Оптимизация грузового плана судна по параметрам посадки и остойчивости

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

ОПТИМИЗАЦИЯ ГРУЗОВОГО ПЛАНА СУДНА ПО ПАРАМЕТРАМ ПОСАДКИ И ОСТОЙЧИВОСТИ

СТУДЕНТА СПЕЦИАЛЬНОСТИ «СУДОВОЖДЕНИЕ»

121 СП ГРУППЫ БАРАНОВА АНДРЕЯ ВАСИЛЬЕВИЧА ХЕРСОН 2014

ВВЕДЕНИЕ

Оценка и контроль остойчивости судна в условиях эксплуатации является важнейшим элементом профессиональной подготовки командного состава судов и специалистов направления «Судовождение». Поэтому в дисциплине «Управление мореходными качествами судна» предусмотрено выполнение итоговой контрольной работы, целью которой является закрепление теоретических знаний и практических навыков в этой области.

Методические указания составлены таким образом, чтобы обучающийся мог самостоятельно, без использования дополнительной литературы и документации, выполнить контрольную работу и приобрести необходимые навыки расчетов (вручную) посадки и остойчивости судна при размещении грузов. Поэтому они содержат международные требования к остойчивости судов, а также все необходимые пояснения, расчетные формулы, таблицы и необходимую информацию о судне, включая гидростатические таблицы и интерполяционные кривые. Рассмотрен также конкретный расчетный пример выполнения контрольной работы.

Методические указания кроме общепринятых подходов и методов расчета посадки и остойчивости судна содержат оригинальные разработки автора. В частности, наряду с традиционной, изложена методика оценки критерия погоды судна по диаграмме динамической остойчивости (ДДО), что позволяет существенно упростить процедуру и избавить исполнителя от кропотливой работы по оценке площадей сегментов на диаграмме статической остойчивости (ДСО).

Текст методических указаний написан одновременно на двух языках: русском и английском, что способствует не только приобретению профессиональных навыков оценки и расчета (вручную) посадки и остойчивости судна, но и углублению своих знаний в английском языке.

Учитывая вышеизложенное, автор надеется, что методические указания будут полезны не только студентам морских специальностей, но и всем практикующим профессионалам и морякам, желающим самостоятельно научиться расчетам посадки и остойчивости судна при размещении грузов.

1. СОДЕРЖАНИЕ И ОБЪЕМ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ груз судно остойчивость Контрольная работа оформляется в виде пояснительной записки объемом 15−20 страниц и должна включать следующие разделы:

ТИТУЛЬНЫЙ ЛИСТ ЛИСТ ЗАДАНИЯ СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ

1. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПОСАДКИ И ОСТОЙЧИВОСТИ СУДНА ДЛЯ ПЕРВОГО ВОЗМОЖНОГО ВАРИАНТА РАЗМЕЩЕНИЯ ГРУЗОВ:

· оценка весового водоизмещения и координат ЦТ судна;

· оценка элементов погруженного объема судна по гидростатическим кривым;

· расчет метацентрических высот судна;

· расчет исправленной метацентрической высоты и аппликаты ЦТ судна с учетом свободных поверхностей жидкости;

· оценка посадки судна (углов крена, дифферента, осадок носом и кормой);

· расчет и построение диаграммы статической остойчивости;

· расчет и построение диаграмм динамической остойчивости;

· определение критерия погоды судна;

· расчет площадей диаграммы статической остойчивости для углов крена 0−300, 0−400 и 300−400.

2.РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПОСАДКИ И ОСТОЙЧИВОСТИ СУДНА ДЛЯ ВТОРОГО ВОЗМОЖНОГО ВАРИАНТА РАЗМЕЩЕНИЯ ГРУЗОВ.

3.РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПОСАДКИ И ОСТОЙЧИВОСТИ СУДНА ДЛЯ ТРЕТЬЕГО ВОЗМОЖНОГО ВАРИАНТА РАЗМЕЩЕНИЯ ГРУЗОВ.

