Оценки безопасных условий ледового плавания судов с применением cae -систем
Скачать 2.57 Mb.
|
6.Сравнительный анализ оценок допустимых режимов эксплуатации судов во льдах 6.1.Прочность корпуса при ударных ледовых нагрузках Как показывает анализ повреждений судов, ударному ледовому воздействию наиболее подвержены носовая и кормовая части корпуса в районах окончания цилиндрической вставки и её перехода в оконечности судна. Поэтому для сохранения адекватности при значительном снижении ресурсоёмкости модели она реализовывалась в упрощённой постановке, пример которой показан на рис. 121. При этом геометрия судовых корпусных конструкций описывалась трёх или четырёхузловыми элементами оболочечного типа в Лагранжевой формулировке. Для льдины и воды применялись восьмиузловые элементы объёмного типа в Лагранжевой и Эйлеровой формулировках соответственно. Часть бортового перекрытия в носовой (кормовой) оконечности судна, подверженная непосредственному ударному воздействию со стороны льда, была детализирована (рис. 122.). В ней были выделены конструкции набора (рамные шпангоуты – 3, холостые шпангоуты – 4, кильсоны – 1 и 7, бортовой стрингер – 6), обшивка – 8 и водонепроницаемая переборка – 2. Общее количество элементов колебалось в пределах 500 000 – 700 000 ед. в зависимости от варианта расчёта. Используемые модели материалов (сталь, лёд, вода), их физико-механические характеристики и алгоритмы контактного взаимодействия тел обоснованы автором в п.п. 3.2., 3.3. и в работах [31,32,35]. При моделировании варьировались толщина льдин (0,3 – 1,0 м), их протяжённость (10 – 50 м), характер контактной кромки (угловая, протяжённая, закруглённая), скорость хода судна в момент контакта (0,5 – 5,5 м/с). Пример типового KEYWORD-файла приведён в Приложении 2.
Исследованию процесса соударения судна с ледяными образованиями посвящён ряд классических работ [9,28,29,52,58,109]. Однако корректно решена задача определения только суммарного контактного усилия в пределах упругих деформаций борта [28,58]. С ростом пластических деформаций накапливается ошибка расчёта. При этом для сложных в конструктивном исполнении частей корпуса судна (например, носовая оконечность, наиболее подверженная ударному воздействию со стороны льда) эти решения нельзя назвать адекватными. В реальных условиях корпусные конструкции работают в упругопластической зоне (часто при значительных пластических деформациях), т.е. суда всегда получают повреждения. Под термином «повреждение» автор понимает наличие любой остаточной деформации корпуса. Поэтому для практики наибольший интерес представляют способы комплексного количественного прогнозирования этих деформаций и нахождения их допустимых границ. При этом границы должны быть подвижными и соответствовать установленному уровню безопасности судна. В рамках традиционных методик это не достижимо. Современные публикации приводят попытки численных решений задач, связанных с оценкой ледовой прочности судов. Однако в большей степени они носят иллюстративный характер [45]. В подобных работах не приводится описание структуры модели, определяющих уравнений и свойств взаимодействующих материалов, моделей контактных взаимодействий тел, часто моделирование контакта заменяется силами на интересующей конструкции. По этим причинам оценка их достоверности и проведение какого-либо сравнительного анализа с авторскими результатами не представляется возможным. Другие решения [105] с применением CAE-систем были отвергнуты автором по причине неприемлемых реологических моделей льда. Ниже приводится обзор наиболее значимых с точки зрения автора настоящей работы результатов собственного конечноэлементного моделирования контакта судна с льдиной в сопоставлении с полуэмпирическими методиками. Повреждения. Основным достоинством численного моделирования рассматриваемого процесса является возможность оценки совокупных повреждений судна, что недоступно классическим методикам. Употребление в качестве критерия только величины пластических деформаций конструкций не даёт объективной картины, так как одному уровню этой характеристики могут соответствовать различные качественные повреждения. Для количественного анализа допустимо использовать параметр повреждений, представляющий сумму произведений пластических деформаций конечных элементов на их относительную площадь:
