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.
Вебинар: Научно-техническое сопровождение проектирования особо опасных и технически сложных промышленных объектов
Приглашаем на открытый вебинар, посвящённый актуальным вопросам проведения научно-технического сопровождения проектирования (НТС).
Рисунок 1 – Приблизительное соответствие ледовых классов различных классификационных обществ
Постановка задачи
Морское судно (название скрыто из условий конфиденциальности) имело с постройки ледовый класс ICE-10 по классификации DNV. Для работы в полярных водах судовладельцу потребовалось подтвердить соответствие судна ледовому классу PC4. Соответствующий инженерный анализ в части главных механизмов (machinery), должен включать в себя:
- расчет прочности лопасти гребного винта, включая усталостную прочность;
- ряд расчетов и формальных проверок соответствия элементов энергетической установки применимым требованиям.
Поскольку рассматриваемое судно имеет класс DNV, при выполнении расчетов использовались Правила DNVGL-RU-SHIP-Part 6 Chapter 6 Section 6 (далее – Правила DNV). Для расчета прочности лопасти гребного винта Правилами DNV предусмотрены несколько типовых сценариев взаимодействия льда с лопастью, для рассматриваемого судна были выделены следующие расчетные случаи (см. табл. 1)
Таблица 1 – Расчетные случаи
| № | Описание | Нагрузка F, кН | Схема |
| 1 | Равномерное давление на засасывающую часть лопасти на участке от 0,6 R до конца и от входящей кромки лопасти до величины, равной 0,2 длины хорды | Fb |  |
| 2 | Равномерное давление на периферийную часть лопасти выше 0,9R со стороны засасывающей поверхности | 0,5 Fb |  |
| 3 | Равномерное давление на нагнетающую поверхность лопасти на участке от 0,6 R до конца лопасти и от передней кромки лопасти до величины, равной 0,2 длины хорды | Ff |  |
| 4 | Равномерное давление на периферийную часть лопасти выше 0,9 R со стороны нагнетающей поверхности | 0,5 Ff |  |
| 5 | Равномерное давление на нагнетающую поверхность лопасти на участке от 0,6 R до конца и от задней кромки лопасти до величины, равной 0,2 длины хорды | Fb |
|
Численные значения нагрузок Fb и Ff определялись по формулам Правил DNV:
3D-модель лопасти (рис. 2) была построена по данным теоретического чертежа лопасти.
Рисунок 2 – Фрагмент теоретического чертежа лопасти (слева) и КЭ модель (справа)
Неотъемлемым этапом расчета МКЭ для геометрически сложных объектов является оценка качества сетки, которая выполнялась с помощью анализа сеточной сходимости и контроля правильности формы элементов. Качество элементов сетки представлено на рис. 3
Рисунок 3 – Качество элементов сетки
Расчет статической прочности лопасти винта
При выполнении анализа были рассмотрены 5 расчетных сценариев, приведенных в табл. 1; на рис. 4 показаны граничные условия и результаты расчета по сценарию 5. В качестве граничных условий использовалась жесткая заделка нижней поверхности модели. Нагрузка прикладывалась с помощью нормальной к поверхности силы, равномерно распределенной по поверхности.
Рисунок 4 – Граничные условия (слева) и результаты расчета (Эквивалентные напряжения по Мизесу, МПа) (справа)
Расчет выполнялся в упругой постановке в соответствии с требованиями Правил DNV, оценивались эквивалентные напряжения по Мизесу, возникающие в лопасти при действии расчетных нагрузок. Допускаемые напряжения рассчитаны в соответствии с п. 12.2.1 Правил DNV по следующим формулам (выбирается меньшее значение):
где σдоп, σт,ср.– характеристики материала лопасти винта, S – коэффициент запаса по напряжениям, равный 1,5.
В табл. 2 приведены результаты расчетов статической прочности лопасти для всех расчетных случаев.
Таблица 2 – Сводная таблица результатов расчета
| № | Максимальные эквивалентные напряжения по Мизесу, МПа | σдоп,МПа |
| 1 | 316 | 353 |
| 2 | 24 | 353 |
| 3 | 42 | 353 |
| 4 | 115 | 353 |
| 5 | 328 | 353 |
Расчет усталостной прочности лопасти винта
Для расчета усталостной прочности вычисляется размах и максимальная амплитуда напряжений, которая составила
По полученным значениям напряжений строится распределение Вейбулла и гистограмма нагружения согласно п. 4.1.2 приложения А правил DNVGL-CG-0041. Общее количество циклов для рассматриваемого винта и класса PC4 равно 4,11×107. S-N кривая построена в соответствии с п. 12.3.2 Правил DNV. На рис. 5 представлено распределение напряжений и S-N кривая.
Рисунок 5 – Распределение напряжений и S-N кривая
Расчет усталостной прочности произведен согласно правилу Майнера и в соответствии с требованием п. 12.1.1 Правил DNV. Общая поврежденность за срок эксплуатации рассчитана по формуле
откуда следует, что усталостная прочность обеспечена.
Анализ энергетической установки
В рамках анализа соответствия элементов энергетической установки судна требованиям Правил DNV для полярного класса РС4 в работе были выполнены:
- расчет болтов крепления лопасти винта, направляющих штифтов, ступицы вала;
- расчет соединения винта и вала;
- расчет диаметра вала;
- оценка соответствия подшипников и уплотнительных элементов;
- оценка параметров рулевой системы;
- расчет минимальной мощности главных двигателей;
- анализ обеспечения защиты от замерзания и обледенения вспомогательных систем, включая кингстонные ящики и отверстия для забора воды,
подтвердившие возможность присвоения судну полярного класса РС4.
Результаты
Произведен анализ напряженно-деформированного состояния лопасти винта для пяти расчетных случаев согласно правил DNV. Максимальные эквивалентные напряжения составили 328 МПа, что ниже допускаемых напряжений 353 МПа. Прочность обеспечена.
Произведена оценка усталостной прочности лопасти винта по правилу Майнера. Усталостная прочность обеспечена.
Анализ элементов энергетической установки судна подтвердил соответствие требованиям Правил DNV для полярного класса PC4.
Работа была рассмотрена DNV с положительным заключением.
