Обоснование проектных и конструктивных характеристик скоростного судна с учетом нормативных требований

В мировом судостроении продолжается поиск путей повышения эффективности новых типов судов, увеличения скорости их хода, грузои пассажировместимости, мореходности, безопасности мореплавания.

В последние два десятилетия наблюдается бурный рост флота скоростных паромов, как катамаранов, так и однокорпусных. Последние привлекают своей относительной простотой конструкции, более низкой стоимостью постройки, но проигрывают катамаранам по ряду свойств, в основном — по мореходным качествам.

Использование скоростных судов распространено, прежде всего на коротких линиях, но наблюдается тенденция к увеличению дальности хода, что связано с изменением концепции перевозок пассажиров и автомобилей.

Интенсивное строительство судов новых типов вызвало необходимость освоения новых областей корабельной науки, поставило перед судостроителями ряд проблем и задач, которые потребовали оперативного решения. Если традиционное судостроение имеет наработанные методики, обширную статистику по построенным судам, то скоростной флот покаотносительно «молодая» отрасль морского транспорта, и многие задачи решаются методом «проб и ошибок», т. е. при проектировании последующих судов учитывают опыт эксплуатации построенных. И хотя многие скоростные суда строятся более крупными, чем традиционные суда, сериями, они отличаются значительным разнообразием типов и принципов движения, что снижает возможности накопления опыта, затрудняет использование методов аналогии и регрессионного анализа.

Обеспечению безопасности скоростного флота в мире начали уделять повышенное внимание только в конце 70-х годов XX века, что было вызвано резким повышением интереса к созданию скоростного флота в мире. До 70-х годов исследования в областях, касающихся скоростных судов, велись, в значительной мере, только для двух их типов: на подводных крыльях (СПК) и на воздушной подушке (СВП). Именно в это время Международной Морской.

Организацией (IMO) был разработан «Код Безопасности Судов с Динамическими Принципами Поддержания», содержавший общие требования к скоростным судам тех лет. Внедрение новых типов скоростных судов, увеличение их размеров, использование новых форм обводов и систем обеспечения мореходности, использование новых корпусных материалов, потребовали вскоре не только пересмотра многих положений этого документа, но и проведения обширных исследований в областях гидродинамики, мореходности и прочности скоростных судов.

Классификационными Обществами (Американским Бюро Судоходства, Регистр Ллойда, Российским Морским Регистром Судоходства, Бюро Веритас, Дет Норске Веритас и т. д.) в 80-х годах были проведены обширные исследования с целью разработки требований к безопасности в отношении конструктивной прочности, остойчивости, непотопляемости скоростного судна, а также формулирования требований к таким судам в отношении обеспечения пожаробезопасности, оборудования радиосвязью, навигационными приборами. В то же время одним из наименее изученных остается вопрос обеспечения прочности скоростного судна, ибо его исследования давали противоречивые результаты. Были выяснены многие теоретические аспекты (природа и характер нагрузок на корпус судна, влияние перегрузок на общую прочность и т. п.), но несмотря на это до сих пор не сформулированы не только методики, но даже общепризнанные критерии обеспечения прочности скоростного судна. Требования ведущих КО имеют заметные отличия в нормировании показателей прочности, что отражается, естественно, и на проектных характеристиках судна. Сравнительный анализ методик для расчетов прочности скоростного судна разных Классификационных Обществ был выполнен в работах M. Fan, M. Pinchin, C. Mazonakis, Y.F.Cheng, W.TurnbulL.

Среди крупных скоростных судов наблюдается большое количество их разновидностей. Так, одинаково успешно применяются катамараны, однокорпусники, суда на подводных крыльях, суда на воздушной подушке, суда с малой площадью ватерлинии и т. п. В каждом из вышеперечисленных типов можно выделить значительное число «подвидов» .

Однокорпусные суда, или, согласно зарубежной классификации, «monohulls» (МН), благодаря своей конструктивной простоте (по сравнению с другими типами скоростных судов) и простоте обслуживания в портах и на линиях, занимают значительную «нишу» в обеспечении мировых пассажирских и автомобильно-пассажирских перевозок. Все исследования в данной диссертационной работе касаются только этого типа судов.

