CC BY-NC
27
DOI: 10.24937/2542-2324-2020-2-S-I-266-271 УДК: 629.5.01:629.5.022.3
А.И. Фрумен, К.М. Медников
ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет», Россия
ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПОДВОДНОГО ПОЛИКОРПУСНОГО СУДНА
Рассмотрены вопросы целесообразности создания подводного корпуса глубоководного аппарата большого диаметра как совокупности цилиндрических оболочек с параллельными осями, образующими «глобальный» цилиндр (поликорпус). Для проектного обоснования конструкции проведены аналитические и численные расчеты (МКЭ) прочности, устойчивости, обжатия. Сделаны выводы и рекомендации.
Ключевые слова: подводное судно, проектирование корпуса, МКЭ, поликорпус. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2020-2-S-I-266-271 UDC: 629.5.01:629.5.022.3
А. Frumen, C. Mednikov
St. Petersburg State Marine Technical University, Russia
MULTIHULL UNDERWATER VESSEL: DESIGN CHALLENGES
This paper discusses practicability of a large-diameter hull for an underwater vehicle as a totality of cylindrical shells with parallel axes forming a "global" cylinder (polyhull). Structural design is justified by analytical and numerical (FE) calculations of strength, structural stability and compression, with corresponding conclusions and recommendations. Keywords: underwater vehicle, hull design, FEM, polyhull.
Authors declares lack of the possible conflicts of interests.
Введение
Для добычи полезных ископаемых с больших глубин требуется конструкция подводного аппарата с большими габаритами, чтобы обеспечить долгое время нахождения под водой при малой частоте всплытия, а также размещение экипажа, добывающих машин, роботов и автоматизированных установок для предварительного обогащенных пород.
Наша страна вела разработку вопроса о добыче конкреций с начала 70-х гг., сначала в Атлантическом, а с 1976 г. - и в Тихом океане. В результате при дележе поля Кларион-Клиппертон в Тихом океане наша страна получает от специального комитета при ООН право на разработку довольно перспективного участка.
В настоящее время ряд стран, получивших лицензию на разработку месторождений на дне океана, завершают разработку технологии и оборудования и готовятся к полномасштабной промышленной эксплуатации своих участков.
Что касается оценки продуктивности, то она строится по расчету рудной массы на единицу площади. Для практически значимых скоплений железомарганцевых конкреций эта величина, называемая весовой плотностью залегания, составляет 5 кг/м2; для корок - с толщины в 2 см, что в пересчете на плотность залегания составляет около 20 кг/м2.
Состав железомарганцевых образований характеризуется широким спектром химических элементов (более 60). С утилитарной точки зрения выделяются главные рудные компоненты - никель, медь, кобальт, марганец; попутные - железо, молибден, платина, легкие лантаноиды, редкие земли.
В Мировом океане выделено 15 конкреционных площадей (рис. 1) различной геохимической специализации. Они распределяются между тремя поясами, входящими в мегапояс «Тихий океан». Северный приэкваториальный пояс включает поля
Для цитирования: А.И. Фрумен, К.М. Медников. Вопросы проектирования подводного поликорпусного судна. Труды Крыловского государственного научного центра. 2020; Специальный выпуск 2: 266-271.
For citations: A. Frumen, C. Mednikov. Multihull underwater vessel: design challenges. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2020; Special Edition 2: 266-271 (in Russian).
Рис. 1. Поля распространения конкреций. Поле протягивается с запада на восток на 3000 км, от цепи подводных гор Лайн до флангов Восточно-Тихоокеанского поднятия, между разломами Кларион и Клиппертон. Ширина поля 600-700 км при глубине океана, варьирую-щейся от 5300 м на западе до 4300 м на востоке. Мощность осадочного чехла 50-200 м
Кларион-Клиппертон, Центрально-Тихоокеанское и Калифорнийское, конкреционные площади Бей-ли, Музыкантов, Кларион и Гватемальскую.
Наиболее интересным объектом из данного списка, безусловно, является поле Кларион-Клиппертон, как одно из наиболее крупных, перспективных и детально изученных скоплений железомарганцевых конкреций океана. Оно было открыто в 1974 г. фирмой «Дипси Венчурс» (США). В данный момент это поле поделено на заявочные участки между Россией, Японией, Францией, КНР, Южной Кореей и рядом крупных международных корпораций.
