Блог

Численное моделирование безопасной буксировки судна на этапе проектирования морского порта

Задачи на расчет дрейфа судна (снос судна с линии курса под совместным действием ветра и вызванного им волнения), его курсовой устойчивости и ходкости являются чрезвычайно актуальными. Особенно важно провести расчеты при движении судов с большим водоизмещением, например, контейнеровозов и балкеров, по фарватерам и узким каналам, где возможен выход на мель. Подобные задачи зачастую возникают при проектировании портов и перегрузочных терминалов.

Современные средства компьютерного моделирования позволяют эффективно рассчитать дрейф судна, вычислить необходимую поправку к курсу, определить максимальные волновые и ветровые режимы, при которых разрешен проход по фарватеру или каналу.

Рисунок 1 – Движение судна в фарватере

Для решения задач динамики судна на волнении применяется программное обеспечение (ПО) Ansys AQWA. ПО используется для CFD-анализа морских и речных судов, плавучих и полупогружных нефтепромысловых платформ, SPAR-платформ и стационарных морских сооружений при моделировании различных процессов движения (для судов), установки и удержания (для платформ), а также других морских операций в открытом море и портах. 

Алгоритм расчета представлен на рисунке 2:

Рисунок 2 – Алгоритм расчета

Инженерами АО «ЦИФРА» решена задача динамики универсального сухогрузного судна при движении на фарватере длиной, равной 15 длин судна, и шириной B = 500 м под действием ветровых и волновых нагрузок. Габаритная длина судна – 135 м, дедвейт – 18 000 т, вместимость – 1000 TEU. Скорость судна – 4 узла (2 м/с). Глубина фарватера – 17,8 м. Скорость течения – 0,19 м/с. Высота волны 30-процентной обеспеченности (SWH) – 1,5 м, что соответствует 4 баллам. Нерегулярное волнение задавалось с помощью спектра Пирсона-Московица с параметрами Hs = 1,5, Тz = 7 с (Zero Crossing Period). Скорость ветра – 15 м/с. Для расчета использовался наиболее неблагоприятный расчетный случай: волна и ветер в борт. Расчетная схема представлена на рисунке 3. Подобные задачи могут быть рассмотрены в рамках проектов создания транспортно-перегрузочного комплексов в морских портах. 

Рисунок 3 – Расчетная схема

 

Рисунок 4 – Спектр Московица

КЭ-модель

Для расчета использовалась оболочечная модель обшивки корпуса. Для подготовки геометрии модели использовалось ПО Ansys SpaceClaim. Для решения задачи необходимо задать геометрические характеристики судна, а именно положение центра тяжести, моменты инерции. По главным размерениям судна и высоте центра тяжести по приближенным формулам, применяемыми при проектировании судов [2, 3], были вычислены радиусы инерции.

Размер конечно-элементной сетки выбран согласно параметрам волнения и определяется максимальной частотой волнения.

Рисунок 5 – КЭ-модель судна

Расчет производился в 3 этапа. 

На первом этапе произведен расчет обтекания судна как твердого тела, расчет базовых характеристик остойчивости и плавучести, вычислены главные базовые критерии остойчивости судна (уточнен центр тяжести, вычислена метацентрическая высота, центр величины).

Рисунок 6 – Обтекание судна

На втором этапе под действием заданных ветровых и волновых нагрузок, а также течения произведен расчет устойчивости судна (поиск устойчивого положения). 

На третьем этапе выполнен расчет качки и дрейфа судна, получены зависимости перемещений и углов поворота от времени.

Рисунок 7 – Волновая поверхность

Рисунок 8 – Поперечный дрейф судна

Рисунок 9 – Скорость поперечного дрейфа

Рисунок 10 – Бортовая качка судна

Рисунок 11 – Рыскание судна

РЕЗУЛЬТАТЫ

В результате расчета определено изменение угла курса и дрейф судна при прохождении по фарватеру длиной 2000 м со скоростью 4 узла (2 м/с). Поперечное смещение судна на нерегулярном волнении составило 28 м, что не превышает ширину фарватера. Угол дрейфа варьируется от 0 до 14 градусов.

 

Список литературы:

  1. Ansys Help
  2. Справочник по теории корабля. Том 2. Статика судов. Качка судов. / Под ред. Я.И. Войткунского. - Л.: Судостроение, 1985. – 440 с
  3. Благовещенский С.Н., Холодилин А.Н. Справочник по статике и динамике корабля. Том 2. – Л.: Судостроение, 1975

 

Связанные новости
Сотрудники АО «ЦИФРА» приняли участие в расширенном заседании НТК АО «Газпром диагностика» по теме «Использование моделирования на основе метода конечных элементов (МКЭ) при проведении экспертизы промышленной безопасности линейной части магистральных газопроводов и шлейфов компрессорных станций».

18 июля Экспертный совет по аттестации программных средств при Ростехнадзоре принял решение включить АО «ЦИФРА» в перечень организаций-пользователей SCAD Office. Лицензия SCAD Office № 18587 и решение Ростехнадзора размещены в разделе Программное обеспечение.

Связанные публикации в блоге
В ракетно-космической отрасли наибольшее распространение получили двигатели на жидком и твёрдом ракетном топливе. Среди преимуществ твердотопливных ракетных двигателей можно отметить как длительный срок хранения топлива, так и относительную простоту конструкции и дешевизну самих двигателей, что обуславливает их широкое применение в этой отрасли. Одним из важнейших процессов в камере сгорания ракетного двигателя является процесс горения твёрдого топлива, так как он определяет газоприход в двигателе и, следовательно, его секундный массовый расход и развиваемую тягу.
Основной эксплуатационной характеристикой судна, определяющей возможности работы судна в ледовых условиях, является его ледовый класс. В прошлом каждое классификационное общество имело свою уникальную систему классификации судов ледового плавания, и, как следствие – свои нормативные требования к таким судам, однако в начале 2000-х годов Международной ассоциацией классификационных обществ (МАКО) была проведена работа по унификации этих требований, результатом которой стало введение двух систем классификации судов ледового плавания: системы балтийских ледовых классов (для плавания в Балтийском море и схожих по ледовым условиям морях) и системы полярных классов (для плавания в полярных водах), при этом требования каждого классификационного общества-члена МАКО остались в силе. Со вступлением в силу в 2017 году Международного кодекса для судов, эксплуатирующихся в полярных водах (Полярного кодекса) особенно актуальным стал вопрос присвоения судну полярного класса. Несмотря на то, что МАКО была определена приблизительная эквивалентность ледовых классов различных систем классификации (см. рис. 1), на практике для получения полярного класса необходимо подтверждение соответствия судна требованиям IACS UR I – requirements concerning Polar Class. Эти требования разделяются на корпус и механические установки. Рассмотрим пример выполнения анализа соответствия механических установок судна полярному классу.
Связанные вебинары
В рамках Договора о научно-техническом сотрудничестве между АО «ЦНИИМФ» и АО «ЦИФРА» на данном вебинаре заведующий отделом конструктивной надежности и защиты судов от коррозии АО «ЦНИИМФ» Алексей Петров расскажет об имеющемся опыте и перспективах использования компьютерного моделирования для решения различных задач, связанных с ремонтом или модернизацией судов в эксплуатации.

Закажите расчет

Команде профессионалов
Изменить файл
Поля, отмеченные звездочкой (*) обязательны для заполнения.