Несмотря на принципиальное сходство скоростных МН и традиционных судов, при проектировании МН возникает ряд проблем, свойственных только скоростным судам. Отличия носят принципиальный характер: высокая скорость движения (30−50 узлов против 15−20), что при их относительно небольших размерах делает их соответствующими переходному и/или глиссирующему режимам движения, особые формы обводов (с развитыми плоскими или прямолинейными поверхностями для создания динамической подъемной силы, острыми скулами и транцевой кормой, чем обеспечивается снижение смоченной поверхности на эксплуатационном режиме), низкая мореходность в условиях спецификационного волненияиспользование специальных типов энергетических установок (высокооборотные дизели и газовые турбины против малои среднеоборотных дизелей у традиционных судов). Для этих судов характерны также: высокая доля в их водоизмещении массы корпуса (30−50% против 15−20% у традиционных судов), даже несмотря на применение легких конструкционных материалов (алюминиевых сплавов, композитов и т. п.) — высокий уровень ускорений, вызывающий значительные нагрузки на конструкции и снижение комфортабельности судна. Главная трудность в практике проектирования таких судов состоит в отсутствии наработанных универсальных методик и обширного статистического материала по построенным судам.

Вышеперечисленные особенности однокорпусных скоростных судов, появление новых нормативных требований к их параметрам и характеристикам, требуют изучения и разработки новых методов проектирования судов.

До сих пор расчеты, касающиеся прочностной безопасности судна, носят приближенный характер, основываются на эмпирических данных, полученных по результатам эксплуатации относительно ограниченного количества скоростных судов.

С проектной точки зрения наибольший интерес проявляется к поиску расчетной модели судна, позволяющей, при выполнении требований к безопасности эксплуатации, получить наиболее эффективное с экономической точки зрения судно.

Современные достижения в области проектирования скоростных судов были бы невозможны без вклада в развитие теории проектирования и конструкции судов с динамическими принципами поддержания В. В. Ащика, А. В. Бронникова, В. М. Пашина, Д. Антонова, И. Я. Баскакова, Ю. Ю. Бенуа, М. М. Бунькова, Я. И. Войткунского, Э. Н. Гарина, Г. Ф. Демешко, И. Т. Егорова, Г. П. Злобина, Б. А. Колызаева, А. Н. Косорукова, Н. В. Корытова, Л. М. Кривоносова, М. Н. Масеева, М. А. Мавлюдова, Э. В. Милованова, Н. Б. Плисова, К. В. Рождественнского, С. Б. Соловья, В. К. Трешкова, Л. Л. Хейфеца, Л. А. Эпштейна. Развитию теории проектирования глиссирующих судов способствовали работы Н. И. Белавина, А. М. Ваганова, В. В. Вейнберга, А. И. Мартынова, Е. А. Морозова, Б. Е. Синилыцикова, Б. А. Царева. Необходимо выразить признательность специалистам в области проектирования и конструкции судов: Г. В. Бойцову, А. И. Гайковичу, Э. Н. Гарину, В. К. Горюнову, О. Г. Конашенковой, С. И. Логачеву, А. Г. Ляховицкому, Ю. Ф. Оглоблину, П. Пенчеву, Ю. А. Смирнову, В. Н. Тряскину, Б. А. Цареву, Д. Е. Цымлякову, А. В. Шляхтенко, чьи пожелания и советы были приняты во внимание при работе над диссертацией.

S -4.

Объектом исследования является процесс проектирования однокорпусного скоростного судна с учетом требований нормативных документов. Под «однокорпусным скоростным судном» здесь понимается судно (корабль), имеющее один корпус, водоизмещение в диапазоне 50.600 тонн, длину 25. .80 метров, скорость — 35.55 узлов. Особенности проектирования судов с другими характеристиками не исследовались.

Предметом исследования является влияние требований обеспечения безопасности, формулируемых Классификационным Обществом и/или другим нормирующим органом, на выбор элементов и характеристик корпуса скоростного однокорпусного судна, его оборудование и компоновку в процессе проектирования судна. Из общепринятой номенклатуры таких требований особое внимание в работе уделено требованиям к прочности корпуса скоростного судна. Исследуется взаимосвязь критериев, заданных в нормативных документах, с проектными характеристиками судна. При этом обязательными исходными положениями считаются условия выполнения основных эксплуатационных требований к судну по вместимости, скорости и т. п., по обеспечению его рациональной компоновки. Исследовалась задача минимизации массы корпуса скоростного судна в процессе выбора проектных и конструктивных характеристик судна.