Прогнозные ресурсы поля Кларион-Клиппертон по сухой железомарганцевой массе оценивают в 12-13 млрд т. В них содержится 3,5 млрд т марганца, 154 млн т никеля, 129 млн т меди, 28 млн т кобальта, 6 млн т молибдена. Содержание в составе конкреций золота - 0,02 г/т, платины - 0,11 г/т [1-3].
Рис. 2. Общий вид поликорпуса
Предлагаемый вариант конструкции корпуса подводного аппарата (поликорпус), подходит также и для решения таких задач, как подъем затонувших кораблей, подводное докование и т.п.
Конструкция поликорпуса
Основными элементами конструкции поликорпуса являются модули, стрингеры и рамные шпангоуты (рис. 2). Модуль представляет из себя цилиндрическую оболочку, подкрепленную круговыми шпангоутами. Модули и стрингеры располагаются по окружности и образуют поликорпус.
Рамные шпангоуты обеспечивают устойчивость поликорпуса в целом и устойчивость модулей на продольное сжатие.
Модули глубоководного аппарата используются как поплавки, балластные цистерны, спасательные отсеки, а также для размещения энергетического блока, экипажа и др.
Горизонтальные стрингеры соединяют между собой модули корпуса. Пространство между стрингерами (между «внешним» и «внутренним») остается незаполненным водой, что обеспечивает доступа экипажа к внутреннему пространству модулей (кроме поплавков) и возможность передвижения между ними.
Обоснование перехода к поликорпусным конструкциям
Как показано в [4, 6, 8], для цилиндрических оболочек большого диаметра цилиндрическая форма корпуса становится неэффективной из-за технологических и прочностных ограничений. Рассмотрим диаграмму параметров в и и (рис. 3), характеризу-
_ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 _ I I
- 1 2 "
: п
IV -
--.л 1 1 1 1 м 1 1 1 г и
Рис. 3. Характеристики параметров в и и
ющих цилиндрическую оболочку, подкрепленную равноотстоящими упругими шпангоутами. Здесь
u = 0,642-
l
в =
l-5
' Fшп
где линия 1 соответствует равенству критических напряжений по осесимметричной и неосесиммет-ричной формам потери устойчивости, а линия 2 -равенству коэффициентов запаса прочности по напряжениям о 1 и о 2. Видно, что оболочки большого диаметра попадают по величине параметров в и и в III зону. Для таких конструкций необходимо повышать площадь поперечного сечения и их жесткость на изгиб (для снижения о'1).
Это приводит к идее полицилиндрического корпуса (поликорпусу). Аналогов конструктивных решений в зарубежной или отечественной практике нет.
Проектирование поликорпуса и его элементов
Подбор размеров связей поликорпуса начинается с определения диаметра окружности, по которой будут располагаться стрингеры и модули, его образующие (рис. 4). Размеры корпуса глубоководного аппарата определяются, прежде всего, размерами груза, который необходимо поднять. Например, высота с рубкой затонувшей подводной лодки может составлять 16 м и более. Диаметр поликорпуса, равный 32 м, является достаточным для ее размещения подводной лодки и необходимой оснастки. Это также обеспечит и возможность его использования для глубоководной добычи минералов, доко-вания, доставки глубоководных станций и др.
Диаметр модуля варьировался в диапазоне от 2 до 4 м. Для модуля диаметром свыше 4 м сложно обеспечить прочность и устойчивость конструкции из-за принятого технологического ограничения по толщине в 10 см. Толщина стрингера приравнивается к толщине обшивки модуля, которая определяется расчетным путем по стандартным методикам для подводных аппаратов [9, 10]. Расстояния а и Ь (рис. 5) заданы из условия обеспечения возможности перемещения экипажа между модулями - 80 см.
