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