4.СРАВНЕНИЕ И АНАЛИЗ ВАРИАНТОВ РАЗМЕЩЕНИЯ ГРУЗОВ ПО КРИТЕРИЯМ ПОСАДКИ И ОСТОЙЧИВОСТИ И ВЫБОР НАИБОЛЕЕ ОПТИМАЛЬНОГО.

5.ВЫВОДЫ ПРИЛОЖЕНИЯ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Во ВВЕДЕНИИ необходимо указать основные характеристики и особенности судна, а также выполнить обзор требований Регистра и ИМО к показателям остойчивости судов.

В ВЫВОДАХ должны быть отражены основные результаты, полученные в ходе выполнения контрольной работы, в том числе указано какой вариант размещения грузов является наиболее оптимальным и по какой причине. Необходимо также привести полученные данные показателей начальной, общей и динамической остойчивости судна для выбранного варианта размещения грузов и сравнение их с установленными нормами ИМО и Регистра.

В ПРИЛОЖЕНИЯХ к курсовой работе должны быть представлены Гидростатические кривые (таблицы), Интерполяционные кривые (Пантокарены) рассматриваемого судна, а также другие материалы, необходимые для выполнения курсовой работы.

Оформление текста, формул, рисунков и таблиц должно отвечать ГОСТ 2.105−95 «Общие требования к текстовым документам». Библиографический список должен соответствовать ГОСТ 7.1−84 «Библиографическое описание документа» .

2. ЦЕЛЬ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

2.1 Исходные данные Грузовое многоцелевое судно изначально имеет на борту 222 контейнера и его параметры посадки и остойчивости следующие (табл. 1).

На судно предполагается погрузить три отдельных дополнительных груза весом w1, w2, w3. Координаты мест погрузки (точек А, В, С) следующие:

Каждый груз w1, w2, w3 может быть установлен только в одно из указанных мест (точек А, В, С).

Table 1

2.2 Цель контрольной работы Выбор оптимального варианта размещения дополнительных грузов в точках А, В, С, при котором посадка и остойчивость судна будет наиболее предпочтительными и соответствовать установленным нормам ИМО и Регистра

2.3 Задачи контрольной работы Для каждого рассматриваемого варианта размещения дополнительных грузов (всего 6 возможных вариантов):

· Оценка весового водоизмещения и координат ЦТ судна.

· Оценка элементов погруженного объема судна по Гидростатическим кривым.

· Расчет метацентрических высот судна.

· Расчет исправленной метацентрической высоты и аппликаты ЦТ судна с учетом свободных поверхностей жидкости.

· Оценка посадки судна: углов крена, дифферента, осадок носом и кормой.

· Расчет и построение диаграммы статической остойчивости с использованием пантокарен (интерполяционных кривых).

· Расчет и построение диаграммы динамической остойчивости.

· Оценка площадей диаграммы статической остойчивости для углов крена 0−300, 0−400 и 300−400 .

· Расчет критерия погоды судна.

Примечание 1. В обоснованных случаях (это должно быть объяснено в КР) студент вправе исключить из рассмотрения варианты размещения грузов, заведомо непригодные для всестороннего анализа. Таким образом, общее число вариантов размещения грузов может быть уменьшено до двух-трех наиболее перспективных.

Примечание 2. Принимаемые по условию задания дополнительные грузы w1, w2, w3 — твердые. Поэтому величина судна после их погрузки остается неизменной и равной исходной.

Примечание 3. В прилагаемой судовой документации начало координат (OXYZ) теоретического чертежа корпуса судна находится на килевой линии и кормовом перпендикуляре. (Поэтому отрицательных значений координат размещения грузов по оси OX быть не может).

3. ВЫБОР ВАРИАНТА ВЫПОЛНЕНИЯ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ Каждый студент выбирает свой вариант выполнения контрольной работы (где заданы веса дополнительных грузов, принимаемых на судно) в соответствии с номером по классному журналу (табл. 2).

Table 2

ВЫПОЛНЕНИЕ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ Для примера примем, что веса принимаемых дополнительных грузов следующие:

t: t; t.

