Оценки безопасных условий ледового плавания судов с применением cae -систем

1.3.Ледовые качества судов как предмет специального рассмотрения. Частные задачи ледовой безопасности Под специальным рассмотрением понимается процедура принятия экспертного решения в условиях недостаточности репрезентативной информации об исследуемом ледовом процессе, сопровождающаяся, как правило, либо значительной ограниченностью, либо неадекватностью традиционных методик, описывающих подобные процессы. При невозможности осуществления натурного эксперимента приемлемые для практики решения ледовых проблем может обеспечить только их моделирование. При этом подразумеваются как реальные, так и виртуальные модели (CAE-модели). Степень точности реализации условий процесса определяет уровень адекватности модели. Следует отметить, что оба способа моделирования несовершенны. Принципиальными недостатками реального моделирования являются невозможность разделения гидродинамических и ледовых нагрузок на корпусе судна и необходимость пересчёта результатов с модели на натуру. Всё это вносит погрешности в модель, ограничивающие применение данного метода. Сюда же можно отнести ежеразовую сложность подготовки и выполнения полномасштабного опыта, а в ряде случаев – его неосуществимость (например, постановку процесса сжатия судна льдами с анализом поведения корпусных конструкций). Формирование новой детальной виртуальной модели также трудоёмкий процесс, однако, он существенно облегчается и ускоряется при поддержании библиотек «образов моделей», созданных в предыдущих сеансах (и особенно, если вновь моделируемая ситуация близка к прототипу). Реализация виртуальной модели позволяет имитировать, практически, любой процесс взаимодействия судна с ледяным покровом. Поэтому виртуальная модель является не только альтернативой реальной модели, но и в ряде случаев – единственным средством получения достоверных данных. Но при этом она обладает очень существенным ограничением: уровень её адекватности помимо выбранных моделей материалов и контактных алгоритмов напрямую зависит от степени детализации и дискретизации при описании взаимодействующих тел и сред. Погоня за точным решением проблемы порождает гиперресурсоёмкие модели, обработка которых «под силу» только суперпроизводительным вычислительным комплексам (задача, распаралеленая на сотни подзадач). Как правило, ледовые эксперты не располагают таковыми возможностями. В лучшем случае, вычислительная система поддерживает несколько десятков параллельных процессоров (допустима мультиядерность и гипертрейдинг) с оперативной памятью в несколько Гб. Поэтому всегда приходится искать разумное соотношение между временными затратами на обсчёт модели и её соответствием с натурой. Тем не менее, этот компромисс вполне достижим даже при использовании современных персональных компьютеров. Ниже это проиллюстрировано кратким перечнем задач, требующих специального рассмотрения и успешно решаемых с применением виртуального моделирования. В данную группу, безусловно, входят все задачи, связанные с оценками безопасных условий ледового судоходства и предсказаниями последствий воздействия льда на гидротехнические сооружения. В первую очередь, применительно к тематике настоящего исследования, это касается достижимых режимов эксплуатации судов в битых льдах. Проведённый в п.1.2. анализ зависимостей (10) – (54), входящих в состав полуэмпирических методик прогноза ходкости, инерционных характеристик и поворотливости, указывает на наличие в них большого количества корректирующих эмпирических коэффициентов. При отсутствии надёжных натурных данных для их определения ледовые эксперты ВГАВТ вынуждены были неоднократно прибегать к численному эксперименту (Рис. 9 – 11). Рис. 9. Характер движения ледокола проекта 1191 в мелкобитых льдах Рис. 10. Характер обтекания льдом корпуса т/х типа «Сормовский» при движении в тонких мелкобитых льдах а б Рис. 11. Влияние граничных условий на поворотливость т/х типа «Нефтерудовоз» в мелкобитых льдах За последнее десятилетие отечественный флот пополнился новыми грузовыми судами смешанного река-море плавания. При этом некоторые серии имеют в обозначении класса символ ледовой категории. Новизной конструктивных решений применительно к флоту смешанного плавания является использование в ряде проектов увеличенной ширины (до 17 м) и длины цилиндрических вставок (до 75% расчётной длины), полных носовых обводов с коэффициентом полноты водоизмещения более 0,92 (например, проекты 19614, RSD44, RST27), бульбообразных носовых оконечностей (проекты RST07, RST22, RST27). Такие формы признаны нетрадиционными. Нетрадиционная форма корпуса (и особенно носовой части) предполагает особенности взаимодействия битых льдов с ним. Эти особенности не учитываются нормативными и классическими полуэмпирическими методиками при расчётах кривых ледового сопротивления подобных судов. Согласно правилам Российских Регистров оценки их ледовых качеств безоговорочно являются предметом специального рассмотрения. Поэтому при разработке ледовых паспортов, например, таких проектов как 19614, RSD44, RST27 оценки ходкости и поворотливости во льдах производись только по результатам