Оценки безопасных условий ледового плавания судов с применением cae -систем

4.2.Влияние льда на гидродинамику судна и его движителей Один из базовых постулатов полуэмпирических методик для выявления чистого ледового воздействия – это независимость ледовых и гидродинамических нагрузок на корпусе судна и движителях [26,78]. Однако данная гипотеза пока не подтверждена экспериментально из-за отсутствия каких-либо технических средств, реализующих раздельное измерение этих нагрузок. В настоящей работе для оценки условий приемлемости упомянутой гипотезы автором использованы возможности CAE-моделирования. Необходимо отметить, что высокая ресурсоёмкость описанных ниже моделей в сочетании с недостаточной производительностью вычислительной системы автора пока сдерживают получение достаточного набора достоверных данных. Раздельные оценки ледового и гидродинамического влияния на корпус судна производились по результатам реализации конечноэлементной модели движения судна в чистом канале и канале, заполненном льдами (Рис. 74) при идентичных законах движения судна. Рис. 74. Исходная геометрия модели для анализа ледового и гидродинамического воздействия на корпус судна (1 – судно; 2 – вода; 3 - лёд) Прототипом модельного судна в данной работе послужил речной портовый буксир-ледокол проекта Р-47. Относительная длина, ширина и глубина канала составляли 3,3; 3,2 и 1,7 соответственно. Лёд толщиной 0,5 м варьировался в расчётных вариантах по признаку раздробленности (сплошной, мелкобитый, тёртый) и сплочённости (6 – 10 баллов). В целях уменьшения влияния кромок канала анализировался одноминутный разгон судна от неподвижного состояния до скорости малого хода (2,65 м/с). При этом моделировалась как реальная посадка судна (изменяющаяся в процессе движения из-за воздействия льдов), так и его плоское движение. Типы, формулировки конечных элементов, модели материалов, алгоритмы контактных взаимодействий тел обоснованы автором в п.п. 3.2. – 4.1. и свободно доступных источниках [31,32,35]. Общее количество конечных элементов модели в зависимости от варианта расчёта незначительно колебалось в пределах 800 000 ед. Репрезентативные данные продольного гидродинамического сопротивления судна по нескольким вариантам численных экспериментов представлены на рис. 75. Анализ зависимостей рис. 75 показывает, что отождествление буксировочного сопротивления судна для условий чистой воды (кривая 1) и во льдах некорректно. Продольные гидродинамические нагрузки на корпусе судна в ледовых условиях превышают этот параметр для чистой воды. При этом отмечается тенденция роста сопротивления с уменьшением степени раздробленности льдов и с увеличением их сплочённости (2 – тёртый лёд сплочённостью 6-7 баллов, реальная посадка судна; 3 – тёртый лёд сплочённостью 7-8 баллов, плоское движение судна; 4 – мелкобитый лёд сплочённостью 9-10 баллов, реальная посадка судна; 5 – сплошной лёд, плоское движение судна). Так, например, в реальных условиях плавания прототипа модели (мелкобитые и тёртые льды, кривые 2 и 4, рис. 75) следует ожидать 1,5 – 2,0-кратного прироста сопротивления против этой характеристики на чистой воде. Рис. 75. Гидродинамическое сопротивление судна в различных ледовых условиях Сплошной лёд исследованной толщины (0,5 м) находится за пределами ледопроходимости данного судна. Зависимость буксировочного сопротивления, полученная для этих ледовых условий (кривая 5, рис. 75) носит чисто теоретический характер. Она демонстрирует более чем четырёхкратное потенциальное увеличение гидродинамических нагрузок по отношению к аналогичному параметру на чистой воде. Все авторы, когда-либо решавшие задачи ледовой ходкости, отмечали влияние попадавшего в движители льда на их пропульсивные качества. Однако можно утверждать, что до сих пор нет адекватного теоретического описания этой связи. Основной причиной этого следует признать отмеченное выше отсутствие технических средств, реализующих раздельное измерение гидродинамического и ледового упора. Поэтому упор винта при его работе во льдах во всех методиках по оценкам ходкости априорно принимается независимым от ледовых условий и равным гидродинамическому упору движителя на чистой воде при прочих равных параметрах движения (скорости судна и частоты вращения винта) [20,26]. Прогноз пропульсивных ледовых качеств гребного винта с применением численных методов связан с реализацией конечноэлементной модели, пример которой показан на рис. 76. Рис. 