Совершенствование метода расчета нагрузок, определяющих прочность скоростного катамарана, и анализ влияния на них основных конструктивных факторов судна

В1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ СКОРОСТНЫХ КАТАМАРАНОВ И ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ В ИХ ПРОЕКТИРОВАНИИ.

Согласно публикациям ежегодника «Строители скоростных паромов» около 90% известных в мире фирм-строителей скоростных паромов занимаются (или занимались в недавнее время) производством катамаранов. В качестве скоростных паромов создаются также однокорпусные суда (основной конкурент катамаранов [2, 9, 108]), суда на подводных крыльях и суда с малой площадью ватерлинии, однако скоростные катамараны (СК) все же являются доминирующим типом судов для рассматриваемой области морской техники [9, 92, 111].

Число стран, имеющих большие флоты морских скоростных судов, растёт. Ведущей десяткой стран являются Италия, Гонконг, Япония, Норвегия, Греция, Австралия, Англия, США, Южная Корея и Греция. Из упомянутых стран большинство сами активно строят скоростные суда (кроме Гонконга и Греции). По объему строительства скоростных судов в последнее десятилетие ведущими являются такие страны как Австралия, Норвегия, Сингапур, Япония, Италия, Англия, США, Россия. Появление в этих перечнях стран Сингапура, Гонконга, Южной Кореи и Греции нельзя признать случайным, поскольку непосредственно связано с их географическим положением и необходимостью обеспечения коммуникаций в их прибрежных зонах и между островами. В этом заключается сходство транспортных интересов отмеченных стран и Вьетнама. В последние годы наметилась также ориентация на пополнение скоростных флотов Малайзии, Филиппин и Индонезии. С учетом отмеченных обстоятельств необходимо отметить, что создание своего скоростного флота для Вьетнама является важной задачей, а строительство таких судов во Вьетнаме имеет перспективы, диктуемые не только внутренними потребностями, но и благоприятным климатом на рынках стран юго-восточной Азии.

В общей структуре скоростных флотов преобладают пассажирские и пассажи рско-автомобильиые паромы с катамаранными компоновочными решениями. При этом за последнее десятилетие прошлого века средняя пас-сажировместимость возросла (со 180 до 270 мест) в связи с интенсивным ростом общего пассажиропотока (в два с половиной раза). В региональных перевозках скоростной флот успешно конкурирует с авиацией. В то же время для «победы» на трансокеанских линиях скоростному флоту, работающему преимущественно в области круизов, необходимо пополняться судами с высоким уровнем комфорта [9]. Обеспечить же такой уровень для скоростных судов чрезвычайно сложно.

В части применения оригинальных технических решений при создании скоростных катамаранов преуспели фирмы Италии, Японии, Австралии и Норвегии. Некоторые наиболее характерные в архитектурном отношении новые схемы компоновок построенных современных скоростных судов показаны на рис. В1-В7,.

Рис. В1. Пример использования схемы волнопронзающего СК при создании современной мореходной скоростной яхты.

OUTBOARD PROFILE.

Рис. В.2. Боковой вид и продольный разрез трансокеанского скоростного автомобильно-пассажирского лайнера австралийской постройки «Catlink V» .

Рис. В.З. СК «Pacificai 1000» североамериканской постройки, являющийся одним из самых крупных построенных быстроходных паромов. profile.

Hi m main deck.

Рис. В.4. Французский паром-катамаран «Jade express» с традиционной архитектурной компоновкой.

Рис. В.5. Схема архитектурной компоновки катамарана «Iris 6.1.

OUTBOARD PROFILE.

INBOARD PROFILE.

ROOF PLAN ROOF PLAN.

TIER г PLAN ЗЯв PASSENGERS.

Рис. В.6 Скоростной автомобильно-пассажирский катамаран «Afai 08» со скоростью 50 узлов, построенный в Китае по австралийскому проекту.

Рис. В.7. Боковой вид, план пассажирской палубы и фотография скоростного морского пассажирского катамарана пр. 23 107 «Сокол»,.

Необходимо отметить, что корпуса СК имеют повышенное удлинение, относительно малую осадку и ширину ватерлинии и, тем самым, несколько отличаются от корпусов обычных катамаранов. Называя эти корпуса боковыми, остальные основные силовые конструкции скоростного катамарана можно достаточно условно определить как «центральный корпус». Он выполняет функции основного объёма для размещения полезной нагрузки и является мощной конструкцией, соединяющей между собой боковые корпуса катамарана. Кроме того, своеобразие некоторых СК состоит и в том, что выдвинутый вперёд заострённый нос центрального корпуса при движении на волнении способствует повышению мореходности [9], [92], [111].

