Определение расчетных волновых нагрузок при проектировании конструкций корпуса судна тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.03, кандидат технических наук Доан Ким Тхай

• Доан Ким Тхай
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Доан Ким Тхай

ВВЕДЕНИЕ.

1 ОЦЕНКА ВОЛНОВЫХ НАГРУЗОК НА ОСНОВЕ НОРМАТИВНЫХ ДОКУМЕНТОВ КЛАССИФИКАЦИОННЫХ УЧРЕЖДЕНИЙ.

1.1 Общие замечания.

1.2 Обобщенные формулы для линейных волновых нагрузок.

1.3 Нормирование нагрузок, обусловленных днищевым и бортовым слемингом.

1.4 Анализ результатов расчета по нормативным документам и по Нормам прочности.

2 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДЛЯ МЕТОДОВ ПРЯМОГО РАСЧЕТА ВОЛНОВЫХ НАГРУЗОК НА НЕРЕГУЛЯРНОМ ВОЛНЕНИИ.

2.1 Общие положения. Современное состояние проблемы определения волновых нагрузок па нерегулярном волнении прямым расчетом

2.2 Основные положения математической модели определения линейных волновых нагрузок на нерегулярном волнении с использованием спектральной теории.

2.3 Краткое описание математической модели поведения корпуса на нерегулярном волнении па основе имитационного моделирования

2.4 Общая постановка задачи прогнозирования волновых нагрузок на регулярном волнении.

3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОЛНОВЫХ НАГРУЗОК НА РЕГУЛЯРНОМ ВОЛНЕНИИ. ПОЛУЧЕНИЕ АЧХ ВОЛНОВЫХ ПЕРЕРЕЗЫВАЮЩИХ СИЛ И ИЗГИБАЮЩИХ МОМЕНТОВ.

3.1 Предлагаемая математическая модель оценки линейных волновых нагрузок, действующих па корпус судна на регулярном волнении.

3.1.1 Общие замечания.

3.1.2 Основные зависимости для получения амплитудно-частотных характеристик вертикальной волновой перерезывающей силы и вертикального волнового изгибающего момента в сечениях корпуса.

3.2 Определение нелинейных нагрузок, обусловленных слемингом и заливанием палубы на регулярном волнении.

3.2.1 Общие замечания.

3.2.2 Определение гидродинамической силы сопротивления погружению непрямостенных сечений корпуса судна в жидкость на основе уравнения Лагранжа.

3.2.3 Нагрузки при заливании палубы. ^

3.3 Определение дополнительных динамических перемещений при слеминге и заливаемости.

3.4 Динамические изгибающие моменты в сечениях корпуса судна на регулярном волнении, обусловленные воздействием иагрузки при слеминге и заливании палубы.

3.5 Приближенный метод линеаризации для прогнозирования изгибающих моментов, обусловленных слемипгом и заливаемостью на нерегулярном волнении на основе спектрального подхода. | ^

4 ОПИСАНИЕ АЛГОРИТМА ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТОВ.

4.1 Алгоритм математической модели метода прямого прогнозирования величин волновых нагрузок. Краткое описание программного комплекса, реализующего расчет.

4.2 Результаты расчета качки и волновых нагрузок в линейной постановке

4.3 Анализ результатов расчета динамических изгибающих моментов в сечениях корпуса при слеминге и заливаемости, а также суммарных изгибающих моментов.

4.4 Сопоставительный анализ результатов прямых расчетов с нормативными документами Классификационных обществ и Нормами прочности.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Определение расчетных волновых нагрузок при проектировании конструкций корпуса судна»

Анализ тенденций развития мирового морского транспортного судостроения позволяет выделить ряд общих положений, важных по их влиянию па процесс проектирования и обеспечения прочности судового корпуса.

Это в первую очередь продолжающийся непрерывный количественный рост по общему водоизмещению, дедвейту, суммарному объему перевозок, числу судов, их номенклатуре. Увеличилась напряженность использования транспортных судов за счет сокращения времени вспомогательных операций, повышения скорости хода, увеличения продолжительности межремонтных периодов. Суда относительно больший срок плавают в суровых погодных условиях. В настоящее время складываются, а далее еще более будут развиваться стабильные грузопотоки. Судно теперь часто выступает как элемент общей системы грузовых перевозок.

В связи с этим необходима узкая специализация судов и приспособление к ней архитектурного облика судов. Таким образом, изменение характера использования судов ведет к изменению и развитию общего конструктивно-архитектурного облика судов, и характера его эксплуатации.

Многообразие узкоспециализированных функций приводит к многообразию конструктивно-архитектурных типов и, как следствие, определяет возможное разнообразие конструктивных решений для конструкций корпуса. Возрастающие требования к эффективности производства усиливают необходимость более детального технического и экономического анализа вариаций принимаемых проектных решений по корпусу.

В связи со сказанным, с одной стороны, уменьшается возможность прямой экстраполяции опыта эксплуатации на вновь строящиеся суда. Требуется уточнение, а в ряде случаев разработка и создание методологических основ для обоснованного обобщения такого опыта и переноса его на современные условия.

С другой стороны, повышение требований к эффективности использования судов и, следовательно, к эффективности принимаемых конструктивных решений, в частности, по судовым конструкциям приводит к необходимости более глубокого изучения физики явлений, возникающих при эксплуатации судов.

