Оценки безопасных условий ледового плавания судов с применением cae -систем

6.2.Прочность корпуса при ледовых сжатиях Моделирование сильных сжатий, вызывающих критические повреждения корпусов вплоть до их разрушения обычно производиться при анализе серьёзных аварий или прогнозах «ледовой живучести» судов. Это наиболее трудоёмкая задача на этапе препроцессинга и довольно ресурсоёмкая в расчётах. Трудоёмкость обусловлена необходимостью высокой детализации, в общем случае, конструкций всего корпуса судна. Однако анализ ледовой аварийности флота показывает, что наиболее разрушительному воздействию ледовых сжатий подвержены цилиндрические вставки судов. Поэтому основным условием адекватности модели в первую очередь является степень детализации и дискретизации конструкций цилиндрической вставки. Носовую и кормовую оконечности, имеющие значительные наклоны бортов и углы входа ватерлиний, вполне допустимо строить упрощённо. В качестве примера на рис. 133 и 134 показана общая модель «судно – лёд» и детальная модель цилиндрической вставки соответственно. Размеры конструкций цилиндрической вставки выполнены в пределах требований РМРС к ледовой категории «Ice-1» («Лёд-40»). Рис. 133. Пример модели «судно – ледяной покров», используемой при анализе критических повреждений при сжатиях (1 – цилиндрическая вставка; 2 – кормовая оконечность; 3 – носовая оконечность; 4 – ледяное поле) Рис. 134. Пример модели цилиндрической вставки, используемой при анализе критических повреждений при сжатиях (1 – холостой шпангоут; 2 – карлингс; 3 – кница; 4 – бимс; 5 – палуба; 6 – рамный шпангоут; 7 – бортовой стрингер; 8 – переборка; 9 – пиллерс; 10 – борт; 11 – днище; 12 – кильсон; 13 – флор) Необходимо отметить, что в конечноэлементной модели (Рис. 133) допустимо отсутствие воды. Опыт CAE-симуляции показал, что при незначительных скоростях перемещений тел в условиях ледовых сжатий гидродинамическим воздействием воды как контактной среды можно пренебречь, что не вносит значимых погрешностей в результат. Тем не менее, приближённый учёт гидродинамики в подобных моделях производился путём назначения узловых сил на поверхности ледяного поля и обшивке корпуса судна в соответствии с рекомендациями п. 4.3. Используемые модели материалов (сталь, лёд), их физико-механические характеристики и алгоритмы контактного взаимодействия тел приведены в п.п. 3.2., 3.3. и в работах [31,32,35]. При моделировании варьировались толщина льда (0,2 – 0,5 м), его раздробленность (мелкобитый и тёртый), скорость дрейфа льдов при навале на судно (0,2 – 1,0 м/с). Общее количество элементов колебалось в пределах 250 000 – 300 000 ед. в зависимости от варианта расчёта. Пример типового KEYWORD-файла приведён в Приложении 3. Процессинг сопровождался периодическим контролем качественных изменений корпуса (Рис. 135) и количественным анализом накопления деформаций по величине параметра повреждения или уровню суммарной внутренней энергии в корпусных конструкциях (п. 6.1.) (Рис. 136). Расчёт допустимо завершать с прекращением эффективного прироста параметра повреждения (внутренней энергии). а б Рис. 135. Характер повреждений цилиндрической вставки при сильных сжатиях (а – вид сверху; б – вид снизу) Рис. 136. Временная зависимость суммарной внутренней энергии конструкций цилиндрической вставки при сильных сжатиях Основные аргументы, определяющие характер и степень повреждений судна при сжатиях – это толщина и раздробленность льдов. Их прочность и скорость дрейфа в момент навала на судно оказывают гораздо меньшее воздействие. Это влияние проиллюстрировано графиками на рис. 137 – 139. Рис. 137. Влияние толщины мелкобитых льдов на уровень повреждений цилиндрической вставки судна при ледовых сжатиях (А – толщина льда 0,5 м; В – толщина льда 0,2 м) а б Рис. 138. Влияние раздробленности льдов на уровень повреждений цилиндрической вставки судна при ледовых сжатиях (а – толщина льда 0,5 м; б – толщина льда 0,2 м) Рис. 139. Влияние скорости дрейфа наваливающегося ледяного поля на уровень повреждений цилиндрической вставки судна при