Судостроение является важной отраслью мировой промышленности и экономики, отвечающей за производство и ремонт судов и прочих изделий морской техники. При этом численный анализ становится всё более важным инструментом в судостроении, поскольку помогает снизить издержки при проектировании судов, а также повысить прочность и надежность при строительстве и эксплуатации.

Области применения численного анализа

Численные расчёты эффективно применяются для целей судостроения на различных этапах производства:

1. На начальных этапах проектирования физико-математическое моделирование помогает оптимизировать форму конструкции судна быстрее и дешевле, чем при проведении натурных экспериментов.
2. Численное моделирование может использоваться совместно с физическим для исследования нестандартных конструкций.
3. Классическое преимущество виртуального эксперимента перед физическим — возможность извлекать любые локальные и интегральные характеристики объектов, а также наблюдать нестационарные характеристики, не зависимо от того, насколько труднодоступными являются интересующие данные в рамках натурных испытаний.

Моделирование физических процессов находит применение в судостроении для морских судов всевозможных форм и габаритов, а также для платформ – как стационарных, так и плавучих. Так можно выделить множество сценариев, которые могут быть реализованы при помощи численного моделирования, например: 

• движение и буксировка грузового или пассажирского судна в открытом море;
• расчёт остойчивости судна;
• дрейф плавучей платформы с натяжными опорами;
• процесс швартовки судна под действием волновых нагрузок.

Также результаты расчётов могут быть применены для последующего анализа прочности стационарной нефтяной платформы под действием волновых и ветровых нагрузок;

Особенности численного моделирования плавучих конструкций

Можно отметить, что описанные выше сценарии отличаются от классического CFD-анализа, обычно заключающегося в определении распределения полей скорости и давления сплошной среды в замкнутом объёме. Отличия, а с ними и сложности подобных расчётов обусловлены следующими причинами:

1. объектом интереса является сплошное механическое тело/несколько тел, способных совершать движение в шести степенях свободы;
2. тела не расположены в однородной среде: нижняя часть находится в воде, верхняя – в воздухе;
3. внешняя нагрузка обусловлена как течением и ветром, так и волнами различных конфигураций;
4. как правило, требуется получить результаты для широкого диапазона всевозможных нагрузок, имеющих место при эксплуатации судна/платформы;
5. нередко CFD-расчёт сопряжён с расчётом механических нагрузок: либо в двустороннем виде, когда движение корабля/платформы связано с натяжением тросов; либо в одностороннем, когда результаты CFD-расчёта являются начальными данными для дальнейшего прочностного расчёта.

По вышеперечисленным причинам расчёты в классических программных пакетах CFD-моделирования (Fluent, CFX и т.д.) могут быть крайне ресурсозатратными и длительными по времени.

Для решения задач в рамках судостроения, инженеры АО «ЦИФРА» применяют программное обеспечение Ansys AQWA, которое позволяет проводить статические, динамические и частотные расчёты плавучих конструкций, подвергающихся различным нагрузкам. Например, можно учитывать волновые нагрузки любой формы и направления, рассчитывать дифракцию волн на конструкции, их распространение и динамическое воздействие на конструкцию, а также влияние на колебание конструкции. 

 Пример расчётов колебаний судна в Aqwa при направленном течении под углом 20° и нерегулярных волнах

Также в программный пакет включен инструментарий для расчёта швартовки на тросы, учета подводных гидродинамических нагрузок, расчёта остойчивости судна. Впоследствии результаты расчётов Ansys AQWA используются в качестве внешних нагрузок для последующего расчёта механики деформируемого твердого тела в Ansys Mechanical.

При этом эффективность расчётов обеспечивается за счёт того, что исходные данные, необходимые для проведения виртуального испытания, должны заранее содержать в себе ряд специфических характеристик.

Требования к исходным данным, необходимым для анализа в Ansys AQWA

Компьютерное моделирование в Ansys AQWA требует подготовки геометрии исключительно внешней поверхности исследуемого объекта, представляющего из себя судно или платформу.

Расчётная область включает только эту поверхность и поверхность воды, поэтому даже моделирование крупных судов, таких как танкеры, сухогрузы и контейнеровозы, не приводит к значительному увеличению ресурсоёмкости расчётов, как это происходит в случае, если необходимо производить расчёты во всём объёме трёхмерного объекта.

Ветер и течение, даже будучи направленными под фиксированным углом, могут оказывать влияние на все шесть степеней свободы конструкции. При этом данное влияние, очевидно, зависит как от угла атаки, так и от относительной скорости между ветром/течением и конструкцией. Зависимость нагрузки от скорости в общем виде зачастую имеет сложный вид, однако, при расчётах используется квадратичное приближение, которое может эффективно применяться для всех судов, движущихся относительно воды, стационарных и полупогружных платформ, а также небольших быстроходных судов, таких как катамараны.

Таким образом перед расчётом требуется отдельно для ветра и течения задать значения коэффициентов пропорциональности ветра и воды (Wind/Current Force Coefficient) для каждой степени свободы и количества углов атаки φ, достаточного для приемлемой интерполяции. 

Основной источник такого рода данных – это физический эксперимент с моделью изучаемого судна. Однако такие исследования требуют значительных временных и финансовых затрат, поэтому необходим альтернативный способ получения информации. В настоящее время проводится множество экспериментальных и аналитических исследований по определению сил, воздействующих на конструкции из-за ветра и течений. Более плодотворные результаты достигаются для плавучих платформ с относительно простой по сравнению с судами формой. Также существует ряд аналитических методов, позволяющих рассчитать воздействие течения на баржи, суда с V-образными и U-образными шпангоутами, однако точность получаемых результатов разнится от случая к случаю.

Достойной альтернативой физическому эксперименту снова выступает CFD-моделирование: расчёт различных задач обтекания нижней или верхней части судна водой или воздухом под разными углами позволяет получить нужные данные. В этом случае предварительный анализ становится важным этапом для сбора информации, необходимой для выполнения основной задачи, где нагрузки от ветра, течений, волн и конструкций создают полную картину виртуального тестирования.

 Пример расчёта во Fluent обтекания водой нижней части судна под углом 20°

Опыт мультифизического анализа позволяет специалистам АО «ЦИФРА» совмещать CFD-анализ для расчёта воздействия ветра и течения на судно, моделирование в Ansys AQWA для проведения виртуальных испытаний и анализ механических свойств конструкций для решения широкого спектра задач судостроения. Экспертный подход в каждом из перечисленных направлений численных расчётов является необходимым для обеспечения высокого качества итогового результата. 

Справка:

На данный момент в компании успешно реализованы многие проекты, некоторые из которых продемонстрированы на нашем сайте: 

1. Численное моделирование безопасной буксировки судна на этапе проектирования морского порта
2. Прочностной расчёт подводной капсулы
3. Выступление на международной конференции по судостроению NSN’2021

Изображение заголовка William на Unsplash