Прогресс скоростных катамаранов воплотил в себе множество достижений современной корабельной архитектуры, гидродинамики, энергетики, электроники и автоматики. Достижением в области разработки мореходных быстроходных судов является создание волнопронзающих СК (wave-piercing catamaran). Наиболее характерными представителями скоростных «волнопронзающих» или «волнорассекающих» катамаранов являются объекты, разработанные австралийскими инженерами [9]. К этому типу судов относятся проекты «Spirit of Victoria», «Catalonia» фирмы «Incat Australia», AMD 1000 фирмы «Кавасаки», английский катамаран «Кондор» и др. Экспериментально доказано, что благодаря особой форме носовых оконечностей корпусов и соединительного моста достигается некоторое снижение интенсивности качки этих судов в скоростных режимах движения, а внешние силовые воздействия на конструкции меньше по сравнению с наблюдаемыми при традиционных проектных решениях для катамаранов. До сих пор в технической литературе отсутствует аргументированный анализ причин появления таких положительных качеств у волнопронзающих СК. Корпуса этих катамаранов имеют высокие значения удлинения и весьма плавные образования их в подводной части, так называемые «slender ships body». Австралийское воплощение волнопронзающего катамарана включает, как правило, и использование в носовой части моста объёмной наделки для снижения ударных гидродинамических нагрузок при слеминге [136]. Подобная наделка ранее применялась на обычных (тихоходных) пассажирских катамаранах норвежской постройки, обладавших относительно невысокими мореходными качествами, в связи с чем необходимость установки наделки в носовой части соединительного моста ставилась под сомнение. Однако для скоростных катамаранов такое решение оказалось все же эффективным.

Для стабилизации качки и повышения мореходности на катамаранах иногда используются крыльевые устройства [74, 75, 114, 117, 121, 133]. Однако этот способ улучшения мореходных качеств имеет свои недостатки (необходимость в периодической замене крыльев из-за коррозии, ударных и усталостных повреждений подводных крыльев в процессе эксплуатации) и поэтому не является простым и совершенным решением. С ростом водоизмещения увеличивается относительная масса крыльевого устройства и, начиная с водоизме-щений порядка 700 т, использование подобного стабилизатора становится проблематичным, поскольку величина этой массы может достигать большую (50% от величин водоизмещения и более) [43].

В процессе создания СК наметилась тенденция к росту водоизмещения и дальности плавания [2], большие скоростные суда активно эксплуатируются и проектируются. Наибольшие из построенных судов такого типа достигают водоизмещения 4,5 тысячи тонн и могут взять па борт 1000 пассажиров и более, а также колёсную технику, включая примерно 300 легковых автомобилей с десятком транспортных автофургонов. К подобным СК относится объект, изображенный на рис. В.2.

В2. ОБОСНОВАНИЕ АКТУАЛЬНОСТИ ТЕМЫ ДИССЕРТАЦИИ.

Как отмечалось ранее, в судостроении республики Вьетнам в последние годы наблюдается повышенный интерес к многокорпусным судам морских условий плавания, среди них особый интерес вызывают скоростные катамараны, позволяющие быстро и в широком диапазоне погодных условий осуществлять коммерческие перевозки пассажиров и грузов как в прибрежной и межостровной зонах, так и на дальних морских акваториях.

Движение на развивающемся морском волнении известных в настоящее время типов скоростных катамаранов сопровождается быстрым ростом возмущающих сил, вызывающих качку и вибрацию, а также увеличением вероятности ударов соединительного моста о волны с ростом интенсивности волнения.