Снижение аварийности транспортных судов в условиях морского волнения помимо развития средств навигационного обеспечения мореплавания обусловлено также совершенствованием методов расчета и проектирования корпусов судов.

Современные условия рыночной экономики, темпы развития производственных технологий также выдвигают перед создателями новых судов дополнительные требования конкурентоспособности их продукции.

В связи с этим, в последние годы интенсивно развивается процесс автоматизированного проектирования корпуса и, в частности, его конструкций [15], [23], [59], [60].

Современная теория проектирования судов не мыслима без применения электронно-вычислительной техники. Вычислительные средства, обеспечивающие реализацию теории и методов проектирования, в настоящее время объединяются в специализированные системы, получившие название систем автоматизированного проектирования (САПР). САПР начали разрабатываться практически одновременно с появлением и освоением первых высокопроизводительных ЭВМ. Первоначально, в качестве основной цели создания САПР рассматривалось снижение трудоемкости конструкторского труда.

Дальнейшее развитие автоматизированные системы проектирования получили в результате придания им интеллектуальных возможностей. Целью создания этого типа САПР явилось получение новых научных результатов проектного характера, поэтому они часто называются исследовательскими системами [1], [17], [23], [18], [62], [64].

Проблемы автоматизации проектно-конструкторских работ и дальнейшие исследования в области судостроения являются актуальной задачей для республики Вьетнам.

Одной из сложных и трудоемких проблем при проектировании, которая требует высокой квалификации проектанта, является параметрическое проектирование прочных элементов судовых конструкций, то есть определение размеров конструктивных элементов корпуса, обеспечивающих общую и местную прочность конструкций корпуса судна. Трудоемким является также процесс проверочных расчетов прочности, в частности, общей прочности корпуса.

В течение уже примерно 20 лет на кафедре конструкции судов Санкт-Петербургского Государственного Морского Технического Университета ведется комплекс исследований и практических разработок по созданию Системы автоматизированного параметрического проектирования связей корпуса транспортных судов (САППР) [16],[59],[60].

Важнейшей задачей при параметрическом проектировании является обеспечение общей и местной прочности конструкций корпуса судна. Поэтому обязательной составной частью САППР является блок определения внешних расчетных нагрузок, обеспечивающих предельную прочность и усталостную долговечность конструкций в течение заданного срока эксплуатации судов. Особенно важны внешние нагрузки, обусловленные воздействием на корпус морского волнения.

При плавании на взволнованной поверхности моря на корпус судна действуют статические и гидродинамические силы, вызывающие качку судна и связанные с ней силы инерции. Кроме этого в условиях интенсивного штормового волнения на корпус судна действуют дополнительные нагрузки от слеминга и заливания палубы, которые имеют динамический характер воздействия на корпус в целом. Можно отметить также нагрузку, связанную с волновой вибрацией (периодическим изменением давления воды с частотой, близкой к частоте упругих колебаний корпуса первого топа), возникающую при достаточно коротких волнах.

Традиционно результат взаимодействия судна и среды представляется в виде суммы двух составляющих - усилий на тихой воде и дополнительных усилий на волнении. Нагрузка на тихой воде зависит только от загрузки судна и обводов корпуса и управляема человеком.

Вторая же составляющая определяется в большей степени климатическими условиями акваторий, в которых эксплуатируются суда, что предопределяет случайный характер изменения ее параметров.

Методы оценки статической составляющей достаточно просты и хорошо отработаны. Определение усилий на тихой воде в каждом конкретном случае в настоящее время не встречает принципиальных затруднений.

Степень разработанности ряда вопросов, касающихся методов оценки нагрузки, связанной с воздействием волнения, до настоящего времени еще недостаточна для исчерпывающего решения проблемы внешних усилий.

Данная работа посвящена рассмотрению вопросов, связанных с решением этой проблемы на современном уровне в рамках САППР.

Для корпусов транспортных судов блок прогнозирования внешних сил является, как уже отмечено, составной частью общей САППР. Этот блок, в первую очередь, должен содержать программные модули, реализующие определение расчетных значений нагрузок на тихой воде и волновых нагрузок в соответствии с требованиями действующих нормативных документов. Для транспортных судов нормативными документами являются, в частности, Правила классификации и постройки морских судов Морского Регистра Судоходства России, а также нормативные документы других классификационных учреждений - классификационных обществ, входящих в Международную ассоциацию МАКО.

Однако для судов, имеющих характеристики, выходящие за интервалы, определенные нормативными документами, для проверочных расчетов, а также в исследовательских целях для прогнозирования возможных величин нагрузок используются специальные методики, основанные на непосредственном (прямом) решении задачи о поведении корпуса судна на нерегулярном морском волнеиии, которое описывается той или иной математической моделью этого процесса [28], [61].

Кроме того, в связи с ужесточением требований к условиям эксплуатации судна, связанным с ростом скорости перевозок, сокращением длительности по-грузо-разгрузочных операций, выявилось, что правила расчета не всегда обеспечивают в полном объеме проведение анализа поведения конкретной конструкции корпуса судна в условиях воздействия на нее реального нерегулярного волнения. Во многих случаях необходимо более точно учитывать и количественно определять зависимость поведения конкретного судна на волнении от параметров судна и окружающей его среды.