Напомним, что по условию задачи, возможные точки погрузки этих грузов следующие:

A (x=80m; y=-6,5m; z=6,3m);

B (x=35m; y=7,0m; z=8,5m);

C (x=28m; y=2,5m; z=8,1m).

Решение.

1) Выбираем следующий вариант размещения дополнительных грузов на судне:

Такой выбор основывается на следующих соображениях:

· самый тяжелый груз располагается в самое нижнее из возможных мест погрузки (точку), что должно обеспечить наилучшую остойчивость судна;

· для обеспечения симметричности нагрузки относительно диаметральной плоскости и, как следствие, посадки судна без значительного крена, второй по весу груз располагается на противоположном борту (точке).

Следует отметить, что выбранный вариант размещения грузов может оказаться не совсем удачным с точки зрения дифферента судна, так как наиболее тяжелый груз размещается в носовой части судна. Поэтому не исключено, что если дальнейшие расчеты покажут, что посадка или остойчивость судна неудовлетворительны, то придется рассматривать иной вариант размещения грузов.

2) Определяем весовое водоизмещение и координаты ЦТ судна после погрузки:

t;

3) Используя гидростатические данные (Приложение 1), по известному водоизмещению методом интерполяции определяем следующие элементы погруженного объема судна:

— среднюю осадку

— продольную координату центра величины

— вертикальную координату ЦВ

— вес, изменяющий среднюю осадку судна на 1 см

— продольную координату ЦТ действующей ВЛ

— момент, дифферентующий судно на 10

— расстояние продольного метацентра от киля

— расстояние поперечного метацентра от киля .

4) Рассчитываем значения метацентрических высот и аппликаты ЦТ судна с учетом свободных поверхностей жидкости:

m;

m.

Примечание. Расчет поперечной исправленной метацентрической высоты произведен с поправкой на свободные поверхности, которая не изменилась после погрузки трех дополнительных грузов. В общем случае перед вычислением пришлось бы пересчитывать поправку .

5) Определяем параметры посадки судна:

— угол крена судна

;

— угол дифферента

;

— изменение осадки на НП

;

— изменение осадки на КП

;

— осадка судна на НП

;

— осадка судна на КП Полученные величины начальной остойчивости и посадки судна свидетельствуют, что выбранный грузовой план (размещения дополнительных грузов) вполне приемлем.

6) Выполняем расчеты и строим диаграмму статической остойчивости судна, для чего:

a) используя интерполяционные кривые (Приложение 2) по известному водоизмещению или средней осадке судна определяем плечи остойчивости формы (для углов крена 5, 10, 20, …60 градусов. Полученные данные включаем в табл. 3;

б) определяем величины и также вносим их в табл. 3;

в) вычисляем значения плеч по формуле и эти значения вносим в табл. 3;

г) по данным табл. 3, строим ДСО судна (рис.1).

Table 3

7) Выполняем расчеты и строим диаграмму динамической остойчивости судна, для чего:

а) по формулам (18) рассчитываем плечи динамического кренящего момента:

б) используя полученные данные, строим ДДО судна (рис.2).

8) Определяем критерий погоды судна, для чего:

a) вычисляем плечо кренящего момента от бокового ветра по формуле (19):

b) на ДСО судна откладываем величину и определяем угол крена от постоянно дующего ветра (рис. 1), который равен:

c) определяем исходные коэффициенты и параметры для расчета амплитуды бортовой качки судна от удара бокового шквального ветра :

d) используя полученные значения и табл. 2 (приложение 3), определяем коэффициенты (входящие в расчетную формулу амплитуды качки):

e) определяем амплитуду бортовой качки от удара бокового шквального ветра (формула 20):

f) вычисляем величину плеча кренящего момента от шквального ветра:

0,0627 = 0,0941 m;

g) от найденного ранее значения на ДСО откладываем влево величину амплитуды бортовой качки и, в точке пересечения с кривой, проводим вертикальную прямую (рис. 1);

i) откладываем на ДСО плечо кренящего момента от шквального ветра до пересечения с проведенной ранее вертикальной прямой и нисходящей ветвью кривой (рис. 1);

j) находим угол, определяющий правую границу площади (рис. 1) и откладываем его на ДСО (для нашего случая);

k) сравниваем площади сегментов и (рис. 1) и приходим к заключению, что:

что означает соответствие выбранного грузового плана судна установленным ИМО нормам по критерию погоды.