ледовых сжатиях (А – мелкобитый лёд толщиной 0,2 м при скорости дрейфа 1,0 м/с; В – то же при скорости дрейфа 0,2 м/с) Так данные рис. 137 и 138 указывают на толщину и раздробленность льдов в качестве доминирующих факторов в этом наборе аргументов, влияющих на степень повреждаемости судна при сжатиях. Например, уменьшение толщины мелкобитых льдов с 0,5 м до 0,2 м более чем на порядок снижает уровень повреждений (Рис. 137). Качественно это различие выглядит так, как показано на рис. 140. а б Рис. 140. Влияние толщины мелкобитых льдов на характер повреждений цилиндрической вставки судна при ледовых сжатиях (а – толщина льда 0,5 м; б – толщина льда 0,2 м) Примерно такая же пропорция в уровнях повреждений свойственна соотношению «мелкобитый лёд – тёртый лёд» (рис. 138а). Уменьшение толщины льда сохраняет эту тенденцию, но в значительно меньшей степени (рис. 138б). Известные автору аналитические методики не учитывают связь динамики ледяного покрова при сжатии с повреждениями судов. Ледовые нагрузки при этом приняты равными предельным усилиям, разрушающим лёд заданной толщины и прочности [17,28,58]. Однако в реальных условиях корпуса судов, имеющих слабые ледовые подкрепления, могут получить неприемлемые для эксплуатации деформации ещё до начала разрушения льда. В первую очередь это касается грузового флота внутреннего и смешанного плавания. Суда этого флота если и имеют ледовые усиления, то лишь в редких случаях они превышают категорию «Ice-1» (табл. 2). Как видно из анализа кривых рис. 139, численное моделирование обнаруживает упомянутую связь – скорость движения льда в процессе сжатия сказывается на уровне повреждений судна. Объяснить это можно тем, что значительную долю деформаций корпусные конструкции получают в начальный период навала льдов, когда отсутствует их интенсивное торошение, а ледовые нагрузки, зависящие от кинетической энергии ледяного поля, импульсно возрастают (Рис. 141). Однако справедливым будет признать, что в реальном диапазоне скоростей дрейфа льда (и особенно при ветровых сжатиях) эти различия повреждений судов малозначимы. Рис. 141. Временная зависимость нагрузок на корпусе судна в начальный период ледового сжатия (А – мелкобитый лёд толщиной 0,5 м; В – тёртый лёд толщиной 0,5 м) Влияние прочности льда в интервале её естественного изменения на уровень повреждений судна при сжатиях сопоставимо с воздействием скорости дрейфа ледяного поля. Так, например, численное моделирование показывает, что варьирование физико-механическими характеристиками льда, реализующее двукратное уменьшение его прочностных свойств, снижает параметр повреждения цилиндрической вставки всего лишь на 25% – 30%. 6.3.Ледовая прочность судовых движителей В ряду оцениваемых ледовых качеств гребных винтов, помимо пропульсивных характеристик (п.п. 4.2., 4.3.), обязательному анализу подлежит их прочность, в том числе и для режимов эксплуатации, которые для аналитических методик являются «нерасчётными». Прогноз ледовой прочности гребного винта с применением численных методов связан с реализацией конечноэлементной модели, пример которой показан на рис. 16 и 17. При этом моделировалось прямолинейное движение вращающегося винта вдоль зафиксированной по одной или нескольким кромкам льдины, чем обеспечивался расчётный режим «фрезерование». Кроме того, при отсутствии вращения анализировался и «нерасчётный» режим – «навал» лопасти на неподвижную льдину. Прототипом движителя в данной работе использован ледовый винт танкера смешанного плавания проекта 19614. При моделировании варьировались толщина льда (0,1 – 1,0 м), скорость поступательного движения винта (1,0 – 5,2 м/с), частота его вращения (-27,0 рад/с – +27,0 рад/с), момент на гребном валу – 35,0 кН∙м. Общее количество элементов в модели колебалось в пределах 100 000 – 150 000 ед. в зависимости от варианта расчёта. Пример типового KEYWORD-файла приведён в Приложении 4. Подавляющая часть транспортного флота внутреннего и смешанного плавания, имеющего ледовые подкрепления, допускается нормативами Регистров к плаванию лишь в