76. Конечноэлементная модель для оценки ледовых качеств гребного винта (1 – гребной винт; 2 – льдины; 3 – вода) При этом моделировалось прямолинейное движение изолированного винта в бассейне (5 х 5 х 10 м) с чистой водой и с водой, содержащей различные ледяные образования. В вариантах изменялись скорость поступательного и вращательного движения винта, момент на гребном валу, толщина и раздробленность льда. Прототипом движителя в данной работе использован ледовый винт танкера смешанного река-море плавания проекта 19614. Общее количество конечных элементов модели находилось в пределах 500 000 ед. Обработка результатов численных экспериментов показала, что в общем случае влияние льда на тяговые характеристики винта значимо даже в сопоставимых режимах работы движителя. Последнее заявление можно подтвердить примером, приведённым на рис. 77. Рис. 77. Сравнение ледовых и гидродинамических нагрузок, действующих на движитель при постоянной частоте вращения Анализ зависимостей рис. 77 показывает, что упор винта в чистой воде при скорости движения 1,0 м/с и номинальной частоте вращения (256 об/мин) стабилизуется в пределах 130 кН (кривая А). Перемещение движителя с той же скоростью и частотой вращения в условиях тёртых льдов толщиной 0,5 м даёт кривую гидродинамического упора (линия С), не обладающую монотонностью и существенно более низкого уровня (в среднем на 40 кН). Если же дополнительно учесть ледовое сопротивление винта (линия В), то его результирующий ледовый упор снизится еще, примерно, на 10 кН (кривая D), в среднем составляя около 80 кН. Худшая картина для тех же ледовых условий наблюдается при поддержании номинального постоянного момента на гребном валу 35 кН∙м (Рис. 78). Рис. 78. Сравнение ледовых и гидродинамических нагрузок, действующих на движитель при постоянном моменте на гребном валу Недостаток крутящего момента при преодолении сопротивления льда сильно сказывается на частоте вращения движителя. В результате разброс значений результирующего ледового упора (Рис. 78, кривая D) принимает большое значение (СКП ≈ 47 кН) при его математическом ожидании около 40 кН. 4.3.Приближённый учёт гидродинамического воздействия в ледовых условиях Как отмечено выше, точные численные решения задач ледовогидродинамического контакта (и особенно прогноза ходкости и управляемости судна) отличает повышенная ресурсоёмкость. Так, например, для анализа ходкости судна обсчёт его трёхминутного перемещения во льдах при использовании шестиядерного процессора (с возможностью гипертрейдинга) с тактовой частотой 3,2 ГГц и оперативной памятью системы 16,0 Гб занимает до 500 часов машинного времени. Конечноэлементная модель при этом требует анализа до 1 500 000 элементов. Вполне очевидно, что многовариантные расчёты, требующиеся для разработки ледового паспорта судна, при подобных временных затратах неприемлемы. Следует также отметить, что ситуация усугубляется несовершенством используемого в CAE-системе LS-DYNA алгоритма гидродинамического контакта – «*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID». Опыт показал, что при его активации загруженность центрального процессора системы не превышает 40% - 50%, в то время как «твердотельные» контакты используют его полностью. Одним из приёмов адаптации CAE-систем к решению ледовых проблем на базе доступных многоядерных персональных компьютеров при многократном (примерно на порядок) снижении ресурсоёмкости задач является замена воздействия воды как контактной среды силами на поверхностях ледяных образований, корпусе судна и движителях. Однако этой замене должен предшествовать анализ уровня значимости гидродинамических нагрузок. Так в задачах ледовой ходкости и управляемости подвижность ледяного покрова, возмущённого движением судна, незначительна по сравнению с судном. Показательным при этом является соотношение кинетической энергии судна и льда. Типовой пример показан на рис. 79. Рис. 79. Соотношение кинетической энергии судна и ледяного покрова Кривая А (Рис.79) характеризует рост кинетической энергии ледокола проекта Р-47 при его разгоне до скорости малого хода в канале, заполненном тёртым льдом толщиной 0,5 м и сплочённостью 6 – 7 баллов. Линия В (Рис. 79) описывает изменение кинетической энергии льда. Вполне очевидно, что эти кривые несопоставимы. Поэтому замена кривой В её аналитическим аналогом (кривая С, рис. 79) практически не скажется на результатах расчёта. При этом приемлемую сходимость в численных и аналитических