Цель и задачи исследования

.

Ставится цель формулирования рекомендаций по повышению эффективности скоростного судна при условии выполнения требований соответствующих международных и национальных нормирующих органов.

Для достижения этой цели в работе были решены следующие задачи: — Исследовано влияние нормативных требований к прочности скоростного судна на массу его корпуса, что позволило сформулировать рекомендации к выбору «рациональных» проектных характеристик как судна в целом, так и его подсистемы «корпус» на ранних стадиях проектирования.

— Применительно к скоростному судну рассмотрены современные методы расчета нагрузки, положения его центра тяжести, общей прочности.

— Исследованы формализованные различными Классификационными Обществами требования к перегрузкам скоростного судна, с целью получения рекомендаций по предпочтительным диапазонам выбираемых значений проектных характеристик.

Методологические основы и источники исследования. Основными методами при расчетах были метод вариаций и оптимизационные методы поиска минимума функции. Для реализации расчетов и визуализации их результатов было применено стандартное программное обеспечение — MathCad v8.0, для проведения регрессионного анализа — ESBStats™ Standard vl.l. Алгоритмы были реализованы в программной среде Delphi/SQL.

Для исследований рассматривалась гипотетическая серия судов с систематически изменяющимися элементами. Диапазоны их изменений соответствуют таковым у существующих в настоящее время судов рассматриваемого типа.

Главными источниками расчетных данных, алгоритмов, критериев для оценки проектных характеристик послужили Правила Ведущих Классификационных Обществ: Американского Бюро Судоходства (ABS, 1991), Бюро Веритас (BV, 2000), Дет Норске Веритас (DnV, 1993), Регистр Ллойда (LR, 1993), Российский Регистр Судоходства (PC РФ, 1998), а также Код Безопасности Скоростных Судов (IMO, 1996).

Научная новизна исследования. Новизна обеспечивается формированием оригинальных расчетных алгоритмов, методик, использованием новых методов исследований в постановке, не имеющей аналогов, по крайней мере, для исследуемого типа судов. Результаты исследований представлены не только в виде аппроксимирующих математических зависимостей, данных в графической и табличной форме, но и дополнительно большим количеством разработанных прикладных программ, позволивших значительно расширить и углубить круг исследований.

Новые результаты, полученные в диссертации, включают:

• описание основных аспектов нормативных требований, необходимых к учету при проектировании скоростного судна;

• анализ взаимосвязи проектных характеристик судна и перегрузок, возникающих при его движении;

• граничные условия для проведения процедур оптимизации судна с учетом нормативных требований;

• метод расчета массы корпуса судна на ранних стадиях проектирования;

• анализ влияния требований к прочности на взаимосвязь проектных характеристик судна и массы его корпуса;

• метод совместного расчета составляющих водоизмещения, центра тяжести и общих нагрузок корпуса скоростного судна.

Положения, выносимые на защиту. Основные результаты работы, являющиеся предметом защиты, изложены в выводах и заключениях к соответствующим главам. Это, в первую очередь, проектные рекомендации по снижению действующих на судно перегрузок, по снижению массы корпуса скоростного судна, по повышению эффективности судна в целом, по упорядочению и совершенствованию методологии проектирования судов рассматриваемого типа.

Теоретическое и практическое значение диссертации. Теоретическая часть работы включает в себя разработку и апробацию новых расчетных алгоритмов по исследованию заявленных проблем. Теоретические результаты включают также зависимости, связывающие проектные характеристики судна и целевые функции при оптимизационных расчетах.

Практическая часть содержит рекомендации по рациональному выбору проектных характеристик судна на ранних стадиях проектирования при условии выполнения требований к обеспечению безопасности эксплуатациипо.

16 снижению массы корпуса, по снижению действующих на судно перегрузок. Результаты работы позволяют сократить продолжительность процесса проектирования скоростного судна. Расчетные алгоритмы, разработанные в процессе исследований, реализованы в виде работающих прикладных программ для ЭВМ и могут применяться при проектировании скоростного судна как для самостоятельных расчетов, так и как модули в системах автоматизированного проектирования.

Содержание работы.