CAE-моделирования (Рис. 12). а б Рис. 12. Характер контакта носовой оконечности танкера проекта RST27 с тёртыми льдами Хорошо поддаются CAE-решениям задачи ледовой прочности судов. Так для обоснования допустимых условий при ледовых сжатиях достаточно смоделировать ледовое воздействие на одно бортовое перекрытие цилиндрической вставки судна с жёстко закреплёнными узлами по периметру конструкции (Рис. 13). А вот оценки последствий сильных сжатий или ударного взаимодействия с ледяными образованиями с целью выбора безопасных скоростей движения в ледовом канале и разреженных битых льдах требуют реализации уже более сложных моделей (Рис. 14, 15). Рис. 13. Характер повреждений бортового перекрытия танкера проекта 19614 при сжатии льдами толщиной 0,4 м а б Рис. 14. Общий (а) и детализированный (б) характер повреждения носовой части судна ледового класса «Ice-1» при ударе о плавающую льдину Рис. 15. Характер повреждений цилиндрической вставки судна ледовой категории «лёд-40» при сильном сжатии льдами толщиной 0,5 м В составе ледовых качеств движительно-рулевого комплекса судна с помощью традиционных полуэмпирических методик корректно определяется несущая способность лопастей гребного винта, прочность валопровода, руля и его баллера при нормируемых ледовых нагрузках. А вот достоверная оценка местной ледовой прочности кромок лопастей винта пока доступна только численным методам. При этом кроме расчётного режима «фрезерование», обязательному анализу подвергается и режим «навала» неработающего винта на припайный лёд (Рис. 16, 17). Рис. 16. Оценка прочности гребного винта танкера проекта 19614 в режиме «фрезерование» льда Рис. 17. Оценка прочности лопасти гребного винта танкера проекта 19614 в режиме «навала» неработающего винта на неподвижный лёд Не менее важным ледовым качеством гребного винта являются его пропульсивные характеристики. В классических методиках расчёта достижимых режимов движения судна во льдах они априорно отождествляются с условиями чистой воды при прочих одинаковых параметрах работы движителей. CAE-симуляция работы гребных винтов позволяет обоснованно скорректировать их тяговые характеристики в ледовых условиях (Рис. 18). Рис. 18. Характер взаимодействия изолированного гребного винта с тёртым льдом Решения частных задач ледовой безопасности гидротехнических объектов, в основном, связаны с расчётом нагрузок от воздействия подвижных льдов на счалы ошвартованных стоечных судов, причалы, стенки, откосы, жёсткие и податливые опоры различной формы. Необходимо отметить, что эти нагрузки имеют переменный не только пространственный, но и временной уровень. Для податливых конструкций (в том числе и швартов) динамические нагрузки в начальные моменты навала льдов многократно превосходят их последующую величину, что неоднократно приводило к разрыву швартовных канатов и навалу на нижестоящие по течению сооружения. Прогноз временного развития подобных явлений, недоступный для классических методов, вполне осуществим с применением конечноэлементного моделирования. 2.Технология решения задач с применением CAE-систем 2.1.Основные сведения о CAE-системах CAE-системы (Computer Aided Engineering – компьютерная система поддержки инженерных расчетов, проведения инженерного анализа) представляют собой достаточно многочисленный класс систем [5,71,96,98]. Каждая из них нацелена на решение определенной группы проблем, однако существуют и такие, которые претендуют на звание универсальных. CAE-системы используют численные методы решения таких задач, как оценки прочности конструкций; моделирование тепловых процессов; гидравлические, гидродинамические и аэродинамические расчёты; оптимизация процессов литья, штамповки и механической обработки материалов; анализ взрыва; радиоактивность и так далее. В этих системах, как правило, используются трехмерные модели изделий (сред), предварительно разработанные либо собственными средствами, либо во внешних CAD-системах, с которыми имеется интерфейс. В рамках настоящей работы в ряду используемых CAE-систем предпочтение отдано пакету LS-DYNA [98]. Это обусловлено рядом его достоинств, описанных ниже. Универсальность. LS-DYNA позволяет в одной задаче описать взаимодействие тел и сред разных физических состояний (жидкое, газообразное, твёрдое). При этом допустимы различные формулировки конечных элементов для их описания: Лагранжевы и Эйлеровы оболочечного и объёмного типа, метод сглаженных частиц, комбинированные методы. Могут быть использованы как явные, так и неявные методы решений систем дифференциальных уравнений, описывающих поведение материалов под нагрузкой. Надёжность. Адекватность результатов моделирования подтверждена многолетней практикой применения совмещённого пакета LS-DYNA/ANSYS [1] в различных областях (механический контакт, теплоперенос, взрыв). Последняя версия системы LS-DYNA (v. 971) содержит более 240 отлаженных и проверенных моделей материалов и 53 алгоритма контактного взаимодействия с развитой системой автоматического контроля сходимости решений (более 60 опций). Адаптируемость. Система LS-DYNA содержит обширную библиотеку материалов и контактных алгоритмов, применение которой достаточно для