За последние 50 лет разработаны аналитические теории о волновых нагрузках, действующих на корпус морских судов, позволяющие более точно моделировать поведение корпуса судна на реальном морском волнении [28], [7]. Поэтому результаты, получаемые по аналитическим теориям о поведении и волновой нагрузке корпуса судна на волнения, имеют значение не только при параметрическом проектировании размеров элементов конструкций корпуса, но и при оценке других эксплуатационных характеристик корпусов судов:

- оптимальных скоростей и курсовых углов хода судна на волнении;

- оптимальных условий погрузки;

- систем крепления грузов;

- динамической остойчивости;

- эффективности силовых установок на волнении;

- устойчивости на курсе и маневренности судна.

Таким образом, кроме эмпирического метода определения волновых нагрузок по обобщенным формулам нормативных документов для определения волновых воздействий в настоящее время используется непосредственное (прямое) решение соответствующей гидродинамической задачи о внешних волновых нагрузках и непосредственное моделирование поведения корпуса судна в различных условиях эксплуатации на нерегулярном волнении.

Такой подход принято называть методом прямого расчета волновых нагрузок (direct calculation).

Разработка таких методов необходима, как для возможности дальнейшего совершенствования требований нормативных документов Классификационных учреждений, так и для прямого использования при проектировании и проверке прочности корпусов судов, для исследовательского проектирования, особенно корпусов судов новых типов, конструкции которых не охвачены действующими документами.

В настоящее время практически все классификационные общества имеют программное обеспечение для определения величин расчетных волновых нагрузок, в котором используются результаты гидродинамических и теоретико-вероятностных расчетов.

Алгоритмы соответствующих программных комплексов осуществляют в той или иной постановке непосредственное решение задачи о качке и величине волновых нагрузок, действующих на корпус судна в различных условиях эксплуатации на нерегулярном морском волнении, о величине расчетных нагрузок заданной обеспеченности.

В состав блока прогнозирования волновых воздействий на корпус в САППР должно быть включено такое программное обеспечение, реализующее метод прямого расчета (прямой метод расчета).

Уточнение способов расчета эксплуатационных нагрузок, действующих на корпусные конструкции в условиях волнении, использование методов прямого расчета в значительной мере определяет перспективы совершенствования конструкций корпусов судов.

Эти методы характеризуются двумя основными чертами: во-первых, учитывается вероятностная природа (случайность и нерегулярность) процессов изменения морского волнения и порождаемых им внешних сил; во-вторых, взаимодействие корпуса судна с водой рассматривается как сложное гидродинамическое явление.

Методы прямого расчета поведения корпуса на волнении и оценки волновых нагрузок базируются на двух проблемах различной сложности:

1) Определение вида зависимостей гидродинамических давлений или погонных нагрузок от параметров волн и кинематических параметров качки судна и, в общем случае, упругих перемещений корпуса, то есть решение гидродинамической задачи для жесткого или упругого корпуса (здесь возможна линейная и нелинейная постановки задачи);

2) Определение параметров качки и упругих перемещений корпуса.

Первая проблема включает задачи, решение которых даже для абсолютно жесткого корпуса представляет значительные трудности. Вторая сводится к решению системы обыкновенных дифференциальных уравнений.

При изучении силовых воздействий волнения на корпус судна, его традиционно принято считать полой коробчатой балкой переменного по длине поперечного сечения, непроницаемой снаружи и свободно плавающей на воде. При этом внешние волновые воздействия должны быть представлены в виде таких интегральных характеристик от волновых гидродинамических и гидростатических давлений, как волновые перерезывающие силы, изгибающие и крутящие моменты в сечениях корпуса.

Для расчета изгибных напряжений в сечениях корпуса от общего изгиба и решения задачи обеспечения его общей прочности достаточно знать величины изгибающего момента в сечениях корпуса. Изгибающий момент является интегральной нагрузкой от гидродинамических и гидростатических давлений по контуру сечений корпуса и по длине корпуса. Изгибающий момент в данном сечении линейно связан с изгибными напряжениями от общего изгиба корпуса, поэтому он может рассматриваться в качестве реакции корпуса, определяющей его общую прочность.

Отметим, что в данной работе основное внимание уделено задаче оценки вертикального изгибающего момента в сечениях корпуса, определяющего общую прочность корпуса в диаметральной плоскости на нерегулярном морском волнении. При этом рассмотрено прогнозирование величин так называемого волнового изгибающего момента, определяемого в линейной постановке в предположении прямостенпости бортов корпуса, неограниченности его осадки и высоты борта, и так называемого дополнительного динамического изгибающего момента, обусловленного бортовым, днищевым слемингом и заливанием палубы, а также суммарного изгибающего момента, как суммы этих двух моментов.

С 60-х годов прошлого века, в океанографии были разработаны способы описания нерегулярного волнения как случайного процесса, и его статистические характеристики начали интенсивно накапливать и систематизировать. Вместе с этим стали существенно меняться методы расчета на прочность корпуса судна [19], [22], [26], [36], [49].

Судно стало рассматриваться как динамическая система, на которую действует входной случайный процесс - морское нерегулярное волнение, в связи с чем, реакции корпуса на волнение будут представлять собой тоже случайные процессы. Для случайного процесса любой реакции корпуса при известном законе распределения амплитуд волнения можно установить связь между значением реакции и вероятностью ее появления или превышения.

