сводится к расчётам допустимых ледовых сжатий. Опыт экспертов показывает, что в первом приближении предельно допустимая толщина зимних сплошных или сильносплочённых льдов для самостоятельного плавания судна составляет половину величины, указанной в знаке его ледовой категории. Уточнение этого уровня с учётом прочности льда составляет цель расчётов. При этом обычно с небольшим шагом по толщине анализируются льды в пределах установленной ледовой категории судна для нескольких заданных значений прочности льда.
Отсутствие необходимости в оценках разрушающего воздействия ледяного покрова на корпус существенно упрощает постановку задачи. Так для получения адекватных результатов достаточно смоделировать одно бортовое перекрытие цилиндрической вставки судна с жёстко закреплёнными узлами по периметру конструкции (Рис. 7).
Рис. 7. Модель бортового перекрытия цилиндрической вставки танкера проекта 19614 (1 - междубортнаяраспорка; 2 - продольное рёбро жёсткости; 3 - бортовой стрингер; 4 - ледяное поле; 5 - обшивка наружного борта; 6 - обшивка внутреннего борта; 7 -дополнительное ребро жёсткости; 8 - привальный брус; 9 - рамный шпангоут)
Постпроцессорная обработка результатов варианта расчёта связана с выявлением количества и величины характерных повреждений - бухтин, гофрировки обшивки, выпучин набора, вмятин всего перекрытия (Рис. 8).
г
Рис. 8. Характер повреждений бортового перекрытия танкера проекта 19614 при
сжатии льдами толщиной 0,4 м
При этом расчётные деформации подлежат сравнению с их нормативными значениями по правилам РМРС [6], после чего делается вывод о допустимости (или неприемлемости) данного сочетания ледовых условий (толщина - прочность) для самостоятельного плавания судна. В случае неприемлемости в базу данных заносятся два последних значения толщины льда при его заданной прочности. В противном случае делается шаг по толщине льда и расчёт
повторяется.
Использование описанного алгоритма позволяет получить серию сочетаний «толщина -прочность льда», которые будут находиться вблизи границы допустимых условий самостоятельного плавания. Статистическая обработка этого набора точек даёт кривую, которая и принимается за границу допустимых сочетаний толщины и прочности льда (Рис. 9).
0.38
034 032 03
025
Разрушенность льда, балі
Рис. 9. Безопасная толщина льда для танкера проекта 19614 при возможных ледовых сжатиях
Прогноз допустимых скоростей движения судна в ледовых условиях (Рис. 10) делается по результатам анализа ледовых повреждений, сопутствующих ударному нагружению вертикального борта в районе окончания цилиндрической вставки. При этом моделируется «скользящий» удар бортового перекрытия о ледяной покров (отдельную льдину или припайный лёд), провоцируемый «раскатом» кормы при маневре судна. Алгоритм принятия решения аналогичен вышеописанному при пошаговом варьировании скорости движения судна.
V
\\ , /
\ /
у /
\ч , /
X 5ч\ /
* 1
0.4 0.45
0.55 0.6 0.65 0.7
0.8 0.85 0.9
Толщина льда, м
Рис. 10. Допустимая скорость движения танкера проекта 19614 в разреженных мелкобитых льдах
В качестве безопасной дистанции до впереди идущего судна в караване экспертами рекомендовано принять 1,5-кратную величину тормозного пути для данных ледовых условий и режима движения судна, но не менее его длины (Рис. 11). В любом случае, если капитан
ледокола, обеспечивающего проводку, обоснованно сочтёт необходимым изменить дистанции между судами в караване, следует руководствоваться его указаниями.
1 1 1 сгшочённость льда - 6 баллов
\ \ 7 батов
' \ х \ \
\ \ \^_б гчпов
\ 1 V 0 башіов\ \
100--------------------------------------------------------------------------------------------
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
толщина льда, м
Рис. 11. Безопасная дистанция до впереди идущего судна в канале, заполненном мелкобитыми неразрушенными льдами, при скорости движения танкера проекта 19614 - 3,9 м/с («Средний ход»)
При проверке общей прочности элементов движительно-рулевого комплекса (лопасть гребного винта, валопровод, баллер и перо руля) адекватность выводов обеспечивается использованием Инструкции [1]. Оценки местной прочности кромок лопастей производились только по результатам численного моделирования (Рис. 12).