Определение водоизмещения поликорпуса и оценка его грузоподъемности зависят от количества модулей-поплавков, внутреннего давления в них и, следовательно, их веса. Величина обжатия поликорпуса и его модулей может быть определена по формуле 0 = 2(от/Е) как для модуля, так и для поликорпуса в целом. Расстояние между рамными шпангоутами определяется из условия устойчивости модулей на продольное сжатие как свободно опертых трубчатых стержней круглого профиля по формуле Ьтях = ^Е/рсум
Проектировочный расчет был проведен для 4 типоразмеров модулей (рис. 6):
■ ^2*38 - диаметр модуля - 2 м, количество модулей - 38;
■ а?3*28 - диаметр модуля - 3 м, количество модулей - 28;
■ ^4*20 - диаметр модуля - 4 м, количество модулей - 20;
■ ^4*22 - диаметр модуля - 4 м, количество модулей - 22.
Секция типоразмера ^2*38 в сравнении с остальными вариантами имеет наибольшее значение отношения веса к водоизмещению при затоплении центрального помещения, равное Рпп/Впа = 92,729 %
Рис. 4. Поперечное сечение поликорпуса. Схематическое изображение
Рис. 5. Поперечное сечение циклически симметричного модуля поликорпуса
Рис. 6. Вид секций: поперечное сечение и аксонометрия
и, как следствие, меньшую грузоподъемность при затоплении. Отношение веса к водоизмещению при осушении центрального помещения получилось наименьшим при значении Рпп/Вппв = 14,774 %, поскольку данный вариант конструкции более легкий при малом различии в объеме секций всех типоразмеров.
Для остальных типоразмеров секций результаты оценки плавучести схожи, наименьшее значение отношения веса к водоизмещению при затопленном центральном помещении получилось для типоразмера ^4*22 - оно составляет Рпп/^пз = 76,788 %о. Но данная конструкция обладает самым большим весом, что может быть решающим фактором при выборе конструкции поликорпуса в пользу более легкого варианта. Таким вариантом конструкции является секция типоразмера йВ*28. Ее вес почти на четверть меньше веса варианта ^4*22. Значение Рпп/^пз = 76,867 % достаточно близко к значению данного параметра для
секции ^4*22, а значение Рпп/^ппв = 17,77 % из трех типоразмеров секций является наименьшим.
Исходя из полученных результатов можно выделить наиболее выгодный вариант конструкции секции поликорпуса - типоразмера ¿3*28. Расстояние между рамными шпангоутами Ьтах для каждого типоразмера больше принятой длины секции, равной 18 м. Следовательно, устойчивость конструкций на продольное сжатие обеспечена.
Проверочные расчеты методом конечных элементов
Для проверочного расчета была выбрана конструкция секции поликорпуса типоразмера ¿3*28 как наиболее выгодного варианта из всех, проектируемых с точки зрения плавучести. Расчет проводился для циклически-симметричного элемента конструкции (рис. 7). Проверялась прочность и устой-
Рис. 7. Вид элемента конструкции и его расчетная модель «1»
чивость для двух вариантов нагружения. Первый вариант - нагружение только внешним давлением (центральное помещение осушено). Второй -нагружение внешним и внутренним давлением (центральное помещение затоплено).
Моделирование осуществлялось в программном комплексе Ansys. Для обшивки модуля использовался 20-узловой КЭ SOLID 186, для шпангоутов - 8-узловой КЭ Shell281. Размер КЭ - 3 см, r = 1,5 м, h = 15 см, дк, = 9,5 см, Ьш = 75 см, 1с = = 40 см, R = 16 м.
Характеристики материала расчетной модели: плотность р= 7800 кг/м3, коэффициент Пуассона v = 0,3, модуль упругости E = 2 1011 Па, предел текучести gt = 1,25-109 Па. Допускаемые напряжения адоп = 109 Па. Давление распределяется по поверхностям, обозначенным красной стрелкой, и равно 50 МПа. Граничные условия - симметричные.
Получены значения максимальных напряжений и перемещений, которые соответствуют предельной глубине погружения в 1570 м. Конструкция устойчива при нагружении как только внешним, так и внешним и внутренним гидростатическим давлением даже без шпангоутов модулей.
При нагружении внешним и внутренним давлением вид суммарных перемещений и распределение эквивалентных напряжений показаны на рис. 8 и 9. Предельная глубина погружения в данном случае - 2200 м.
Выводы
Из расчета видно, что в случае действия внутреннего и внешнего давлений напряжения в модели конструкции уменьшаются на 45 %, а перемещения -на 60 % по сравнению со случаем действия только внешнего давления.