оценках гидродинамики битых льдов даёт методика СНИПа [73]. Однако в отношении корпусных нагрузок того же судна обозначенный выше подход не всегда справедлив. Здесь для принятия решения об условиях применения приближённых методов в первую очередь нужно исходить из соотношения ледовых и гидродинамических нагрузок. Для пояснения этого утверждения на рис. 80 и 81 приведены графики, сопоставляющие величины ледового и гидродинамического сопротивления модельного судна в условиях мелкобитых и тёртых льдов соответственно (кривые 1 – буксировочное сопротивление на чистой воде, кривые 2 – гидродинамическое сопротивление во льдах, кривые 3 – ледовое сопротивление). Рис. 80. Сравнение ледового и гидродинамического сопротивления судна для мелкобитых льдов Рис. 81. Сравнение ледового и гидродинамического сопротивления судна для тёртых льдов Так, для мелкобитых льдов (Рис. 80) ледовое сопротивление (кривая 3) в среднем более чем на порядок превосходит гидродинамическое (кривая 2). Поэтому, если даже пренебречь реальным приростом последнего (кривая 2) и принять его на уровне условий чистой воды (кривая 1), то вероятная погрешность, связанная с таким допущением, не превысит 5%, что вполне приемлемо для практического использования. А вот для тёртых льдов (Рис. 81) такой подход вряд ли приемлем. В этом случае реальные гидродинамические нагрузки (кривая 2) составляют примерно 75% от ледовых (кривая 3), то есть они находятся на сопоставимых уровнях. Если учесть, что буксировочное сопротивление на чистой воде (кривая 1) на треть меньше того же параметра в ледовых условиях (кривая 2), то такая замена даст уже ощутимую ошибку. Как показано выше, 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 автор рекомендует использовать для этого поправочный коэффициент, определяемый по графикам рис. 82. При отсутствии натурных данных кривые гидродинамического сопротивления судна в чистой воде предпочтительно определять численными методами, но допустимо рассчитывать с использованием традиционных методик [78]. Рис. 82. Коэффициент увеличения корпусных гидродинамических нагрузок в ледовых условиях В отношении ледовой гидродинамики движителей результаты, показанные в п. 4.2., пока носят дискуссионный характер. Обусловлено это анализом упрощённой конечноэлементной модели работы винта. Для получения достоверных оценок пропульсивных свойств движителей в ледовых условиях необходимо описание взаимодействия триады «судно (с движителями) – вода – лёдяной покров». Однако реализация полной модели на данном этапе оказалась «неприподъёмной» задачей для вычислительной системы автора, поэтому для сохранения адекватности результатов численных экспериментов при многократном снижении ресурсоёмкости задач по оценкам ледовой ходкости (управляемости) используется следующий приближённый подход. На первом этапе производится конечноэлементное моделирование буксировочных испытаний судна во льдах заданных характеристик (толщина, сплочённость, раздробленность, ширина ледового канала). При этом процесс движения сопровождается качественным анализом характера «обтекания» льдом кормовой оконечности судна (Рис. 83). а б Рис.83. Характер «обтекания» битыми льдами кормовой оконечности судов (а – танкер проекта 19614; б – танкер проекта RST27) На втором этапе для нескольких фиксированных параметров работы движителя (скорости, моменте на гребном валу или частоты вращения) с учётом наиболее вероятного распределения льдов в районе винтов реализуется модель, показанная на рис. 76. По результатам статистической обработки данных, полученных здесь, строится кривая результирующей полезной тяги винта в зависимости от характеристик его работы. Для судов внутреннего и смешанного плавания с традиционной формой обводов корпуса и открытыми гребными винтами приближённую оценку потерь полезной тяги движителей в мелкобитых и тёртых льдах допустимо производить по графикам рис. 84. а б в Рис. 84. Потери полезной тяги движителей в мелкобитых и тёртых льдах (а – сплочённость льдов 9-10 баллов; б – 8 баллов; в – 6 баллов) На рис. 84 приняты следующие обозначения. – относительный упор движителей: , (72) где – полезная тяга движителей в ледовых условиях; – упор движителей в чистой воде в режиме «на швартовах переднего хода». – относительная скорость движения судна: , (73) где – скорость хода судна в ледовых условиях; – скорость полного хода судна в чистой воде. – относительная толщина льда: , (74) где – толщина льда; – ледопроходимость судна, см: , (75) где – суммарная мощность ГД, л.