53, 54, 56]. При большой интенсивности волнения и обычных скоростях хода амплитудные значения сил, вызванных такими ударами, имеют порядок водоизмещения судна, а ускорения достигают значений, близких к ускорению свободного падения (в центре тяжести судна) или даже троекратно превышающих его (в носовой оконечности). Для решения проблем прочности конструкций и рационального проектирования таких судов необходимо иметь точную информацию о внешних силах, действующих на конструкции корпусов и соединительного моста, и о характере влияния конструктивных параметров СК на эти силы. Наличие такой информации в процессе проектирования судна трудно переоценить, поскольку ее можно использовать для рационального конструирования корпуса, обеспечения его прочности и надежности, снижения силовых воздействий на конструкции создаваемого судна в условиях волнения. Снижение внешних нагрузок позволяет уменьшить материалоемкость СК, повысить мореходность и улучшить экономическую эффективность судна. Задача снижения внешних силовых воздействий непосредственно связана с такими актуальными проблемами как снижение качки катамарана, уменьшение его общей вибрации, вызванной ударами моста о волны. Их эффективное решение может быть найдено посредством снижения возмущающих сил и увеличения гидродинамических сил сопротивления качке и вибрации катамарана за счет рационального выбора геометрической формы и конструктивных параметров судна [64−66]. Обоснованные рекомендации по такому выбору могут обеспечить высокую комфортабельность судов (умерение качки и вибрации), а также снижение внешних нагрузок, определяющих прочность конструкций и их материалоемкость, разработка таких рекомендаций — одна из основных задач данной работы.

Оценки экстремальных значений нагрузок могут быть выполнены с использованием нормативно-технических документов ведущих классификационных обществ. Однако изложенные в них методики приближенной оценки внешних сил обладают недостатком, связанным с неполным учетом в расчетных схемах особенностей конструкции судна [87]. Это обстоятельство существенно снижает точность расчетных оценок, ведет к проектированию судна в условиях неполноты информации о внешних воздействиях и вызывает необходимость окончательной оценки нагрузок лишь на стадии сдаточных испытаний судна. Такая уточненная оценка обычно производится путем проведения тензометри-рования конструкций, а также измерения ускорений и гидродинамических давлений. На основе полученных при испытаниях экспериментальных данных уточняются условия эксплуатации СК и обеспечивается его эксплуатационная безопасность.

ВЗ. ЦЕЛЬ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ И ЕЕ ЗАДАЧИ.

Оценки экстремальных значений нагрузок могут быть выполнены с использованием нормативно-технических документов ведущих классификационных обществ. Однако изложенные в них методики приближенной оценки внешних сил обладают недостатком, связанным с отсутствием полноценного учета в расчетных схемах особенностей конструкции судна. Это обстоятельство существенно снижает точность расчетных оценок, ведет к проектированию судна в условиях неполноты информации о внешних воздействиях и вызывает необходимость окончательной оценки нагрузок лишь на стадии сдаточных испытаний судна. Такая уточненная оценка обычно производится путем проведения тен-зометрирования конструкций, а также измерения ускорений и гидродинамических давлений. На основе полученных при испытаниях экспериментальных данных уточняются условия эксплуатации СК и обеспечивается его эксплуатационная безопасность.

Наиболее подробный учет влияния конструктивных параметров и эксплуатационных факторов на величины внешних сил осуществляется на стадии проектирования с помощью методики, содержащейся в требованиях к конструкции и прочности скоростных катамаранов Российского морского регистра судоходства [87], разработанных на основе исследований [56], выполненных более 15 лет тому назад. Вместе с тем за время, истекшее после разработки методики, появились принципиально новые варианты архитектурного оформления СК (например, использование своеобразных геометрических форм носовой части соединительного моста). Кроме того, наблюдался значительный прогресс в развитии теоретических основ расчета качки и общей вибрации скоростных судов [60, 62, 64, 111]. Отмеченные обстоятельства обусловили необходимость совершенствования методики оценки внешних сил с целью значительного повышения точности расчета. Такое повышение достигается за счет более полного учета в расчетной схеме:

— конструктивных факторов судна (например, установки наделок в виде клинообразной конструкции в носовой оконечности соединительного моста, изменения вертикального клиренса по длине судна, относительной ширины корпусов, протяженности соединительного моста по длине судна),.

— гидродинамического демпфирования продольной качки и общей вибрации судна (на основе работ [62, 64, 66]),.

— нелинейной зависимости между амплитудами волн и пиковыми значениями нагрузок, определяющих общую прочность судна, (на базе подхода, изложенного в работе [58]).

Целью диссертационной работы являются совершенствование метода расчета внешних сил, определяющих прочность скоростного катамарана, анализ влияния на эти силы основных конструктивных факторов судна и разработка рекомендаций по эффективному снижению внешних воздействий на корпусные конструкции и материалоёмкости корпуса, повышению комфортабельности и экономической эффективности скоростных катамаранов.