9) Определим критерий погоды судна с помощью ДДО (рис. 2):

· Через точку, соответствующую углу крена, проводим вертикаль до пересечения с кривой и получаем точку ;

· Из точки откладываем влево отрезок длиной и получаем точку ,

· Из точки вдоль оси откладываем отрезок длиной и получаем точку, а затем вдоль оси — откладываем отрезок длиной. Таким образом, получаем точку (рис. 2);

· Через точки и проводим наклонную прямую, соответствующую динамическому плечу кренящего момента от бокового шквального ветра;

Как видно из рис. 2 прямая пересекает кривую в точке, опуская перпендикуляр из которой, определяем динамический угол крена судна от шквального ветра. Этот угол меньше, чем. Значит динамическая остойчивость судна соответствует критерию Погоды. В том числе это означает, что .

10) Проверяем соответствие построенной ДСО судна критериям ИМО, для чего:

а) Определяем площади подкривой в диапазонах углов крена, и (Это можно сделать, используя построенную ДДО судна, где искомые площади изображены в виде соответствующих отрезков на рис. 5). Они соответственно равны:

b) на ДСО определяем угол заката, максимальное плечо восстанавливающего момента и угол, при котором оно достигается. Они соответственно равны (рис. 1):

.

Как видно из полученных данных, ДСО судна соответствует критериям ИМО (GZmax=0,25 m, что удовлетворяет).

11) Проверяем соответствие исправленной метацентрической высоты установленным требованиям:

.

12) Полученные результаты по фактическим значениям критериев остойчивости и их установленные нормы представим в виде табл. 4.

Table 4

Заключение

Выбранный нами грузовой план (вариант размещения дополнительных грузов) вполне оптимален как по параметрам посадки, так и по критериям остойчивости судна, поэтому он может быть фактически реализован.

БиблиографиЧЕСКИЙ СПИСОК Никитин Е. В. Остойчивость судна: теория, оценка и контроль в условиях эксплуатации. —На русском и английском языках. Севастополь, Академия ВМС им. П. С. Нахимова. 2009—236с.

Мельник В. Н. Эксплуатационные расчеты мореходных характеристик судна. М.: Транспорт, 1990. — 142 с.

Nikitin Y.V. Fundamentals of Ship Theory. Volume 1. Stability of Ship. Севастополь, СВМИ им. П. С. Нахимова. 2004—130с.

Gillmer T.C., Johnson B. Introduction to Naval Architecture. Annapolis: Naval Institute Press. — Maryland, USA, 1982. — 324 p.

Rawson K.J., Tupper E.C. Basic Ship Theory. 2 volumes. -London & New York: Longman, 1976. — 623 p.

Muckle W. Naval Architecture for Marine Engineers. -London: Newnes-Butterworths, 1975. — 407 p.

Дробленков В.Ф., Ермолаев А. И. и др. Справочник по теории корабля. — М.: Воениздат, 1984. — 590 с.

Новиков Л.А., Житницкий М. И. Теория, устройство и живучесть корабля. — Л.: ВВМУ им. Фрунзе, 1987. — 496 с.

Бобин В. И. Терминологический справочник судоводителя по ведению дел и документации на английском языке. — М.: Транспорт, 1999. 272 с.

Derrett D.R. Ship Stability for Masters and Mates. Fifth edition. ButterworthHeinemann. 1999.—447pp.

Справочник капитана дальнего плавания /Л.Р.Аксютин, Ю. И. Белов, В. М. Бондарь и др. Под. ред. Г. Г. Ермолаева. М.: Транспорт, 1988. — 248 с.

Справочник по теории корабля. Т 1−3. Под ред. Войткунского И. Я. Л.: Судостроение, 1985.