с. Заключительный этап связан с непосредственной оценкой ходкости судна. Особенность его заключается в том, что действие судовых винтов заменяется узловыми корпусными силами, сосредоточенными в районе движителей. Закон изменения этих сил – это кривая результирующего ледового упора винтов, полученная на предыдущем этапе. При решении задач эксплуатационного характера (непосредственно не связанных с оценками условий безопасного маневрирования судна во льдах) вполне допустимо отсутствие последнего этапа моделирования. При этом для прогноза эксплуатационной ходкости необходимо сопоставление кривых результирующего ледового упора движителей и ледового сопротивления корпуса судна. Последнее определяется на первом этапе моделирования. Реализация приближённых приёмов моделирования движения судна во льдах требует задания закона изменения сил в узлах конечноэлементной сетки различных тел (судна, льдин). В последней версии CAE-системы LS-DYNA для этих целей разработана KEYWORD-карта *LOAD_MOTION_NODE. Однако отсутствие в препроцессоре системы каких-либо средств автоматизации для описания большого количества узлов (в некоторых задачах настоящей работы требовалось назначать условия до 1,5 млн. узлов) ставит перед пользователем технические трудности в формировании полного набора опций этой карты. Для устранения этого недостатка автором на языке VISUAL BASIC написана прикладная программа, автоматизирующая эту процедуру (Приложение 5).

Похожие:

	Общие правила плавания и стоянки судов в морских портах Российской Федерации и на подходах к ним Омский институт водного транспорта (филиал) фбоу впо «Новосибирская государственная академия водного транспорта»		Отчет о научно-исследовательской работе Разработка критериев оценки качества очистки внутренних поверхностей трубопроводов систем теплоснабжения жилого фонда г. Красноярска...
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Обеспечить усвоение учащимися особенностей экономико-географического положения, природных условий и природных ресурсов района, акцентировать...		Объединение специалистов по охране труда прошлое, настоящее, будущее Президент Межрегиональной Ассоциации содействия обеспечению безопасных условий труда «эталон»
	Рабочая программа по дисциплине «Элементы систем автоматики судов» Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования		Задачи автоматизированного проектирования 4 развитие cad/cam/cae-систем 10 Остальные, так называемые косвен­ные проектные работы, занимающие примерно одну треть общего времени на конструирование, могут быть...
	Положение о режиме работы гоу сош №1173 Положение разработано для регламентирования безопасных условий воспитательно-образовательного процесса и четкой организации труда...		О назначении ответственных лиц за организацию безопасной работы В целях обеспечения здоровых и безопасных условий труда и проведения учебно – воспитательного процесса, во исполнение ст ст. 212,...
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Распределение обязанностей в работе по созданию безопасных условий труда и предупреждению детского травматизма между членами администрации...		1 История развития спортивного плавания Построить график рекордов... Кафедра теории и методики спортивного и синхронного плавания, аквааэробики, прыжков в воду и водного поло
	1 История развития спортивного плавания Построить график рекордов... Кафедра теории и методики спортивного и синхронного плавания, аквааэробики, прыжков в воду и водного поло		Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Цель урока: Добиться усвоения учащимися условий плавания тел на основе изученного понятия об архимедовой силе
	Задачами контрольно-пропускного режима в образовательном учреждении... Оу и создание безопасных условий для обучающихся и работников оу и других лиц, находящихся в здании и на территории оу		Процедуры контроля судов государством порта Ссылаясь на статью 15 (j) Конвенции о Международной морской организации, касающуюся функций Ассамблеи в отношении правил и руководств,...
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... В связи с установлением электронного прибора учета посещения обучающихся и работников школы, а также в целях создания безопасных...		Город окружного значения нижневартовск В целях эффективной организации образовательного процесса, обеспечения безопасных условий для жизнедеятельности школы, в соответствии...