где  – параметр повреждений бортового перекрытия корпуса судна; – порядковый номер конструкции бортового перекрытия (1 – обшивка, 2 – рамные шпангоуты, 3 – холостые шпангоуты и т.д.); – количество моделируемых конструкций бортового перекрытия; – порядковый номер конечного элемента i-ой конструкции; – количество конечных элементов i-ой конструкции; – расчётная пластическая деформация j-го конечного элемента i-ой конструкции; – относительная площадь j-го конечного элемента i-ой конструкции:
где  – площадь j-го конечного элемента i-ой конструкции.Такой подход для комплексного описания уровня повреждений вполне правомерен ввиду однотипности конечных элементов, образующих расчётные корпусные конструкции. Другим надёжным количественным критерием повреждений можно признать суммарную внутреннюю энергию исследуемой конструкции (бортового перекрытия). Величины данных параметров показывают явную корреляцию с характеристиками ледяного покрова и скоростью движения судна. В качестве примера на рис. 123 представлены качественные картины деформаций корпуса судна при плавании в крупнобитых льдах (протяжённость льдин 45-50 м), а на рис. 124 – зависимости параметра повреждений от скорости соударения для типовых битых льдов. Имеющиеся у автора данные численного эксперимента показывают, что при малых скоростях соударения (в пределах малого хода судна) в большей степени повреждается обшивка судна. С ростом скорости (средний и полный ход) экстремальные повреждения переходят к набору. При этом уровень максимальных пластических деформаций рамного набора многократно превосходит эту величину у обшивки. Наиболее очевидно это прослеживается в крупнобитых льдах (рис. 123.).
В разреженных битых льдах достижимая скорость движения судна, как правило, превосходит безопасную. Как показывает анализ аварийности судов (табл. 3), более 20% ледовых повреждений спровоцированы несоблюдением скоростного режима. Поэтому важной частью ледового паспорта является раздел, регламентирующий выбор допустимых (безопасных) скоростей плавания. Основой назначения допустимых скоростей плавания во льдах является местная ледовая прочность обшивки и набора. При этом в качестве инструмента можно предложить расчётные зависимости параметра повреждений (внутренней энергии конструкции) от скорости движения судна в типовых ледовых условиях (рис. 124). При возможности упругопластических деформаций корпуса судна применение полученных графиков для выбора безопасных скоростей движения в известных ледовых условиях сводится к назначению допустимого уровня повреждений. Например, его можно установить, исходя из требований Регистров [55,56], используя в качестве аргумента нормативы на остаточные прогибы конструкций корпуса. Использование предлагаемого подхода ограничено тем, что он лишь с определённой вероятностью (не превышающей значение коэффициента корреляции полученных статистических зависимостей) гарантирует исключение повреждений корпуса судна больше допустимых пределов. Поэтому достоверность полученных кривых в первую очередь будет определяться количеством просчитанных вариантов. Не исключено употребление другого уровня, обоснованного хорошей практикой эксплуатации судов. В любом случае конечноэлементное моделирование представляет в помощь возможности визуализации результатов расчёта (Рис. 123). Нагрузки. Полуэмпирические зависимости для контактных нагрузок, приведённые в [28,29,58,109] на основе теории промежуточного слоя и аналитического решения уравнения движения борта в направлении удара, получены с рядом допущений (неучёт конструктивных особенностей судна, упрощение характера нагружения, граничные условия), что снижает достоверность результатов расчёта для реальных условий эксплуатации судна. В частности, зависимость давлений по пятну контакта принята равномерной. Здесь для оценки контактных усилий используется средний уровень давления, равного некоторому «эффективному пределу прочности» льда на местное смятие [58]. Фактически имеет место перераспределение давлений, причём характер его усложняется с увеличением скоростей и масс судна и льдины, что обусловлено пластическими деформационными процессами в корпусных конструкциях. Конечноэлементное моделирование подтверждает это на примере столкновения судна с льдиной протяжённостью 20 м и толщиной 1,0 м (Рис. 125).