Анализ практики проектирования СК показывает, что на выбор толщин элементов судовых конструкций и размеры балок набора заметное влияние оказывают лишь такие параметры внешних нагрузок, как ускорения в центре тяжести судна и в носовой оконечности, изгибающие моменты, действующие в поперечных сечениях СК, и слеминговые нагрузки на корпуса и соединительный мост. В связи с этим обстоятельством упомянутым параметрам в настоящей работе уделяется особое внимание.

Для достижения поставленной цели требуется решение следующих задач:

1. Разработка алгоритма расчета внешних сил, определяющих общую прочность скоростного катамарана,.

2. Разработка программы расчета внешних сил, определяющих общую прочность скоростного катамарана,.

3. Анализ влияния конструктивных параметров на интегральные характеристики внешних нагрузок,.

4. Разработка упрощенного способа расчета внешних нагрузок,.

5. Разработка рекомендаций по рациональному проектированию скоростных катамаранов, направленному на снижение внешних нагрузок,.

6. Оценка достоверности полученных теоретических результатов путем сопоставления расчетных и экспериментальных данных.

Расчет нагрузок, определяющих общую прочность СК, выполнялся с помощью компьютера на основе алгоритма, включавшего расчет продольной качки и нагрузок, нелинейно связанных с процессом волнения, ускорений точек судна, а также динамического изгиба скоростного катамарана при ударном взаимодействии соединительного моста с волнами на основе способа, описанного в работе [63]. На основе результатов систематических расчетов построена ап-проксимационная зависимость наибольших ускорений в центре тяжести судна от эксплуатационных и конструктивных факторов СК, а также уточнены зависимости, связывающие нагрузки, определяющие общую прочность судна, и наибольшие ускорения в центре тяжести судна. С помощью полученных таким образом зависимостей разработан инженерный способ упрощенной оценки внешних сил, не требующий больших затрат времени и высокой квалификации расчетчика. Сопоставление результатов расчетов по этому способу с более точными численными исследованиями на основе расчетов на компьютере качки и динамического взаимодействия конструкций с волнами показало приемлемость его использования в практике проектирования СК [66].

В4. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ.

На основе разработанных алгоритмов и проделанных систематических расчетов качки и общей вибрации, вызванной ударным взаимодействием соединительного мости и корпусов СК с волнами, а также внешних нагрузок получены следующие результаты:

1. Разработана усовершенствованная методика оценки внешних сил, определяющих общую прочность СК.

2. Установлен характер влияния эксплуатационных и конструктивных факторов СК на внешние силы. Полученные расчетные данные позволяют проектанту за счет относительно небольших изменений формы или соотношений размеров судна заметно повлиять на качку судна, на величины внешних нагрузок и материалоемкость судна и, в конечном итоге, на показатели его экономической эффективности.

3. Выявлено, что при интенсивной качке СК существуют в условиях взаимодействия плоских участков соединительного моста с волной неблагоприятные режимы дестабилизации килевой качки и общей вибрации, приводящие к увеличению качки, вибрации судна и интегральных характеристик внешних нагрузок, определяющих общую прочность. Установлены факторы, варьирование которых уменьшает дестабилизацию колебаний вплоть до полного ее исчезновения и появления стабильных колебаний [64]- интегральные характеристики внешних сил при этом снижаются.

4. Установлено, что специальные конструктивные меры (уменьшение вертикального клиренса в кормовой оконечности, установка клинообразных наделок на носовой части соединительного моста, уменьшение протяженности по длине судна соединительного моста и др.) позволяют существенно влиять на гидродинамическое демпфирование колебаний СК, эффективно снижать внешние воздействия на корпусные конструкции и повышать комфортабельность этих судов. Разработаны рекомендации по снижению внешних нагрузок, основанные на использовании таких мер.

По теме диссертационнного исследования имеется 5 публикаций (в журнале «Морской Вестник» [66], в сборниках докладов четвертой международной конференции «Военно-морской флот и судостроение в современных условиях» [63] и 22-ой международной конференции «Математическое моделирование в механике деформируемых тел и конструкций. Методы граничных и конечных элементов» [64], в сборнике тезисов докладов научно-технической конференции по строительной механике корабля, посвященной памяти профессора П. Ф. Папковича [65, 98].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В представленной работе решены важные вопросы совершенствования способов расчета внешних сил, определяющих прочность скоростных катамаранов. На основе полученных теоретических результатов и научных выводов в диссертации предложено решение имеющей большое народно-хозяйственное значение научной проблемы, включающей:

— разработку метода расчета внешних сил, определяющих прочность СК, с учетом факторов ранее не принимавшихся во внимание (переменности вертикального клиренса катамарана по длине судна, наличия клинообразных наделок на носовой части соединительного моста, протяженности по длине катамарана соединительного моста и др.),.