Появилась возможность определять величины случайных процессов волновых нагрузок, характеризующих воздействие нерегулярного морского волнения на конструкции судового корпуса, с любой заданной степенью риска их превышения при фиксированной интенсивности волнения, соответствующей конкретному участку моря и конкретному времени. Получаемый кратковременный прогноз относится только к одной интенсивности волнения на конкретной акватории в определенное время. Законы математической статистики позволяют устанавливать и долговременные прогнозы, относящиеся ко всему сроку службы судна, если известно, какую часть этого срока судно находится на том или ином участке моря при той или иной интенсивности волнения. Это дополнительно требует знания повторяемости морского волнения на различных участках моря в различные периоды года.

Введение возможности оценки расчетных величин внешних нагрузок на основе методов прямого моделирования поведения корпуса па волнении в САППР является первым шагом к анализу прочности корпуса по абсолютным значениям нагрузок.

Методы прямого расчета позволяют еще на стадии проектирования определять комбинации периода волнения, скорости хода, курсового угла, приводящие к наибольшим нагрузкам для различных вариантов загрузки данного судна и для различных судов.

Методы прямого расчета и прогнозирования величин внешних волновых нагрузок, в частности изгибающих моментов, на нерегулярном волнении с учетом динамических воздействий при слеминге и заливаемости могут быть основаны на одном из двух подходов.

Первый, традиционный и более развитый в настоящее время, подход состоит в раздельном рассмотрении проблемы определения параметров качки судна и волновых низкочастотных воздействий, в частности, так называемых, волновых изгибающих моментов на основе линейной теории волн и линейной гидродинамической теории качки, и дальнейшей оценке нелинейных нагрузок, связанных с явлениями слемипга и заливания палубы, по известным из линейной задачи кинематическим параметрам движения судна на волнении. Учет слеминга и заливания палубы соответствует учету геометрической нелинейности при оценке волновых воздействий. Отметим, что другие виды нелинейности, в частности, нелинейная теория волн, в работе не рассматриваются.

Таким образом, суммарную нагрузку, действующую на корпус судна на волнении, условно разделяют на две составляющие - волновую, линейно связанную с высотой волны и качкой судна, обуславливающую относительно медленный изгиб корпуса на волнении и дополнительную динамическую (ударную) нагрузку, нелинейно зависящую от высоты волны и перемещений корпуса, обуславливающую дополнительные динамические перемещения корпуса судна.

В итоге общая задача определения внешних сил, действующих на корпус судна на волнении, разделяется на две задачи: первая задача - вычисление волновых давлений и, так называемых, квазистатических волновых изгибающих моментов на основе теории линейной продольной качки в предположении прямо-стенности корпуса, неограниченности осадки и высоты борта; а вторая - нахождение дополнительных динамических давлений и дополнительных динамических изгибающих моментов, вызванных слемингом и заливаемостыо палубы.

Для расчета волновых воздействий в линейной постановке на нерегулярном волнении в этом подходе используется хорошо разработанный аппарат корреляционного варианта спектральной теории. Решение ведется в частотной области с использованием частотного спектра волнения и амплитудно-частотных характеристик реакций корпуса (АЧХ) [7], [27], [28], [75], [76], [77].

Второй подход предполагает решение задачи о поведении корпуса на нерегулярном волнении с учетом слеминга и заливаемости на базе имитационной стохастической модели. Такой подход позволяет отказаться от традиционного условного разделения нагрузок на линейно зависящие от высоты волны и нелинейно зависящие от этого параметра. Решение ведется во временной области с использованием прямой характеристики волнения - его реализации во времени [28], [24], [77], [56]. Этот подход находится в стадии развития и его использование для целей настоящей работы пока не представляется возможным.

Задача определения волновых нагрузок в линейной постановке на базе АЧХ исследована в настоящее время достаточно хорошо. По-видимому, можно считать законченным определенный этап развития этого прямого метода оценки волновых нагрузок при рассмотрении задачи в частотной области. Выполнен подробный анализ спектров волнения, произведена их унификация. Разработаны достаточно надежные математические модели для расчета АЧХ, то есть реакций корпуса на регулярное волнение, хорошо согласующиеся с экспериментальными данными. Накоплен обширный материал по повторяемости волнения и обеспеченности высот волн и периодов [12], [19], [20], [35].

Однако есть место для дальнейшего развития и уточнения факторов, влияющих на результаты такого подхода оценки волновых нагрузок. Это связано с учетом нагрузок, вызываемых такими нелинейно-зависящими от высоты волны явлениями как слеминг (днищевой и бортовой) и накат волны на палубу, которым подвержены суда на интенсивном волнении.

Задача расчета и прогнозирования величин этих нестационарных нелинейных нагрузок, имеющих динамический характер воздействия на корпус, для нерегулярного волнения не имеет законченного решения, поскольку спектральная теория разработана для линейных систем. Особенно значительные сложности возникают при суммировании волновых линейных и дополнительных динамических изгибающих моментов в сечениях корпуса.

Сказанное определяет актуальность данной работы, которая посвящена исследованиям и разработкам ряда вопросов, связанных с оценкой внешних волновых нагрузок с учетом слеминга и заливаемости применительно к задаче их прогнозирования методом прямого расчета в рамках САПГТР на базе спектрального подхода.

Работа является развитием и обобщением исследований, посвященных проблеме автоматизации процесса параметрического проектирования судовых конструкций морских транспортных судов, выполняющихся па кафедре Конструкции судов Санкт-Петербургского Государственного Морского Технического Университета. Из этой сложной и комплексной проблемы рассмотрена часть вопросов, в решении которых принял участие автор.