Как следует из рис. 125, моделирование предсказывает существенный пространственно-временной разброс напряжений в контактной зоне ледяного покрова. Классические методики утверждают, что максимальное контактное усилие в процессе удара пропорционально массам судна и льдины [58]. Однако численные расчёты показывают, что для ледяных образований это не всегда однозначно. В частности, при сравнительно малых соотношениях толщины и протяжённости льдин (что характерно для большинства внутренних водных путей) это условие чаще не выполняется. Рис. 126 иллюстрирует это на примере поведения контактных нагрузок на корпусе судна, идущего полным ходом в мелко и крупнобитых льдах различной толщины.
Анализ зависимостей рис. 126 показывает, что максимальную нагрузку корпусные конструкции испытывают при ударе о льдину толщиной 1,0 м при её протяжённости 20 м (кривая А). Но масса такой льдины (≈ 360 т) значительно меньше ледяных образований протяженностью 50 м (≈ 680 т и ≈ 1140 т для толщин льда 0,3 м и 0,5 м соответственно). Также необходимо отметить, что величина ледовых сил не всегда пропорциональна уровню повреждений судна. Так, например, из рис. 127 следует, что максимальные нагрузки при соударении судна на полном ходу о закруглённую кромку льдины толщиной 0,5 м протяжённостью 50 м почти вдвое превосходят этот параметр для льдины толщиной 1,0 м при её протяжённости 20 м. Но количественный анализ показывает примерно одинаковые величины параметра повреждений ~ 0,053-0,055 (Рис. 128).
Пятно контакта. Форма контактной зоны в традиционных методиках является основным аргументом при расчёте таких параметров соударения как сила, глубина смятия кромки льда, время соударения, прогиб льдины [58]. В зависимости от вида контактной кромки льда (угловой или закруглённой) эта зона имеет вид треугольника или эллиптического сегмента. На практике контактное пятно имеет произвольную форму, так как льдина прогибается, раздробленная часть льда вытесняется и распространяется вдоль борта, продолжая взаимодействовать с обшивкой. Это пятно перемещается вдоль судна, оставляя на корпусе деформационный след сложной формы. Следует отметить, что в ряде расчётных вариантов были отмечены большие пластические деформации у элементов, находящихся на значительном удалении от непосредственной контактной зоны. Если учесть, что в процессе удара судно получает крен и дифферент, то адекватное аналитическое описание конфигурации этого следа крайне сложно. Последнее утверждение хорошо иллюстрирует рис. 129. Он же характеризует многофакторность нагружения конструкций корпуса (наличие изгибающих, сжимающих, растягивающих, сдвиговых напряжений).
Неучёт аналитическими методиками крена и дифферента судна при контакте допустим для низких скоростей движения и относительно малых масс льдин. С ростом скоростей соударения и размеров ледяных образований игнорирование, как минимум, крена нельзя признать корректным. Величина его по результатам постпроцессорного анализа может принимать ощутимые значения (рис. 130).
Длительность и форма контактного импульса. Неудовлетворительную сходимость результатов численных и полуэмпирических методов обнаружила и оценка длительности контакта. При этом наиболее значимая разница наблюдается для относительно тонких льдов, разрушающихся преимущественно изгибом. На рис. 131 приведён пример контактных импульсов при ударе судна об угловую кромку льдин различной толщины протяжённостью около 50 м. Кривая А описывает поведение контактной нагрузки при взаимодействии судна, идущего полным ходом, с льдиной толщиной 0,3 м. Данный вариант не просчитан автором до конца. Но даже этих данных достаточно для убедительной демонстрации значительного превышения длительности модельного импульса над расчётным по методике [58] (более 2,0 с против ~ 0,5 с). Утверждение о том, что с ростом скорости уменьшается длительность удара, не всегда подтверждается численным экспериментом. Так на рис. 132 показаны результаты моделирования контакта судна с льдиной толщиной 1,0 м протяжённостью 10 м. Из него явствует, что на полном ходу (кривая С) продолжительность взаимодействия превосходит этот параметр для среднего хода судна (кривая В).
Форма импульса также часто не соответствует классическим моделям, например, предложенным, в [28,109]. В частности, не всегда очевиден момент максимума контактной силы (кривые А на рис. 131 и 132). |
,
,
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... |