Заключение
Конструкция поликорпуса является перспективной для решения широкого спектра задач. Его устойчивость в продольном направлении обеспечивается для всех рассмотренных типоразмеров секции.
При затоплении центрального помещения поликорпуса погружение возможно на глубину 2200 м, что почти в два раза превышает предельную глубину погружения при осушении центрального помещения.
Потеря устойчивости модулей на глубинах до 5000 м не наблюдается даже при отсутствии в них шпангоутов.
В дальнейшем требуется проработка таких вопросов, как конструкция торцевых переборок и рамных шпангоутов, целесообразность использования в конструкции поликорпуса бипериодических по диаметру модулей из различных материалов и др., Все это позволит увеличить предельную глубину.
На рис. 10 приводится возможная схема комплекса глубоководной добычи.
Рис. 10. Схема комплекса глубоководной добычи (тип установки - автономная): 1 - судно поддержки производства (плавсредство); 2 - установка подъема; 3 - агрегат сбора
A. Frumen, C. Mednikov Multihull underwater vessel: design challenges
Список использованной литературы
1. Минеральные ресурсы Международного района морского дна Мирового океана / И.Ф. Глумов, А.И. Глумов, Ю.Б. Казмин, В.М. Юбко // Геология и полезные ископаемые Мирового океана. 2005. № 1. С. 11-28.
2. Скаридова М.А. Морское ресурсное право. Санкт-Петербург: Асаёетш, 2013. 262 с.
3. Геолого-геоморфологические условия формирования пок-маков в восточной части Финского залива / В. А. Жамойда, Д.В. Рябчук, М.А. Спиридонов [и др.] // Региональная геология и металлогения. 2013. № 54. С. 25-37.
4. Постнов В.А., Фрумен А.И., Кургин Ф.Ф. Новые конструктивные решения оболочек больших размеров для подводных транспортных и технических средств // Морские месторождения нефти и газа России: состояние и перспективы освоения: труды Международной конференции. Санкт-Петербург: Изд. центр Мор. техн. ун-та, 1994.
5. Прочный корпус подводного судна: пат. 2078709 Рос. Федерация / Кутейников А.В. [и др.]. № 93031207/11; заявл. 04.06.1993; опубл. 10.05.1997. 6 с.
6. Новые подходы для корпусных конструкций большого диаметра / Барбанель Б.А., Рынский М.В., Постнов В.А., Фрумен А.И. // Подводное кораблестроение в России: состояние, проблемы перспективы: материалы Межотраслевой научно-практ. конференции. Санкт-Петербург, 1997.
7. Полицилиндрический прочный корпус морского технического средства: пат. 2116926 Рос. Федерация / Кутейников А.В. [и др.]. № 97100090/28; заявл. 06.01.1997; опубл. 10.08.98. 9 с.
8. Глозман М.К., Жестов К.Г. Фрумен А.И. Вопросы прочности и технологичности полицилиндрических корпусов с рамными связями // Труды НТО судостроителей им. акад. А.Н. Крылова. 2000. № 30. С. 89-103.
9. Гришин Н.Ф., Родосский В.А. Строительная механика и прочность корабля. Ч. 1. Строительная механика подводной лодки. Санкт-Петербург: Аверс, 2004. 286 с.
10. Сиверс Н.Л., Жестков К.Г. Расчетное проектирование конструкций корпуса подводной лодки. Санкт-Петербург: СПбГМТУ, 2009. 180 с.
Сведения об авторах
Фрумен Александр Исаакович, к.т.н., профессор кафедры строительной механики корабля Санкт-Петербургского государственного морского технического университета. Адрес: 190121, Россия, Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, д. 10. Тел.: +7 (911) 210-74-39; +7 (812) 713-89-36; +7 (812) 771-99-35.
Медников Константин Михайлович, магистр Санкт-Петербургского государственного морского технического университета. Адрес: 190121, Россия, Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, д. 10. Тел.: +7 (911) 949-15-11. E-mail: kost-m@yandex.ru.
Поступила / Received: 26.11.20 Принята в печать / Accepted: 21. 12.20 © Фрумен А.И., Медников К.М., 2020