Выводы до работе:

1. Скоростные однокорпусные и двухкорпусные суда — наиболее распространенные сегодня классы судов для перевозки пассажиров и грузов с высокими скоростями и предположительно на коротких линиях.

2. Особенности скоростных судов, вызванные конструктивными и эксплуатационными свойствами, требуют применения к ним специальных правил нормирования безопасности, совместно рассматривающих конструктивные и организационные составляющие функционирования высокоскоростного транспорта на море,.

3. Одна из наиболее острых проблем, влияющих на прочность и комфортабельность скоростного судна — высокий уровень ускорений и перегрузок, возникающих при движении судна на волнении, с заданной в ТЗ скоростью. Перегрузки, действующие на скоростные суда, при ходе на спецификационном волнении, могут достигать значений, в несколько раз превышающих величину перегрузок, возникающих у традиционных водоизмещающих судов. Изменением основных проектных параметров судна (главных размерений, скорости хода судна, коэффициента общей полноты, угла килеватости днища судна, угла ходового дифферента) можно добиться существенного снижения величин возникающих вертикальных ускорений скоростного судна.

4. Снижение массы корпуса — перспективный путь повышения эффективности скоростного судна. По статистическим данным, масса корпуса однокорпусного скоростного судна может достигать 50% от полного водоизмещения. Рациональное проектирование корпусных конструкций позволяет снизить массу металлического корпуса на 10.20% по сравнению с массой корпуса, спроектированного без специальных мероприятий по оптимизации конструкций.

5. Повышение предела текучести конструкционного материала приводит к снижению массы корпуса до некоторого «граничного» значения, дальнейшее его увеличение приводит только к увеличению стоимости конструкции. Это «граничное» значение предела текучести зависит от размеров судна и имеет величину 200−250 Мпа для небольших судов (водоизмещением 100.200 т) и может достигать 650−700 Мпа для крупных судов (водоизмещением до 700т).

6. Требуемые Правилами Классификационных Обществ ограничения по минимальным толщинам в некоторых случаях значительно увеличивают массу корпуса, и такой прирост можно снизить за счет выбора оптимальных значений продольной и поперечной шпаций и принятия рациональной марки конструкционного материала. Выбор элементов конструкции не в соответствии с расчетными значениями, а согласно сортаменту в некоторых случаях, особенно для небольших судов, может привести к завышению массы до 10−20%, и эффект такого повышения массы можно ослабить при оптимизационном проектировании конструкции и выборе рациональных значений шпации.

7. Метод построения распределения масс по длине судна, основанный на анализе постатейного распределения масс, когда распределение нагрузки по длине анализируется не для полной массы судна, а по каждой из составляющих, можно считать достаточно точным для ранних стадий проектирования. При расчетах согласно этому методу ошибка не выходит за пределы 15.20%.

8. Расчеты общих нагрузок на корпус судна обычно проводятся только для одного сочетания переменных грузов (как правило, для полного водоизмещения). При анализе общих нагрузок на корпус судна всегда следует рассматривать несколько вариантов нагрузки, с целью выявить наиболее опасные из них. Так, для скоростных боевых катеров, рассматриваемых в работе, были выявлены следующие опасные комбинации переменных грузов:

• Вариант 1. Наибольшее водоизмещение, 100% всех запасов.

• Вариант 2. 100% запасы топлива, масла, воды, 0% боезапаса и 0% дополнительных запасов.

9. Расчет изгибающих моментов и перерезывающих сил по традиционной методике — через коэффициенты km и kq имеет адекватные результаты только при наличии близкого прототипа, т.к. нет четкой зависимости этих коэффициентов от проектных характеристик судна. Коэффициент момента km у рассматриваемых судов может принимать значения 40. 126 (в зависимости от конкретного распределения масс по длине судна). Коэффициент перерезывающих сил находится в диапазоне kq=(3.9). Общие нагрузки судна находятся в жеской зависимости от компоновки судна, особенности которой не учитываются в традиционном методе. ;

10.Увеличение количества теоретических отсеков при анализе распределения нагрузки по длине судна и расчетах общих нагрузок с 20 до 60.80 приводит к значительному увеличению точности расчета, которая от 20−30% при малом количестве шпации может достичь 90−95% при максимально возможном. Добиться такой точности без увеличения трудоемкости расчетов позволяет применение ЭВМ.

5.

Заключение

.