описания большинства видов механического взаимодействия. Основная пользовательская сложность в адаптации системы заключается в определении «ненормируемых» физико-механических констант используемых моделей материалов и назначении ряда переменных в контактных алгоритмах. Для этого, как правило, требуются постановки дополнительных специальных натурных испытаний материалов и изучения «физики» взаимодействия исследуемых тел и сред. Принципиально важным условием адаптации является возможность разработки и внедрения пользовательских моделей материалов, уравнений состояния и контактных алгоритмов. Распараллеленность. Во всех модификациях пакета LS-DYNA предусмотрено решение задачи путём разделения её на ряд параллельных процессов. Современные персональные компьютеры, имеющие многоядерные процессоры, работают с версией SMP (Shared Memory Parallel – распределённая общая память). Контролируемость. Помимо автоматического осуществим постоянный пользовательский контроль хода решения с возможностью создания контрольных точек восстановления для случаев несанкционированного прерывания. LS-DYNA объединяет в себе три автономные структурные единицы: препроцессор, процессор и постпроцессор. 2.2.Препроцессинг Препроцессинг включает в свой состав процедуры формирования геометрии модели, её конечноэлементного разбиения, выбора типов и формулировок конечных элементов, задания моделей материалов и их физико-механических свойств, определения алгоритмов контактного взаимодействия, установки граничных условий, а также вывода содержания и объёмов информации для последующей постпроцессорной обработки. Основу препроцессора в LS-DYNA составляет конструктор модели FEMB (Finite Element Model Builder). Структурной единицей модели в пакете LS-DYNA является ЧАСТЬ (PART). Формирование модели начинается с разработки геометрии каждой ЧАСТИ. Для построения, редактирования, копирования различных геометрических форм в FEMB предусмотрен ряд «примитивов»: отрезки прямых, дуги, окружности, сплайны, поверхности и линии их пересечений. Основные геометрические функции находятся в меню PART, LINE, SURFACE (Рис. 19). Для удобства пользователя FEMB предлагает показ изображения в различных проекциях, углах зрения, режим масштабирования или работы только с выбранными ЧАСТЯМИ. Необходимо отметить, что FEMB – это наименее продвинутая часть комплекса LS-DYNA. Здесь явно не хватает многих нужных функций CAD-систем, не отличается совершенством сеточный генератор, однако предусмотрен импорт графики в форматах ряда систем (AutoCAD, IGES, NASTRAN, IDEAS и др.). Процесс разработки геометрии завершается виртуальным соединением ЧАСТЕЙ в единую модель (Рис. 20). Рис. 19. Меню FEMB, используемые для создания геометрии модели Рис. 20. Основное окно FEMB системы LS-DYNA с примером геометрии модели После формирования геометрии модели следует процесс выбора типов конечных элементов для каждой ЧАСТИ (оболочечные, объёмные, сглаженные частицы) и их конечноэлементное разбиение (Рис. 21). Для этой процедуры предусмотрено меню ELEMENT. Последующие проверки конечных элементов по различным критериям и редактирование сгенерированной сетки выполняются из меню NODE и CHECK (Рис. 22). Если требуется соединение отдельных ЧАСТЕЙ в единую конструкцию по общим узлам (эта процедура аналогична процессу сварки секций в натуре), то в завершении необходимо выполнить опцию CHECK COINCIDENT в меню NODE. Рис. 21. Окно FEMB с примером конечноэлементной модели Рис. 22. Меню FEMB, используемые для создания, проверки и редактирования конечноэлементной сетки По окончании генерации сетки конечных элементов производится выбор и назначение моделей материалов и формулировок конечных элементов для каждой ЧАСТИ. Для этого предназначены опции CREATE и ASSIGN в меню MATERIAL и ELEMENT PROPERTY (Рис. 23). Рис. 23. Меню FEMB, используемые для выбора и назначения моделей материалов и формулировок конечных элементов Назначение вида контактного алгоритма делается из меню CONTACT INTERFACE (Рис. 24). Рис. 24. Меню FEMB, используемые для назначения алгоритма контактного взаимодействия Задание начальных и граничных условий, наложение дополнительных ограничений или точно известных нагрузок не является обязательной процедурой для всех задач. Если такая необходимость возникает, то эти возможности предоставлены в наборе меню BOUNDARY CONDITION (Рис. 25). Рис. 25. Меню FEMB, используемые для задание начальных и граничных условий Установки по выводу содержания и объёмов информации для постпроцессорного анализа, задание опций контроля решения задачи, формирование уравнений состояния, создание координатных систем, описание различных аналитических зависимостей предусмотрены в меню DYNA MISC (Рис. 26). Рис. 26. Меню FEMB, используемые для задание различных выходных и контрольных параметров Препроцессинг завершается сохранением разработанной модели в KEYWORD-файл. KEYWORD-файл – это текстовый документ, содержащий набор специальных командных строк (KEYWORD-карт) с установками в виде различных опциональных переменных и описанием геометрии модели (Приложение 1). Данный файл является исходным для процессора.

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...