Целью работы является совершенствование методики расчетного прогнозирования величин волновых нагрузок на нерегулярном волнении с учетом явлений днищевого, бортового слеминга и заливания палубы для использования в рамках САППР при исследовательском проектировании, при выполнении проверочных расчетов, при определении безопасных условий плавания по различным параметрам с помощью бортового компьютера.

В работе выбрана обоснованная, надежная, удобная для программирования и пригодная для практического применения при проектировании корпусных конструкций математическая модель учета влияния нагрузок от слеминга, дополненная учетом заливаемости палубы.

Сформулирован метод, позволяющий последовательно решить необходимые задачи. Метод основан на применении спектральной теории при рассмотрении нерегулярного волнения и обеспечивает единый подход при прогнозировании величин линейных и нелинейных изгибающих моментов. Для чего использован разработанный на кафедре Конструкции судов СПбГМТУ и опробованный в работе [63], [14] оригинальный приближенный подход для получения спектральной плотности и стандартов нагрузок с учетом слеминга. Метод базируется на непосредственной линеаризации нелинейных по высоте волны амплитудно-частотных характеристик реакций корпуса, в частности, изгибающих моментов, определенных для регулярного волнения.

В связи с этим задача определения дополнительных нагрузок при слеминге и заливании палубы решается сначала во временной области для регулярного волнения, затем после линеаризации осуществляется переход к нерегулярному волнению с использованием спектрального преобразования.

Разработанный аппарат предназначен для углубленного расчетного анализа волновых нагрузок, действующих на корпус судна с заданными характеристиками формы и распределением весовой нагрузки при днищевом, бортовом слеминге и заливаемости палубы. Предусмотрена оценка влияния слеминга и заливаемости на величины максимальных расчетных нагрузок - перерезывающих сил, изгибающих моментов на нерегулярном волнении. Рассмотрен также ряд других реакций корпуса.

Предлагаемая математическая модель реализована в виде программного комплекса, с помощью которого выполняется расчет от автоматизированного задания исходных данных по судну и условиям его движения до получения конечного результата: краткосрочных и долговременных распределений ряда реакций корпуса с учетом нагрузок при слеминге и заливаемости.

Для достижения поставленной цели выполнен ряд частных исследований. Центральное место здесь занимает сопоставительный анализ требований нормативных документов классификационных учреждений, решение задачи об учете заливания палубы в общей проблеме учета нестационарных нелинейных воздействий волнения на корпус при бортовом слеминге в носовой части корпуса и в кормовой части и дальнейшее развитие и апробация использования спектрального подхода для оценки нагрузок на нерегулярном волнении с учетом нелинейных составляющих.

Основным содержанием работы является рассмотрение следующих вопросов:

1) Выявление требований по определению волновых нагрузок, определяющих общую прочность судовых конструкций, в нормативных документах различных классификационных учреждений;

2) Оценка этих требований для ряда транспортных судов различных типов;

3) Сравнительный анализ результатов, полученных по требованиям различных классификационных обществ, входящих в МАКО;

4) Развитие математической модели для учета влияния наката волны на верхнюю палубу на поведение судна и величины волновых воздействий на нерегулярном волнении;

5) Обоснование математической модели, модернизация и тестирование программного обеспечения для прогнозирования линейных и нелинейных волновых нагрузок (при слеминге и заливаемости палубы) на нерегулярном волнении методом прямого расчета при едином подходе на основе корреляционного варианта спектральной теории волнения;

6) Расчет стандартов, краткосрочных и долговременных распределений линейных волновых, нелинейных динамических и суммарных с учетом фазы действия изгибающих моментов в сечениях по длине корпуса, а также ряда других процессов, характеризующих и обуславливающих прочность и мореходность корпусов судов на волнении для судов разных типов. Оценка величии искомых процессов с заданной вероятностью превышения (с заданной обеспеченностью);

7) Анализ зависимостей рассмотренных процессов от параметров волнения, характера движения судов и индивидуальных особенностей корпусов;

8) Сопоставительный анализ результатов расчета, полученных с использованием программного комплекса и по требованиям нормативных документов.

Работа состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка литературы.

В первой главе рассмотрены, обобщены и сопоставлены требования нормативных документов различных классификационных учреждений, входящих в Международную Ассоциацию Классификационных Обществ (МАКО) к определению расчетных внешних волновых нагрузок для транспортных судов и выполнен сопоставительный анализ результатов расчетов по рассмотренным нормативным документам.

Рассмотрены рекомендации, содержащиеся в нормативных документах следующих классификационных учреждений: Американского Бюро Судоходства 2000 (АБС.00) и 2007 (АБС.07), Английского Ллойда 2000 (АЛ.00), Российского Морского Регистра Судоходства 2003 (РМРС.03), Германского Ллойда 1998 (ГЛ.98), 2000 (ГЛ.00) и 2007 (ГЛ.07), Норвежского Бюро Веритас 2000 (НБВ.00), а также в Нормах прочности морских судов Регистра СССР 1991 (НП.91), Нормах прочности морских судов Российского Регистра 2002 (НП.02).