мелкобитых льдах толщиной не более 0,5 м. Оценки общей прочности лопастей винтов у данных судов показывают её значительное превышение над уровнем расчётных ледовых нагрузок в допустимом интервале толщин льда и при соблюдении «расчётных» режимов эксплуатации («фрезерование» льда или удар об отдельно плавающую льдину). При этом данный вывод подтверждается как нормативными [22], альтернативными [2,26,72,94] методиками (Рис. 142), так и численным экспериментом (Рис. 143). Рис. 142. Распределение расчётных ледовых напряжений [22] по длине лопасти гребного винта Рис. 143. Временная зависимость напряжений в элементах лопасти гребного винта (толщина льда – 0,5 м; режим – «фрезерование») Но эксплуатационная непригодность винта далеко не всегда эквивалентна только потере несущей способности лопасти. Недостаточная местная прочность кромок лопастей также является распространённой причиной ледовых повреждений движителей, несовместимых с их дальнейшей безопасной эксплуатацией [72]. Поэтому проверка вероятного уровня ледовой эрозии кромок (или их местной деформации) в различных режимах работы винта является обязательным условием разработки ледового паспорта судна. Необходимо отметить, что в обширном перечне работ, описывающих взаимодействие гребного винта со льдом, труды по оценкам местной ледовой прочности движителей не отличаются многообразием. Внимание на себя обращает, пожалуй, единственный источник – [2]. Здесь на основе гидродинамической модели удара твёрдого тела о лёд теоретически обоснован метод расчёта давлений (нагрузок) на кромке лопасти при дроблении ею льдины. Однако достоверность предложенного решения сомнительна, что подтверждается рядом результатов численного эксперимента, полученных в настоящей работе. Так, допущение об абсолютной жёсткости лопастей винта вряд ли можно признать корректным в рамках решения данной задачи. Учёт податливости лопасти (Рис. 144) в процессе контакта со льдом ощутимо сказывается на уровне прогнозируемых ледовых усилий (Рис. 145). Рис. 144. Характер вибрации конца лопасти стального винта (толщина льда – 0,5 м; режим – «фрезерование») Рис. 145. Сравнительный анализ продольных ледовых нагрузок на лопастях винта при различных моделях материалов (толщина льда – 0,5 м; режим – «фрезерование») Как видно из рис. 144, амплитуда скорости продольных колебаний конца лопасти (кривая А) сопоставима с величиной поступательной скорости винта (линия В) при значимой длительности эффективного контакта лопасти со льдиной (≈ 0,15 с). Анализ кривых продольных ледовых усилий (Рис. 145) показывает, что модель абсолютно жёсткого винта даёт эффект «сглаживания» нагрузки (Рис. 145, линия В). Стальной движитель (сталь 08Х14НДЛ) против жёсткого испытывает гораздо большие нагрузки. Превышение в среднем составляет около 20%, достигая 1,5-кратной величины (Рис. 145, линия А). Причём этот вывод справедлив как для постоянной частоты вращения движителя, так и для постоянного момента на гребном валу. Показательными в отношении ограниченности модели абсолютно жёсткой лопасти являются также данные, иллюстрируемые рис. 146. Кривые, приведённые здесь, описывают временной ход ледовых давлений на режущей кромке стальной лопасти. Их анализ показывает, что давления, испытываемые корневым и средним участками кромки (линии А и В) близки к аналитическим оценкам (источник [2] прогнозирует давления в пределах 16-18 МПа). Концевая часть кромки (кривая С) испытывает давления, примерно втрое превосходящие уровень, предсказываемый методикой [2]. Объяснить это различие можно только тем, что формоизменение средней и корневой частей лопасти при контакте со льдом значительно меньше, чем у её вершины. Рис. 146. Временная зависимость ледовых давлений на режущей кромке лопасти (толщина льда – 0,5 м; режим – «фрезерование») Оценки местной ледовой прочности кромок лопастей винта чувствительны к учёту эффекта скоростного упрочнения материала движителя. Игнорирование этого эффекта известными полуэмпирическими методиками также снижает достоверность их прогнозов. Справедливым будет отметить, что