Оценки безопасных условий ледового плавания судов с применением cae -систем

5.3.Поворотливость Поворотливость характеризует способность регулируемого судна перемещаться по заданной криволинейной траектории. В теории управляемости она нормируется параметрами установившейся циркуляции. Однако в реальных условиях полная циркуляция во льдах, как правило, не практикуется. Это обусловлено значительным увеличением её диаметра по сравнению с чистой водой и ограниченной шириной ледового канала (на внутренних водных путях – возможно и габаритами судового хода). В целях обеспечения безопасности часто реализуются такие приёмы, как разворот способом «звёздочка», выполнение «отворота» или «уклонения». Но все перечисленные маневры реализуют в себе хотя бы один элемент циркуляции. Необходимо отметить, что эти маневры относятся к «эволюционному» периоду циркуляции, для которого свойственна неустойчивость параметров движения даже в чистой воде и потому приближённость оценок. Влияние битых льдов на характеристики поворотливости для этого периода вовсе не изучалось. К настоящему времени существует, пожалуй, единственная работа, где предложена аналитическая методика оценки ледовых сил и моментов на корпусе судна, движущемся криволинейно в мелкобитых льдах [78]. Хотя в своё время названный труд претендовал на звание теоретических основ управляемости судна во льдах, более позднее использование автором настоящей работы CAE-систем для моделирования ледовых взаимодействий подвигло его к существенному критическому осмыслению данной работы. Накопленный к настоящему времени опыт, по сути, сводит работу [78] до уровня чисто эмпирической – ограниченной рамками того материала, на базе которого получен расчётный метод. Основные недостатки интегральных подходов в оценках ледового сопротивления судна рассмотрены при анализе ходкости в мелкобитых льдах (п. 5.2.) [38]. Они полностью распространимы и на случай криволинейного движения. Особо следует подчеркнуть неприемлемость гипотезы о сплошности контакта. Интегральная модель, предложенная в работе [78], сводит действительное взаимодействие корпуса с битым льдом к сплошной нагрузке, разнесённой вдоль действующей ватерлинии судна. При этом автор проводит аналогию между воздействием льда на судно и газодинамикой, согласно которой непрерывное давление газа на стенки сосуда является следствием ударов отдельных молекул. Однако подобное сравнение здесь абсолютно неуместно, ибо несопоставимы соотношения размеров контактирующих тел. Такую аналогию можно проводить лишь при условии измельчения льда до величины кристаллов (зёрен), его образующих. Фактически льдины контактируют с обшивкой в нескольких локальных зонах, чаще находящихся вне уровня рабочей ватерлинии. Причём это справедливо как для разреженных, так и для сплочённых льдов. Это наглядно показано на качественной картине движении судна в мелкобитых льдах различной раздробленности (рис. 103а, 103б) и количественно подтверждается, например, полем давлений на взаимодействующих телах (рис. 103в). а б в Рис. 103. Характер контакта сплочённых мелкобитых льдов с корпусом судна при его криволинейном движении Следует признать, что имеет место перераспределение ледовых нагрузок по корпусу. Это можно показать данными рис. 104, на котором приведён пример одномоментных кривых напряжения по периметру нескольких ватерлиний (А – рабочая; В – уровень 1 м ниже рабочей; С – уровень 2 м ниже рабочей; D – уровень 3 м ниже рабочей). Рис. 104. Распределение ледовых напряжений в корпусе по периметру ватерлиний Но характер этого перераспределения в границах ледового пояса судна (рис. 104) несопоставим с его оценками в работе [78]. Поэтому интегральная модель нагрузок с оговорками может быть допустима при оценке результирующих ледовых сил, но вряд ли приемлема для предсказания их моментов. Куда более реалистичной и привлекательной является дифференциальная модель взаимодействия судна и льда, описанная в работе [67]. Однако для нахождения контактных зон она требует описания геометрии сегментной ломки льда и апробирована пока только на