Amendments to the Code on Intact Stability for all ships by IMO Instruments (Resolution MSC.75 (69) amending Resolution A.749 (18). 1999.

ГИДРОСТАТИЧЕСКИЕ ТАБЛИЦЫ

(КРИВЫЕ ЭЛЕМЕНТОВ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ЧЕРТЕЖА)

ИНТЕРПОЛЯЦИОННЫЕ КРИВЫЕ (ПАНТОКАРЕНЫ)

ТРЕБОВАНИЯ ИМО К ОСТОЙЧИВОСТИ СУДОВ

A.1. Требования ИМО к остойчивости судов определены в «Кодексе остойчивости неповрежденных судов всех типов, на которые распространяются документы ИМО», который принят 4.11.1993, Резолюция А.749 (18) [13,14]. Требования распространяются на все морские суда длиной не менее 24 м, если не указано иное.

А именно на:

— грузовые суда;

— грузовые суда, перевозящие лесные палубные грузы;

— грузовые суда, перевозящие зерно насыпью;

— пассажирские суда;

— рыболовные суда;

— суда специального назначения;

— морские суда обеспечения;

— подвижные буровые установки;

— понтоны;

— суда с динамическими принципами поддержания;

— контейнеровозы.

A.2. Критерий погоды (критерий сильного ветра и бортовой качки) Согласно Требованиям ИМО основным критерием остойчивости является критерий погоды (критерий сильного ветра и бортовой качки), который по существу нормирует динамическую остойчивость судна. Согласно этому критерию судно должно противостоять совместному воздействию бокового ветра и бортовой качки для каждого типового варианта нагрузки, как показано на рис. A.1, с учетом следующего:

— первоначально судно находится под воздействием ветра постоянной скорости, направленного перпендикулярно к его диаметральной плоскости, которому соответствует плечо кренящего момента и угол крена (рис. A.1);

— около статического угла крена, соответствующего первой точке пересечения ДСО с горизонтальной прямой, под воздействием волн судно имеет бортовую качку амплитудой. В рассматриваемый момент предполагается, что судно максимально наклонилось на наветренный (левый) борт на угол, равный амплитуде бортовой качки ;

— в этот же момент на накрененное на наветренный (левый) борт судно динамически действует порыв ветра с плечом кренящего момента, который в два раза больше исходного. В результате судно интенсивно (динамически) наклоняется на противоположный борт.

Возникший в результате вышеперечисленных условий динамический крен судна на правый (подветренный) борт не должен превышать угла заливания судна, либо угла 500, либо угла (точки второго пересечения прямой с ДСО) в зависимости от того, что меньше.

Примечание. Статический угол крена не должен превышать 160 либо угла, равного 0,8 угла входа в воду кромки открытой палубы, в зависимости от того, какой из них меньше.

В целом алгоритм расчета критерия погоды следующий:

1) Определяется плечо кренящего момента от постоянно дующего ветра по формуле:

(A.1)

где — давление ветра (это значение может быть уменьшено по согласованию с Администрацией ИМО);

— площадь парусности боковой поверхности судна и палубного груза выше ватерлинии, м2;

— высота центра парусности судна от уровня, равного половине осадки судна, м;

— водоизмещение судна, т;

— ускорение свободного падения.

Для рыболовных судов длиной от 24 до 45 м давление ветра в формуле (A.1) принимается по табл. A.1 в зависимости от — расстояния от центра парусности до ватерлинии.

2) Вычисляем плечо кренящего момента от шквального ветра:

(A.2)

3) Определяем амплитуду начальной качки судна (угол крена в сторону шквального ветра) по формуле:

(A.3)

где — коэффициенты, определяемые по табл. 11.2 (составленной на основе IMO Resolution A.749(18) [13,14];

— коэффициент общей полноты;

средняя осадка и длина судна, м;

ширина корпуса судна на миделе, м;

— суммарная габаритная площадь скуловых килей, либо площадь боковой проекции брускового киля, либо сумма этих площадей, м2;

— коэффициент, определяемый следующим образом:

-, если судно не имеет скуловых или брускового киля;

-=0,7, если судно имеет острые скулы;

— определяется по табл. A.1, если судно имеет скуловые кили, брусковый киль, или то и другое вместе;

параметр, определяемый по формуле:

(A.4)

где аппликата ЦТ судна, м.