Рассмотрены следующие волновые нагрузки: волновые в линейной постановке, динамические, обусловленные днищевым и/или бортовым слемипгом, суммарные перерезывающая сила и изгибающий момент в различных сечениях по длине корпуса. Анализ выполнен для четырех транспортных судов разных типов: контейнеровоза, судна типа Ро/Ро, навалочника и танкера, при двух состояниях загрузки - в грузу и в балласте.

Вторая глава посвящена рассмотрению статистико-вероятностных подходов к прогнозированию величин волновых нагрузок на нерегулярном волнении. Обсуждено современное состояние проблемы определения нагрузок на нерегулярном волнении методами прямого расчета.

Рассмотрена постановка задачи, принятая в работе. Дано подробное описание математической модели вероятностной оценки волновых нагрузок на нерегулярном волнении на базе использования корреляционного варианта спектральной теории случайных процессов, которая лежит в основе предлагаемого в работе прямого метода прогнозирования величин изгибающих моментов в сечениях корпуса.

Рассмотрен возможный вариант метода прямого исследования поведения корпуса судна на нерегулярном волнении на основе имитационного моделирования.

В третьей главе рассмотрены вопросы, связанные с прогнозированием линейных и нелинейных нагрузок, обусловленных такими явлениями на интенсивном штормовом волнении, как днищевой слемииг, бортовой слеминг, накат воды па палубу на регулярном волнении. Подробно рассмотрена задача оценки линейных нагрузок на регулярном волнении и построения АЧХ волновых нагрузок, как составная часть общей проблемы.

Получены зависимости для расчета гидродинамических нагрузок при сле-минге с использованием энергетического подхода, а также приближенное решение для задачи заливаемости палубы на регулярном волнении.

Производится учет явления заливаемости палубы, которое сопровождает во многих случаях бортовой слеминг, при оценке дополнительных динамических перемещений корпуса, перерезывающих сил и изгибающих моментов в сечениях корпуса.

Рассмотрен метод линеаризации нелинейных по высоте волны амплитудных характеристик для возможности перехода к оценке перерезывающих сил, изгибающих моментов и других реакций корпуса на нерегулярном волнении на основе спектрального подхода.

В четвертой главе дается общее описание алгоритмов модернизированного с участием автора программного комплекса, реализующего предложенный метод расчета линейных и нелинейных нагрузок (при слеминге и заливаемости палубы) на нерегулярном волнении, приведен анализ результатов расчета величин изгибающих моментов, полученных с использованием разработанного программного комплекса и сопоставление этих результатов с результатами, рассчитанными по нормативным документам. Впервые в российской практике рассмотрен вопрос о бортовом слеминге в кормовой части судна.

В заключении сформулированы основные результаты исследований, представленных в диссертации.

Заключение диссертации по теме «Проектирование и конструкция судов», Доан Ким Тхай

Основные результаты диссертации могут быть сформулированы следующим образом:

1) Выполнен анализ требований по определению волновых нагрузок, определяющих общую прочность судовых конструкций, в нормативных документах ряда классификационных учреждений, входящих в МАКО. Оценены эти требования для четырех современных проектов транспортных судов различных типов и размеров. Дан сравнительный анализ расчетных волновых нагрузок;

2) Предложена математическая модель для оценки линейных волновых и нелинейных динамических нагрузок при слеминге и заливании палубы на нерегулярном волнении. Сформулирован метод прямого расчетного прогнозирования величин волнового, динамического при слеминге и заливании палубы, а также суммарного изгибающих моментов в сечениях корпуса на нерегулярном волнении с учетом корреляционной связи двух моментов. Метод позволяет оценивать также ряд других реакций корпуса;

3) Разработаны алгоритмы и создан при участии автора прикладной программный комплекс, который обеспечивает возможность последовательного расчета процессов слеминга и заливания палубы, и оценки их влияния па величину изгибающего момента в сечениях корпуса на регулярном и нерегулярном волнении. Рассчитываются стандарты и краткосрочные распределения реакций корпуса для заданных стационарных режимов нерегулярного волнения, а также их долговременные распределения и величины заданной обеспеченности;

4) Выполнены численные эксперименты для 4-х судов, на основании которых:

- исследованы закономерности изменения линейного волнового, дополнительного динамического и суммарного изгибающих моментов в сечениях корпуса при изменении параметров движения судна и параметров регулярного и нерегулярного волнения;

- исследовано влияние упругости корпуса на величины динамического и суммарного изгибающего момента в сечениях корпуса на регулярном и нерегулярном волнении;

- исследовано влияние носового и кормового слеминга, а также сопровождающей слемипг заливаемости на величины динамического и суммарного изгибающих моментов на регулярном и нерегулярном волнении;

- приведено сопоставление результатов расчета прогибающего и перегибающего изгибающих моментов по прямому методу и по Правилам классификационных учреждений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Доан Ким Тхай, 2007 год

1. Александров B.JL, Матлах А.П., Нечаев Ю.И., Поляков В.И., Ростовцев Д.М. Интеллектуальные системы в морских исследованиях и технологиях. - СПб.: ГМТУ, 2001.

2. Бельгова М.А. Изгибающие моменты для судов внутреннего плавания на волнении.-Л.: Судостроение, 1966.

3. Березницкий A.B., Постнов В.А. Численная оценка влияния различных факторов на гидродинамические силы при днищевом слеминге. Труды конференции по СМК, посвященной памяти акад. Ю.А. Шиманского. СПб.: 2001.