сплошных льдах. При этом следует отметить очевидные противоречия с методикой [78] в схематизации процесса взлома льда корпусом судна. Неучёт граничных условий и раздробленности льда являются также принципиальными изъянами работы [78]. Последнее можно пояснить результатами моделирования нескольких вариантов маневра «отворот» в сильносплочённых льдах толщиной 0,5 м. На рис. 105 это показано траекториями движения кормы судна. Рис. 105. Траектория движения кормы судна при отвороте (кривые A-G – численный эксперимент; H – источник [78]) Упомянутый маневр заключается в монотонном изменении курса судна при обычно переложенных на борт рулевых органах. Его завершением принято считать момент ухода кормы в сторону поворота от линии первоначального курса на расстояние, равное ширине судна. Из анализа кривых рис. 105 очевидно, что маневр судна индивидуален в каждом варианте условий. Так, наиболее круто судно разворачивается в свободно дрейфующих ледяных полях ограниченных размеров (линии B, D; в расчётах использовалось поле мелкобитого льда с поперечным размером около 400 м). Тем не менее, наблюдается влияние степени раздробленности льда – в «нерегулярных» льдах маневр происходит с большим «раскатом» кормы (линия В). В бесконечном поле «регулярных» льдов судно поворачивает явно плавнее (вариант Е). В первом приближении для этого варианта можно спрогнозировать диаметр циркуляции – в пределах 370 м. Пологую траекторию с небольшим углом дрейфа судна даже по корме (около 13 градусов) следует ожидать при движении в стеснённых условиях канала шириной 200 м, заполненного «регулярными» льдами протяжённостью 5,0 м (вариант С). В канале с «нерегулярными» льдами конечноэлементное моделирование предсказывает «заклинивание» судна по прошествии пути в 0,75 своей длины (кривая А). Численные эксперименты прогнозируют примерно одинаковую потребную длину акватории для выполнения маневра во всех расчётных случаях (кроме варианта А) – немногим более 200 м (на рис. 105 она находится как абсцисса точек пересечения кривых B, C, D, E с прямой F). Но по времени, затраченному на отворот очевиден значительный разброс результатов – от примерно 1,5 минут в варианте D до 3,0 минут в варианте С (Рис. 106). Рис. 106. Временная зависимость поперечного смещение кормы судна при отвороте (кривые A-G – численный эксперимент; H – источник [78]) Неустойчива и скорость движения судна в процессе маневра (Рис. 107). Относительно небольшие её колебания (в пределах 10% от начальной) отмечены только в варианте D. В варианте В льды сначала почти втрое уменьшают первоначальный ход судна, после чего по мере интенсивного раздвигания поля скорость начинает восстанавливаться. Наблюдается тенденция падения скорости в варианте Е. Но снижение это немонотонно с предполагаемой стабилизацией в пределах 1,5 м/с. Относительно устойчивое уменьшение скорости демонстрируют варианты А и С. Вариант С прогнозирует стабилизацию хода на уровне 0,6 м/с, вариант С – практическую остановку судна через 2,5 мин. Рис. 107. Временная зависимость линейной скорости центра тяжести судна (кривые A-F – численный эксперимент; H – источник [78]) В ряду графиков, показанных на рис. 105 – 107 имеются кривые H. Они рассчитаны для мелкобитых льдов по методике [78]. Можно отметить некоторую сходимость аналитических расчётов с вариантом Е применительно к описанию отворота, после чего начинают накапливаться расхождения результатов. Линии G, приведённые для сравнения, являются итогом численного моделирования маневра судна в условиях чистой воды. 5.4.