Разработка теоретических основ и методологии комплексного нормирования мореходности с учетом прочности морских судов

На правах рукописи

Кутейников МИХАИЛ АНАТОЛЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ И МЕТОДОЛОГИИ

КОМПЛЕКСНОГО НОРМИРОВАНИЯ МОРЕХОДНОСТИ

С УЧЕТОМ ПРОЧНОСТИ МОРСКИХ СУДОВ

Специальность 05.08.01 –Теория корабля и строительная механика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург

2010

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет» на кафедре теории корабля

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Родионов А.А.

доктор технических наук, профессор Рахманин Н.Н.

доктор технических наук, профессор Кузнецов В.Ю.

Ведущее предприятие – Закрытое акционерное общество «Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт морского флота» (ЗАО «ЦНИИМФ»)

Защита состоится «08» июня 2010 года в 14-00 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.228.01 при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет» по адресу: 190008, Санкт-Петербург, Лоцманская ул., 3. Актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале библиотеки СПбГМТУ по адресу: ул. Лоцманская, 10.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, с подписями, заверенными гербовой печатью, просим направить в адрес диссертационного совета.

Автореферат разослан « » 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,

профессор Гайкович А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В современной практике назначения ограничений по району плавания и балльности волнения, отраженной в действующих Правилах классификации и постройки морских судов Российского Морского Регистра Судоходства, приняты общие ограничения, которые могут быть назначены судам, не удовлетворяющим тем или иным требованиям, предъявляемым к судам “неограниченного” района плавания.

По этим ограничениям суда разделяются на пять категорий с указанием двух контрольных характеристик: разрешаемого удаления от берега с определенным расстоянием между местами убежища (в милях) и максимально допустимой высотой волн 3% обеспеченности от 8.5 м для I ограниченного района плавания до 3.5 м для категории III СП смешанного (река-море) плавания. Под “неограниченным” районом плавания подразумевается район плавания, для которого не назначаются ограничения по предельному удалению от места убежища и условиям погоды.

Такая классификация судов по районам плавания отражает отечественный опыт проектирования постройки и эксплуатации судов различных назначений.

При этом требования к остойчивости и прочности судов соответственно снижаются по мере ужесточения налагаемых эксплуатационных ограничений. По требованиям к остойчивости, основным критерием, который зависит от района эксплуатации, является критерий погоды “К”, представляющий собой отношение опрокидывающего и кренящего ветрового моментов. В принятой нами методике снижение уровня требований осуществляется одновременным учетом изменения расчетной амплитуды качки, влияющей на величину опрокидывающего момента, и редукцией величины расчетного давления ветра. С другой стороны снижение расчетной высоты волны позволяет изменить требования, предъявляемые к общей продольной прочности судов при ограничении района плавания.

Именно последний фактор оказался решающим при проектировании большинства судов смешанного река - море плавания, так как в силу особенностей конструкции этих судов (низкий надводный борт, большие отношения B / d и B / L (В – максимальная ширина судна на ватерлинии; d – средняя осадка), вытекающие из необходимости обеспечения проходной осадки при эксплуатации на внутренний водных путях, требования по максимальному габариту для прохода под мостами и т.п.) появляются предпосылки к существенным запасам остойчивости и, прежде всего, при обеспечении остойчивости по критерию погоды К. Вместе с тем, эти же конструктивные особенности приводят к ухудшению мореходных качеств судов на морском волнении (резкая качка, заливаемость, слеминг, потеря скорости хода на волнении и снижение управляемости и т.п.). На практике снижение мореходных качеств незаметно, пока реальные условия эксплуатации соответствуют условиям проектирования судов с учетом особенностей плавания на внутренних водных путях и ограниченного выхода в прибрежные районы морей.

Для судов ограниченного района плавания II СП снижение мореходности косвенно учитывается введением критерия ускорения К*, который приводит в ряде случаев к возникновению дополнительных ограничений на предельную высоту волн 3% обеспеченности (до 4 метров). Эти же требования предъявляются ко всем сухогрузным судам, у которых B/d > 2,5 или > 0,08 (h – начальная попереч­ная метацентрическая высота).

Усилившаяся в настоящее время тенденция к выходу речных судов в море и расширению районов их эксплуатации (в том числе с переходом к международным рейсам) привела к нарушению сбалансированной системы назначения этим судам ограничений по району плавания и допустимой балльности волнения. Среди основных причин такого нарушения следует назвать формальное использование указанных особенностей этих судов при их переоборудовании, сводящееся к удовлетворению возрастающих требований к прочности корпуса и реализации имеющихся запасов по основным критериям остойчивости (в том числе по критерию погоды К). При этом специальные вопросы мореходности остаются за рамками рассмотрения, поскольку в существующей практике нормирования отсутствуют соответствующие критерии.