4. Бойцов Г.В., Кноринг С.Д. Прочность и работоспособность корпусных конструкций. Л.: Судостроение, 1972, 264 с.

5. Бойцов ГВ., Кудрин М.А. Оценка влияния слеминга на усталостную прочность продольных связей корпуса. Труды конференции по СМК, посвященной памяти акад. Ю.А. Шиманского. СПб.: 1999.

6. Бойцов ТВ., Кудрин М.А. Оценка влияния динамической составляющей внешних нагрузок на усталостную долговечность корпуса. Труды конференции по СМК, посвященной памяти проф. П.Ф. Папковича. СПб.: 2000.

7. Бойцов ГВ., Палий О.М. Прочность и конструкция корпуса судов новых типов. -Л: Судостроение, 1979,360 с.

8. Болотин В.В. Статистические методы в строительной механике. М.: Изд-во литературы по строительству, 1965.

9. Болотин В.В. Применение методов теории вероятностей и теории надежности в расчетах сооружений. -М.: Изд-во литературы по строительству, 1971.

10. Ю.Бородай И.К., Нецветаев Ю.А. Качка судов на морском волнении. Л.: Судостроение, 432с.

11. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: 1962. 564 с.

12. Ветер и волны в океанах и морях. Справочные данные. Под ред. И.Н. Давидана, Л.И. Лопатухина, В.А. Рожкова. Л.: Транспорт, 1974, 359 с.

13. Галахова З.И., Рабинович О.Н., Ростовцев Д.М. Учет заливаемости палубы понтонов в задаче оценки внешних волновых нагрузок, действующих на корпус ППБУ. Труды ЛКИ. Прочность и надежность судовых конструкций, 1982, с.20-27.

14. М.Галахова З.И. Внешние силы, действующие на полупогружные платформы в режиме перегона на волнении. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Л.: 1984.

15. Гайкович А.И. Проблемы разработки САПР кораблей и судов нового поколения. Сборник Материалы конференции Моринтех-95. СПб.: 1995.

16. Гарин Э.Н., Ю.А. Смирнов, Тряскин В.Н. Методология параметрического проектирования в специализированных САПР судовых конструкций. СПб.: Труды конференции МОРИНТЕХ 1997, т.4, с. 270-273.

17. Губкин С.А. Особенности развития теории исследовательского проектирования кораблей и его автоматизации иа современном этапе. Сборник Материалы конференции Моринтех-95,-СПб.: 1995.

18. Губкин С.А. Особенности информационного обеспечения систем автоматизированного исследовательского проектирования. Программные продукты и системы, 1993, №4.

19. Давидан И.Н., Лопатухин Л.И., Рожков В.А. Ветровое волнение как вероятностный гидродинамический процесс. Л.: Гидрометеоиздат, 1978, 287 с

20. Давидан И.Н., Лопатухин, Рожков В.А. Ветровое волнение в Мировом океане. -Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 256 с.

21. Екимов В.В. Вероятностные методы в строительной механике корабля. Л.: Судостроение, 1966.

22. Захаров И.Г. Теория компромиссных решений при проектировании корабля. -Л.: Судостроение, 1987.

23. Картузова Т.А., Ростовцев Д.М., Рабинович О.Н. Оценка волновых и вибрационных моментов, действующих на корпус судна в условиях нерегулярного волнения. Труды ЛКИ. Строительная механика и прочность судовых конструкций, 1981, вып. 160, с.41-48.-Л.: 1981.

24. Козляков В.В., Курдюмов A.A. Прочность корабля. Учебное пособие, ЛКИ, 1966, 100с.

25. Короткин Я.И. Вопросы прочности морских транспортных судов. Л.: Судостроение, 1965, 388с.

26. Короткин Я.И., Ростовцев Д.М., Сивере Н.Л. Прочность корабля. Л.: Судостроение, 1974, 432 с.

27. Короткин Я.И., Рабинович О.Н., Ростовцев Д.М. Волновые нагрузки корпуса судна. Л.: Судостроение, 1987, 235 с.

28. Крыжевич Г.Б. Учет пространственности обтекания носовой оконечности судна при оценке динамических нагрузок на корпус. Труды конференции по СМК, посвященной памяти проф. П.Ф. Папковича, с. 36-37. СПб.: 2002.

29. Кудрин М.А. Анализ влияния формы носовой оконечности судна на величину динамического изгибающего момента. СПб.: ВНТО им.акад. А.Н.Крылова, 1993, вып.529, с.34-48.

30. Курдюмов A.A. Вибрация корабля. -JI.: Судпромгиз,. 1961.

31. Курдюмов A.A. Прочность корабля. -JL: Судпромгиз, 1956, 384с.

32. Курдюмов A.A. Применение статистического метода в строительной механике корабля.-Л.: Изд-во ЛКИ, 1962.

33. Лопатухин Л.И. Анализ распределений элементов волн. Труды ВНИИГМ и МЦД, 1974, вып. 1, с. 116-142.

34. Максимаджи А.И. Прочность морских транспортных судов. Л.: Судостроение, 1976,311 с.

35. Матлах А.П., Нечаев Ю.И., Поляков В.И. Концепция создания морских тренажерных систем новых поколений. В сб. Материалы конференции Моринтех-2003.-СПб.: 2003.

36. Нормы прочности морских судов Регистра СССР 1991.

37. Сборник нормативно-методических материалов. Российский морской регистр судоходства 2002.