Устойчивость на курсе В традиционном определении устойчивость на курсе – это способность управляемого судна сохранять прямолинейное движение. Это определение можно интерпретировать как способность судна возвращаться на выбранный курс при действии некоторого внешнего возмущения. Однако для судоводителя, обеспечивающего проводку, более важна способность регулируемого судна возвращаться на заданную линию маршрута (створную линию). Поэтому с позиций безопасности данное качество следует рассматривать именно в последней трактовке. При этом автором настоящей работы предложен термин – маршрутная устойчивость судна. Её нельзя отнести к теоретически изучаемым, описываемым, а, тем более, нормируемым ледовым качествам судна. Для решения задач определения безопасных условий ледового судоходства (обычно кратковременных) процесс движения судна следует рассматривать с позиций обязательного учёта пространственно-временной неустойчивости ледовых факторов (раздробленности льдов, их сплочённости и толщины, ширины и формы ледового канала, формы и длительности контактных импульсов льдин, суммарных нагрузок на корпус со стороны льдов, скорости движения, закона управления судном и пр.). Поэтому анализ этого качества на основе аналитических подходов представляет собой достаточно сложную задачу и попытки её решения, как показывает опыт, пока безуспешны. В небольшом ряду теоретических оценок курсовой устойчивости классической является работа [87]. В ней получено выражение для среднего числа рысканий судна за единицу времени в предположении плоского без бокового сноса равномерного движения судна в однородных «регулярных» льдах. Кроме того принято, что стохастический процесс, вызывающий отклонения судна от прямого курса, является гауссовым. Выводы теоретического решения [87] лишь частично получили подтверждение по данным натурных испытаний курсовой устойчивости судов применительно к задачам эксплуатационного характера [24,67] и неприемлемы для решения проблем обеспечения безопасности плавания. Ниже приводятся несколько примеров численного моделирования, явно противоречащих исходным установкам [87]. Так в отношении поперечного смещения можно утверждать, что оно неустранимо даже при очень «эффективном» (жёстком) управлении судном. Рис. 108 иллюстрирует это на примере двух расчётных вариантов движения судна в мелкобитых льдах различных характеристик. Рис. 108. Поперечное смещение центра тяжести судна при движении в мелкобитых льдах Вариант А (Рис. 108) описывает плавание судна в сильносплочённых «регулярных» мелкобитых льдах толщиной 0,5 м при средней протяжённости льдин около 20,0 м. Кривая В (Рис. 108) относится к движению в ледяной среде с аналогичными параметрами льда при протяжённости льдин 5,0 м. Как видно из анализа зависимостей, боковое смещение судна принимает ощутимые величины, пренебрегать которыми некорректно. Примечателен и тот факт, что оно не всегда знакопеременно (кривая А, рис. 108). Неучёт поперечного смещения, по сути, сводит реальный процесс рыскания к вращению судна относительно вертикальной оси, проходящей через его центр тяжести. Но это далеко не всегда соответствует действительности. На рис. 109 приведён пример поведения кривых смещения носовой и кормовой оконечностей модельного судна в варианте расчёта, соответствующем плаванию в «регулярных» сплочённых льдах протяженностью 5,0 м и толщиной 0,5 м. Рис. 109. Сравнение величины поперечного смещения носа и кормы судна при движении в мелкобитых льдах Анализ зависимостей показывает, что поперечный сдвиг кормы (кривая А, рис. 109) многократно превосходит аналогичный параметр для носа судна (кривая В, рис. 109). Учитывая, что центр тяжести находится примерно в середине судна (его отстояние от миделя составляет 0,6 м), можно утверждать о наличии существенного смещения центра вращения в сторону носа. Эта картина вполне реальна – часто судно «зарывается» форштевнем в лёд, который препятствует перемещениям носа. При этом корма находится в зоне относительного разрежения (при отсутствии интенсивного сжатия) под непосредственным влиянием движительно-рулевого комплекса. Случайность (сильная пространственная изменчивость даже для однородных условий) уровня ледовых усилий не вызывает сомнений. Это убедительно подтверждают данные, приведённые в п. 5.3. Однако в частных задачах безопасности процесс воздействия на судно поперечных нагрузок (а именно они провоцируют его рыскание) далеко не всегда допустимо сводить к нормальному закону распределения с нулевым математическим ожиданием. Данные рис. 110 показывают это на примере «неэффективно» управляемого судна в поле «нерегулярного» сильносплочённого мелкобитого льда толщиной 0,5 м. Рис. 110. Временная зависимость поперечной ледовой нагрузки и угла рыскания для «неэффективно» управляемого судна Линия В (сглаженное значение, рис. 110), описывающая поведение поперечных ледовых нагрузок, почти весь расчётный период имеет положительные значения. Такое регулирование судном и воздействие льда порождает устойчиво однонаправленный угол зарыскивания, величина которого достигает почти 9 градусов (кривая С, рис. 110). Конечноэлементое моделирование в рамках настоящей работы выявило значимое влияние граничных условий на поперечные ледовые нагрузки. В качестве подтверждения этого можно указать на данные рис. 111. Рис. 111. Временная зависимость поперечной ледовой нагрузки для «идеально» прямолинейного движения судна Кривая А (сглаженное значение, рис. 111) описывает поведение суммарной поперечной ледовой силы на корпусе судна, идущего «идеально» прямолинейно в ледовом канале, заполненном «регулярными» мелкобитыми льдами. Даже явно невыраженная асимметрия этих условий (разница в положении кромок канала) уверенно сдвигает уровень ледовых нагрузок в сторону от «нулевого» математического ожидания. Теоретически непредсказуемо судно может отреагировать на изменение ледовой обстановки, провоцируемое своим движением (например, в канале), в начальной стадии форсирования сильносплочённых перемычек льда, заторошенных участков. На рис. 112 показан фрагмент поведения угла рыскания судна во время преодоления поля «регулярного» мелкобитого льда при протяжённости льдин 20,0 м, толщиной 0,5 м и сплочённостью 9-10 баллов. Рис. 112. Зависимость угла рыскания судна при движении в сильносплочённых мелкобитых льдах На кривой А (Рис. 112) в районе 26 с очевиден максимум, говорящий о том, что начальный этап входа в лёд сопровождался ощутимым «заносом» кормы. Линия В (Рис. 112) описывает поведение судна во время прохождения перемычки «нерегулярного» мелкобитого льда той же толщины и сплочённости, но при значительном смещении судна с оси канала. Как видно, моделирование прогнозирует ещё более неустойчивый характер движения судна. При этом необходимо отметить, что оба расчётных варианта справедливы для жёсткого закона управления, обеспечивающего практическую прямолинейность для условий чистой воды. Из более поздних трудов следует упомянуть работу [67]. В ней предложены полуэмпирические методики расчёта ледовой устойчивости судна на курсе. В аспекте, интересующем автора настоящей работы, рассмотрен случай плавания в сильно разреженных льдах сплочённостью до 3 баллов. При этом процесс взаимодействия неуправляемого судна со льдом сведён к случаю соударения с отдельными ледяными образованиями. Однако практика плавания показывает, что уже при сплочённости 1,5 – 2,0 балла корпус начинает контактировать с несколькими льдинами одновременно. Мало того, не следует исключать и взаимодействия льдин. Это можно проследить как на характере движения модельного судна (Рис. 113), так и на осциллограмме ледовых нагрузок (Рис. 114). Т = 11 с Т = 54 с Т = 77 с Рис. 113. Качественная картина движения судна в сильноразреженных мелкобитых льдах Рис. 114. Временная зависимость поперечных корпусных ледовых нагрузок при движении судна в сильноразреженных мелкобитых льдах Поэтому ряд факторов в зависимостях [67] будет либо описан неточно, либо вовсе не определён (скорости соударения, приведённые массы, координаты места контакта). Также необходимо отметить, что модель контакта судна со льдом базируется на положениях работы [58]. Корректность последней в отношении ряда основных характеристик соударения судна и льдины сомнительна (по крайней мере, для ледовых условий внутренних судоходных водоёмов) [39] (п. 6.1.). Кроме того, с позиций обеспечения безопасности судоходства решение задач управляемости в разреженных льдах должно быть согласовано с обоснованным выбором допустимых скоростей движения. Ниже предложены характерные результаты конечноэлементного моделирования маршрутной устойчивости судна в мелкобитых льдах различных характеристик. Анализировалось