коэффициент, определяемый по табл. 11.2 в зависимости от периода качки судна :

(A.5)

(A.6)

где метацентрическая высота судна, откорректированная с учетом свободных поверхностей жидкости, м.

Амплитуда начальной качки по формуле (11.3) определяется без учета работы успокоителей качки.

Table A.2

4) Откладываем величину на ДСО судна и в точке пересечения с кривой плеча восстанавливающего момента определяем угол статического крена судна от постоянно дующего ветра (рис. A.1). Эта величина согласовывается с Администрацией [13,14]. Для ориентировочной оценки предполагается, что не должен превышать 80% от угла крена входа в воду палубы или 160, в зависимости от того, что меньше.

5) От найденного значения откладываем влево величину амплитуды бортовой качки и в точке пересечения с ДСО проводим вертикальную прямую (рис. A.1).

6) Откладываем на ДСО плечо кренящего момента от шквального ветра до пересечения с проведенной ранее вертикальной прямой и нисходящей ветвью плеча восстанавливающего момента (рис. A.1).

7) Определяем правую границу площади (рис. A.1), для чего на ДСО проводим вертикаль, соответствующую углу заливания судна, или углу 500, или (пересечения плеча с нисходящей ветвью ДСО), в зависимости от того, что меньше.

8) Остойчивость судна считается соответствующей критерию погоды, если площадь сегмента меньше или равна площади сегмента (рис. A.1). То есть

(A.7)

Figure A.1

A.3. Метацентрическая высота Начальная остойчивость судна также нормируется ИМО, основным критерием которой является исправленная метацентрическая высота судна. Согласно исправленная начальная метацентрическая высота при всех вариантах нагрузки, за исключением лесовозов и рыболовных судов, должна быть не менее 0,15 м:

(A.8)

Для рыболовных однопалубных судов должна быть не менее 0,35 м. Для рыболовных судов со сплошной надстройкой или для судов длиной более 70 м эта величина может быть по согласованию с Администрацией снижена до 0,15 м.

A.4. Диаграмма статической остойчивости В соответствии с нормами ИМО ДСО судна, построенная с учетом поправки к на свободные поверхности жидкостей (), должна отвечать следующим требованиям:

a) Площадь под кривой плеча восстанавливающего момента должна быть не менее до угла крена и не менее до угла, или угла заливания, если этот угол меньше чем 400. Кроме того, площадь под кривой между углами 30 и 400 или между 300 и, если этот угол меньше чем 400, должна быть не менее .

б) Плечо восстанавливающего момента должно быть не менее 0,20 м при угле крена 300 или более. При этом, максимальное плечо должно достигаться при углах крена. В обоснованных случаях этот угол может быть уменьшен до 250.

в) Угол заката ДСО должен быть не менее 600. Однако, он может быть уменьшен до 500 при условии, что на каждый 10 уменьшения приходится 0,01 м увеличения сверх 0,20 м.

г) Угол заливания судна должен быть не менее чем указан в предыдущем пункте, то есть .

д) Для пассажирских судов:

· угол крена из-за скопления пассажиров у одного борта (рассчитывается по специальной методике [13]) не должен превышать 100;

· угол крена на циркуляции также не должен превышать 100. При этом кренящий момент на циркуляции рассчитывается по следующей формуле:

(A.9)

где эксплуатационная скорость, м/с;

длина судна, м;

весовое водоизмещение, т;

средняя осадка, м;

возвышение ЦТ судна над килем, м.

е) ДСО лесовозов при вариантах загрузки палубным грузом леса вместо указанного в пунктах a) и б) должна удовлетворять следующим требованиям:

· площадь под кривой должна быть не менее до угла крена ;

· максимальное плечо

Как видно из вышеизложенного, требования ИМО к ДСО нормируют общую статическую () и динамическую остойчивость судна (и площади под ДСО для различных углов крена).