38. Осипов O.A. Изгибающие моменты, действующие на корпус судна при ударе волн в развал бортов. Тезисы докладов на Всесоюзной НТК «Проблемы прочности и надежности конструкций перспективных транспортных судов и плавучих сооружений».-Л.: 1979.

39. Пашин В.М. Оптимизация судов. Л.: Судостроение, 1983.

40. Повицкий A.C. Посадка гидросамолетов. Труды ЦАГИ, 1939, вып.423.

41. Повреждения судовых конструкций. Н.В. Барабанов, Н.А.Иванов, В.В.Новиков и др. Л.: Судостроение, 1977.

42. Повреждения и пути совершенствования судовых конструкций/ Н.В .Барабанов, И.А.Иванов, В.В.Новиков и др. Л.: Судостроение, 1989.

43. Постнов В.А., Калинин В.О., Ростовцев Д.М. Вибрация корабля. Л.: Судостроение, 1983, 248 с.

44. Постнов В.А., Тарануха H.A., Чижиумов С.Д. Проектирование формы носовой оконечности судна с учетом нагрузок при слеминге. СПб.: Судостроение 2001, №5.

45. Правила классификации и постройки морских судов. Российский Морской Регистр судоходства 1995.

46. Правила классификации и постройки морских судов. Российский Морской Регистр судоходства 2003.

47. Путов Н.Е. Проектирование конструкций корпуса морских судов часть II. Л.: Судостроение, 1977.

48. Рабинович О.Н., Ростовцев Д.М. Гидродинамические нагрузки в носовой части, возникающие от днищевого слеминга на регулярном волнении. Механика и прочность судовых конструкций. Л.: Труды ЛКИ, 1980, С.75-82.

49. Рабинович О.Н., Смирнов Ю.А., Тряскин В.Н. Прогнозирование волновых нагрузок на корпуса судна с учетом слеминга на нерегулярном волнении. Труды ЦНИИ им. академика А.Н.Крылова, вып. 23(307), СПб. 2005, с. 79-92.

50. Ремез Ю.В. Качка корабля. Л.: Судостроение, 1983, 328с.

51. Родионов A.A. Математические модели автоматизированного проектирования корпуса. В сб. Материалы конференции Моринтех-95. -СПб.: 1995.

52. Ростовцев Д.М. Гидроупругие колебания судовых конструкций. Учебное пособие.-Л.: ЛКИ, 1977.

53. Суслов В.П. Об экстремальных волновых нагрузках, действующих на корпуса судов на морском волнении. Труды НКИ, 1978. Вып. 136. С. 15-22.

54. Суслов В.П., Сердюченко А.Н. Динамическая структура морского волнения и вопросы оценки экстремальных волновых нагрузок на корпуса судов. Труды НКИ, вып. 136, 1978.

55. Справочник по строительной механике корабля, т.З, раздел V. Л.: Судпромгиз, 1960.

56. Хаскинд М.Д. Гидродинамическая теория качки корабля. -М.: Наука, 1973.328с.

57. Худяков JI.IO. Исследовательское проектирование кораблей. JL: Судостроение, 1980.

58. Хо Куанг Туан. Прогнозирование ударных волновых нагрузок на конструкции корпуса судна. Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук. СПб.: 2004,28с.

59. Четвертаков М.М. Технология математического моделирования при автоматизированном исследовательском проектировании корабля. Сборник Материалов конференции Моринтех-95.-СПб.: 1995.

60. Чувиковский Г.С. Условия безударного плавания судна на волнении. Журнал «Судостроение» № 6, 1965.

61. Чувиковский Г.С. Динамический изгиб корпуса при ударе о встречные волны. Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, вып.245, 1968.

62. Шиманский Ю.А. Динамический расчет судовых конструкций. Д.: Судпром-гиз, 1948.

63. American Bureau of Shipping. Rules for Building and Classing Steel Vessels 2000, 2007.

64. Lloyd's Register of Shipping. Rules and Regulation for the Classification of Ships 2000.

65. Germanischer Lloyd. Rules for Classification and Construction Ship Technology 1998.

66. Germanischer Lloyd. Rules for Classification and Construction Ship Technology 2000, 2007.

67. Det Norske Veritas. Rules for Classification of Ships 2000.

68. IACS. Common Structural Rules for Bulk Carriers 2006.

69. IACS. Common Structural Rules for Double Hull Oil Tankers 2006.

70. ISSC. Proceedings of the 14th international ship and offshore structures congress 2000.

71. ISSC. Proceedings of the 15th international ship and offshore structures congress 2003.

72. Ship Structures Symposium '93. 1993 Arlington, Virginia.

73. Adegeest, L., Braathen, A. and Vada, T. (1998). "Evaluation of Methods for Estimation of Extreme Nonlinear Ship Reponses Based on Numerical Simulations an Model Tests", Proc. 22nd Symp. on Naval Hydrodynamics, Washington, D.C., pp. 70-84.

74. Beck, R.F. and Reed, A.M. (2001). "Modern Computational Methods for Ships in a Seaway", SNAME Transaction, 109, pp. 1-51.

75. Liut, D.A., Weems, K.W. and Lin, W.M. (2002). "Nonlinear Green Water Effects on Ship Motions and Structural Load", Proc. 24th Symp. on Naval Hydrodynamics, Fu-kuoka, Japan.