— анализ влияния на внешние силы основных конструктивных факторов судна;

— разработку рекомендаций по рациональному проектированию скоростных катамаранов, направленному на снижение качки, общей вибрации и внешних нагрузок, определяющих прочность конструкций.

В процессе работы получены два важных для практики проектирования СК научных вывода.

1. Выявлено, что при слеминге носовой оконечности соединительного моста СК с традиционными проектными решениями в условиях интенсивной качки возникают неблагоприятные режимы дестабилизации килевой качки и общей вибрации, приводящие к увеличению качки, вибрации судна и интегральных характеристик внешних нагрузок, определяющих общую прочность. Установлены факторы, варьирование которых уменьшает дестабилизацию колебаний вплоть до полного их исчезновения и появления стабильных колебаний, а также снижает внешние силы, определяющие прочность катамарана.

2. Установлено, что специальные конструктивные меры (уменьшение вертикального клиренса в кормовой оконечности, установка клинообразных наделок на носовой части соединительного моста, уменьшение протяженности по длине судна соединительного моста и др.) позволяют существенно влиять на гидродинамическое демпфирование колебаний СК (на качку и общую вибрацию), эффективно снижать внешние воздействия на корпусные конструкции и повышать комфортабельность этих судов.

На основе теоретических разработок и полученных научных выводов, проделанных систематических расчетов качки и общей вибрации, вызванной ударным взаимодействием соединительного мости и корпусов СК с волнами, а также расчетных внешних нагрузок получены следующие теоретические и прикладные результаты:

• разработаны методы расчета гидродинамических сил сопротивления общей вибрации СК с учетом хода судна, формирования кильватерного следа и сил вязкостной природы в пограничном слое, переменности смоченной поверхности корпуса при качке судна на волнении и брызгообразования при погружении отдельных частей корпуса во взволнованную жидкость;

• разработан метод расчета общего динамического изгиба скоростных катамаранов при ударах соединительного моста о волны с учетом явления гидродинамического демпфирования колебаний;

• разработаны алгоритм и специализированная программа определения расчет-пых нагрузок, определяющих прочность СК;

• выполнен анализ влияния эксплуатационных факторов и конструктивных параметров СК на расчетные значения интегральных характеристик внешних сил, определяющих общую прочность катамаранов, и местных нагрузокполученные расчетные данные позволяют проектанту за счет относительно небольших изменений формы или соотношений размеров судна заметно повлиять на качку СК, на величины внешних нагрузок и материалоемкость судна и, в конечном итоге, на показатели его экономической эффективности;

• разработан упрощенный способ определения расчетных значений внешних сил, определяющих прочность СК;

• установлено, что специальные конструктивные меры (уменьшение вертикального клиренса в кормовой оконечности, установка клинообразных наделок на носовой части соединительного моста, уменьшение протяженности по длине судна соединительного моста и др.) позволяют существенно влиять на гидродинамическое демпфирование колебаний СК, эффективно снижать внешние воздействия на корпусные конструкции и повышать комфортабельность этих судовразработаны рекомендации по рациональному проектированию СК, направленные на снижение внешних нагрузок.

Показано, что независимо от вида движения судна (его ход или погружение конструкций в воду при качке) на гидроупругие колебания всегда оказывают существенное влияние демпфирующие гидродинамические силы. Разработанные методы учета гидродинамического демпфирования при качке и вибрации СК, позволяющие существенно повысить точность вычислений и обеспечивать достоверность расчетных оценок. Расчеты показывают, что гидродинамическое сопротивление вибрационным колебаниям многократно превышает внутреннее сопротивление судна, в связи с чем без учета гидродинамического демпфирования невозможно получение достоверных оценок. Ошибки вычислений могут превышать расчетные оценки в несколько раз.

На основе выполненных автором исследований разработан упрощенный практический метод расчета внешних сил, использованный в практике проектирования СК. Результаты работы включены в содержание курсов, читаемых для студентов и аспирантов Санкт-Петербургского государственного морского технического университета на кафедрах строительной механики корабля и конструкции судов.