в
Рис. 12. Повреждения лопасти винта танкера проекта 19614 в результате её навала на
неподвижный лёд
(а - толщина льда 1,0 м; б - толщина льда 0,4 м; в - толщина льда 0,2 м)
Графические, табличные зависимости и рекомендации, приводимые в Ледовом паспорте, используют прочность льда в качестве одного из факторов. Согласно принятой классификации характеристик ледяного покрова его прочность по стадиям таяния описывается разрушенностью (относительной прочностью). Однако в большей степени этот параметр является качественным ледовым аргументом, нежели количественным. Оценки его производятся визуально по внешним признакам состояния льда (определяющую роль при этом играет опыт наблюдателя). По этой причине разрушенность нельзя признать объективной мерой прочности льда. Поэтому принимать решение о выборе допустимого режима эксплуатации (и особенно - о самостоятельном плавании во льдах) с учётом кривых безопасных условий необходимо только по достоверным данным. При отсутствии таковых фактический лёд следует считать «зимним» (с нулевой разрушенностью).
Автор считает необходимым особо подчеркнуть полезную методическую новизну при разработке ледового паспорта с применением CAE-систем. Она заключается в возможности отображения важных результатов расчёта с использованием средств визуализации [7]. Мало того, следует активно использовать электронные приложения к Ледовому паспорту в виде анимационных файлов [3]. Трёхмерная графическая картина развития повреждений судовых комплексов или конструкций, характера взаимодействия и «обтекания» корпуса ледяным покровом, перераспределения льдов в процессе движения судна, особенностей маневрирования судна, безусловно, являются информативным дополнением к классическим формам (графикам, таблицам, диаграммам) представления данных.
Выводы
1. Свидетельство о допустимых условиях ледового плавания судна требует развёрнутого приложения с анализом основных ледовых качеств судна, например, в виде Ледового паспорта.
2. При невозможности проведения натурных или модельных ледовых испытаний судов для адекватной оценки их ледовых качеств предпочтителен численный эксперимент, реализуемый, например, с помощью CAE-систем.
ЛИТЕРАТУРА
1. Инструкция. Требования к расчёту и проектированию открытых гребных винтов
и валопроводов судов ледового плавания. РД 212.0147-87. Руководящий документ по стандартизации, группа Т50. Утверждён и введён в действие МРФ РСФСР 27.11.1987 г. - Л.: Транспорт, 1989. - 52 с.
2. Инструкция. Требования к транспортным судам, предназначенным для
эксплуатации в ледовых условиях и при отрицательных температурах воздуха. РД 212.0148-87. Руководящий документ по стандартизации, группа Т50. Утверждён и введён в действие МРФ РСФСР 27.11.1987 г. - Л.: Транспорт, 1989. - 20 с.
3. Лобанов В.А. Визуализация результатов численных экспериментов по оценке ледовых качеств судов. Научная визуализация, № 3/03, 2011. Электронный журнал, № гос. рег. 0421200125, ISSN 2079-3537. - Режим доступа: Ыйр:/^-journal.com/2011-3/03.php
4. Лобанов В.А. Влияние льда на гидродинамику судна//Интернет-журнал
«Науковедение». 2013 №3 (16) [Электронный ресурс].-М. 2013. - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/06tvn313.pdf, свободный - Загл. с экрана.
5. Лобанов В.А. Численные оценки ледовых качеств гребных винтов//Интернет-журнал «Науковедение». 2012 №4 (13) [Электронный ресурс].-М. 2012. - Режим доступа: http://naukovedenie.ru/PDF/51tvn412.pdf, свободный - Загл. с экрана.
6. Правила классификационных освидетельствований судов в эксплуатации. НД № 2-020101-012. - СПб.: Российский морской регистр судоходства, 2012. - 343 с.
7. Разработать ледовые паспорта танкеров пр. 19614. Выходной документ научноисследовательской работы по теме №34/09/1101. Научный рук. - Клементьев А Н. - Н.Новгород.: ВГАВТ, 2012. - 45 с.
8. Свидетельство о допустимых условиях ледового плавания. Циркулярное письмо главного управления Российского морского регистра судоходства от 19 декабря 2011 г. № 314-2.2-547ц
9. Формуляр маневренных характеристик танкера проекта RST 27 в балласте. -Н.Новгород.: ООО «Астра НН», 2011. - 35 с.
10. Hallquist J.O. LS-DYNA 950. Theoretical Manual. Livermore Software Technology Corporation. LSTC Report 1018. Rev. 2. USA, 2001. - 498 p.
11. Manfred Heer. Integration of the Rudder Propeller into the Ship’s Structure. Tugnology-2009. Amsterdam, 2009. - 41 p. - Режим доступа: http://www.schottel.de/ fileadmin/data/pdf/eng/Integration of the Rudderpropeller.pdf, свободный.
Рецензент: Тихонов Вадим Иванович, доктор технических наук, профессор, Волжская государственная академия водного транспорта.