в работах [2,26] производилась верификация результатов с применением развитой CAE-системы ANSYS [5]. Однако это заявление не сопровождено детальным описанием реализованных моделей (геометрией, параметрами конечноэлементного разбиения, типами и формулировками конечных элементов, моделями используемых материалов, алгоритмами контактного взаимодействия тел), поэтому обсуждение их невозможно. В рамках данной работы скоростное упрочнение винтовой стали учитывалось в соответствии с моделью Купера-Саймондса (Cowper-Symonds, табл. 9) [15]. Ряд расчётных вариантов был выполнен без учёта упомянутого эффекта. Сравнительный анализ результатов показал, что в режиме «фрезерование» лёд толще даже двукратного нормативного значения не представляет опасность для данного движителя, если в модель материала движителя был включён эффект скоростного упрочнения стали. В противном случае явно обнаруживалась ледовая эрозия кромок лопастей (Рис. 147). Рис. 147. Характер повреждений винта при отсутствии в модели эффекта скоростного упрочнения стали (толщина льда – 1,0 м; режим – «фрезерование») Неизбежное маневрирование судна во льдах (например, разворот способом «звезда») может сопровождаться неоднократным реверсированием движителей, что связано с высокой вероятностью навала остановленного винта на неподвижный лёд. Практика ледового судоходства показывает, что это наиболее опасный режим взаимодействия лопасти с ледяным покровом, хотя традиционными методиками он упоминается как «нерасчётный». Поэтому вероятные повреждения, сопутствующие контакту невращающегося движителя со льдом, также являются показателем ледовой прочности гребного винта, отображаемым в ледовом паспорте судна. Ряд примеров численных оценок таковых повреждений проиллюстрирован на рис. 148. а б в Рис. 148. Качественная картина повреждений, полученных лопастью винта 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) Данные рис. 148 показывают, что в реальном диапазоне рабочих толщин зимнего неразрушенного льда при навале неработающего винта на припайный лёд его лопасти получат разрушения кромок, несовместимые с дальнейшей эксплуатацией движителя. Абсолютную безопасность винта конечноэлементное моделирование прогнозирует только для сильно разрушенных льдов (4-5 баллов) толщиной не более 0,2 м. Частотный спектр ледовых нагрузок на движителях также является предметом исследования. Так, например, можно отметить эксперимент «чистого фрезерования» неподвижной льдины, поставленный в работе [26]. Однако в данном случае его вряд ли можно признать показательным, так как в нём смоделированы, в общем случае, маловероятные условия. В естественной среде винт работает в окружении плавающих льдин при возможном одновременном контакте нескольких лопастей со льдом. Результаты численных экспериментов показывают слишком большую разницу этих режимов, чтобы делать какие-либо прогнозы частот вибрации (а равно и пропульсивных качеств винта) на основе эксперимента «чистого фрезерования». В подтверждение этого на рис. 149 и 150 приведены временные зависимости частоты вращения движителя и его ледового сопротивления при постоянном моменте на гребном валу для «натурного» режима и режима «чистого фрезерования». Рис. 149. Сравнение частот вращения винта (толщина льда – 0,5 м; скорость движения – 1,0 м/с) Рис. 150. Сравнение уровней ледового сопротивления винта (толщина льда – 0,5 м; скорость движения – 1,0 м/с) Так потери скорости вращения винта при «чистом фрезеровании» не превосходят 10% от её номинала при стабилизации в пределах 24 рад/с (Рис. 149, линия В). В «натурных» условиях стабилизация вообще не наблюдается (Рис. 149, линия А), можно говорить лишь о некотором среднем уровне – 16 рад/с. Уровень ледового сопротивления движителя в режиме «чистого фрезерования» (Рис. 150, кривая А) многократно ниже того же параметра для «натурного» режима работы винта (Рис. 150, кривая В). Кроме того, «натурный» режим отличает явный знакопеременный характер продольных ледовых нагрузок на лопастях.

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...