влияние основных параметров льдов: толщины, раздробленности и сплочённости при движении в ровном канале шириной около 170 м. Оценка маршрутной устойчивости подразумевает задание закона регулирования [75], так как он определяет ответную реакцию судна на воздействие льдов. Анализ эффективности алгоритмов управления судном во льдах требует отдельного исследования. Последнее утверждение можно проиллюстрировать графиками рис. 115. Рис. 115. Сравнение угла рыскания для различных режимов управления судном во льдах Кривые, показанные на рис. 115, описывают временную зависимость угла рыскания судна при его движении в «нерегулярных» мелкобитых льдах толщиной 0,5 м и сплочённостью 2 балла. Их анализ показывает, что введение дополнительного фактора в закон управления судном улучшает его маршрутную устойчивость. При этом угол рыскания уменьшается в 1,5 – 3,0 раза (кривая В) по сравнению с вариантом, где использовалась однофакторная функция регулирования, учитывающая только поперечное смещение носового перпендикуляра (кривая А). При этом в качестве дополнительного фактора использовалась скорость поперечного смещения носового перпендикуляра. Тем не менее, в последующих примерах моделирования была использована однофакторная функция регулирования, аргументом в которой является поперечное смещение носового перпендикуляра судна. В своём выборе автор исходил из того, что в ледовых условиях недопустимо (либо крайне ограничено) автоматическое управление судном. Визуальная (инструментальная) проводка по линии маршрута (створу), в первую очередь, базируется на оценке смещения судна. Автор понимает субъективность подобного выбора, но всякое непосредственное управление судном представляет собой субъективный процесс. Кроме того, немаловажным оправданием такого решения является достаточный опыт автора в численных решениях подобных задач. Результаты численных оценок угла рыскания и поперечного смещения судна показаны на рис. 116 – 119. Рис. 116. Влияние толщины мелкобитых сильносплочённых льдов на величину угла рыскания судна Рис. 117. Влияние толщины мелкобитых сильносплочённых льдов на величину поперечного смещения судна Рис. 118. Влияние сплочённости мелкобитых льдов на величину угла рыскания судна Рис. 119. Влияние сплочённости мелкобитых льдов на величину поперечного смещения судна С ростом толщины сильносплочённых (9-10 баллов) льдов протяжённостью около 5,0 м увеличивается смещение и амплитуда угла рыскания (Рис. 116, 117). Тем не менее, для заданного закона управления её вряд ли можно признать значимой. Даже для льдов толщиной 0,5 м она не превысила 3,5 градусов (кривая Е, рис. 116). Повышение параметров рыскливости судна с увеличением толщины сплочённых льдов можно объяснить следующим. Тонкий лёд при достаточно большой скорости движения интенсивно разрушается, измельчается и расталкивается носовой частью корпуса судна под кромки ближних льдин, не вызывая ощутимых различий в поперечных нагрузках с разных бортов (рис. 120а). При движении в толстых льдах их дробление наблюдается в гораздо меньшей степени. Преобладают несимметричные нагрузки от деформирования, притапливания и раздвигания льдин, способствующие случайному «соскальзыванию» форштевня в ту или иную сторону (рис. 120б). Учитывая низкую достижимую скорость, судно гораздо медленнее «восстанавливается», что многократно увеличивает угол, период рыскания и боковое смещение. а б Рис.120. Характер взаимодействия корпуса судна с мелкобитыми льдами различной толщины а – толщина льда 0,2 м (вид с кормы); б – толщина льда 0,5 м (вид с носа) Иные состояния раздробленности не вносят качественных изменений в характер движения судна для различных толщин льда. Количественная картина описывается кривыми, незначительно отличающимися от данных рис. 116 и 117. Влияние сплочённости мелкобитых льдов на маршрутную устойчивость судна не является однозначным. На данном этапе моделирования можно сделать вывод пока только об устойчивом падении периода рыскания с уменьшением сплочённости (Рис. 118, 119).

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...