Так, для судов ограниченных районов плавания III СП и II СП действующие критерии остойчивости практически одинаковые. Отличие только в использовании критерия К*, который к судам III СП не применяется, а также в использовании для этого класса судов других значений амплитуды качки в расчете критерия К. Изменение допустимой величины высоты волн 3% обеспеченности с 3.5 до 6 метров может, однако, существенно сказаться на характеристиках мореходности. При дальнейшем расширении района плавания до II и I районов (в случае установки дополнительных подкреплений и наличия соответствующих запасов для I района по остойчивости) допустимая высота волны возрастает до 8.5 метров при практически полном отсутствии возможности контроля обеспечения надлежащей мореходности. Критерий ускорения К* может в этом случае быть использован только для весьма ориентировочной оценки, в том числе и потому, что вопрос его применения к судам, имеющим иные, чем для II СП ограничения по району плавания, остается открытым до настоящего времени.

Практика показывает, что мореходность действующих судов, спроектированных для внутренних водных путей, может оказаться недостаточной с расширением района их эксплуатации в морских условиях.

Проблемы возникают в настоящее время и с вновь строящимися судами, которые при удовлетворении всем действующим критериям для судов первого ограниченного района плавания, показывают низкие мореходные характеристики.

С другой стороны, переход к эксплуатации судов типа «река-море» на международных линиях приводит к необходимости выполнения требований Международной конвенции о грузовой марке 1966 года и, позднее, 2003 года (например, к прочности и характеристикам закрытий) как для судов неограниченного района плавания. Несмотря на то, что необходимость подкрепления закрытий и увеличения вы­сот комингсов отверстий по мере расширения районов плавания представляет­ся достаточно обоснованной, также очевидно, что некоторые из положений Конвенции, применяемые к судам неограниченного района плавания, являются слишком жесткими по отношению к судам, имеющим ограничения по погоде и району эксплуатации. Требуемое подкрепление может быть более рационально определено на основании количественной оценки характеристик заливаемости палубы, которые, в свою очередь, входят в число параметров, характеризую­щих мореходность судна.

Суда любых типов и районов плавания (включая «неограниченный») могут иметь проблемы с мореходностью в зависимости от их назначения и архитектурно-конструктивного типа. Проблемы резкой качки являются весьма актуальными, например, для пассажирских судов. Суда неограниченного района плавания, имеющие «немореходные» обводы, вызванные их назначением (доковые суда, лихтеровозы) могут испытывать проблемы со слемингом.. Потеря остойчивости на попутном волнении представляет опасность для грузовых судов практически любого назначения и района плавания.

Таким образом, действующий подход к назначению эксплуатационных ограничений не охватывает существенных особенностей мореходности и прочности судов, что может приводить в ряде случаев и к необоснованному завышению пара­метров волнения, при которых допускается эксплуатация судна. С нашей точки зрения, это происходит в результате того, что при существующей практике нормирования мореходности имеется "белое пятно", особенно заметное в по­следнее время в связи с изменившейся экономической ситуацией, приведшей к необходимости эксплуатации судов смешанного плавания на международных линиях с большим удалением от берега.

В настоящей работе производится расширение нормативной базы для обоснованного назначения эксплуатационных ограничений по погоде и району плавания судов при совершенствовании Правил Российского Морского Регист­ра Судоходства на основе общего подхода к нормированию мореходности, со­гласующегося с методикой принятой при разработке новой Международной конвенции о гру­зовой марке 2003.

Предлагаемый комплексный подход к определению дополнительного общего критерия для оценки эксплуатационных ограничений судов по погоде из условий мореходности и прочности может быть использован на практике для совершенст­вования нормативных требований Регистра.

Целью настоящей работы является разработка методологических основ формирования комплексной нормативной базы по допускаемым с позиций мореходности и прочности эксплуатационным режимам движения судов на волнении.

Комплексное нормирование подразумевает выбор эксплуатационных ограничений со следующих позиций:

• обеспечения остойчивости и мореходности;
• обеспечения обитаемости (в зависимости от типа судов);

• обеспечение общей прочности корпуса судна;

• обеспечение местной прочности конструкций носовой оконечности (слеминг);

• обеспечение прочности фундаментов и конструкций грузовых помещений.

Объекты исследования. В качестве объектов исследования выбраны суда неограниченной и ограниченных категорий плавания, эксплуатирующиеся в штормовых условиях.

Задачи и методы исследования. Для достижения целей работы решались следующие задачи:

• выбор и экспериментальная проверка адекватной модели воздействия волнения на судно;
• определение оптимальной нормативной вероятности неблагоприятного воздействия на судно, повреждения или катастрофического события (потери судна);
• разработка методов формирования ограничений эксплуатационных режимов.

Внешнее воздействие волнения на судно моделировалось аппаратом гидродинамики, который позволил получать характеристики ходкости, маневренности, качки, местные и общие нагрузки на корпус в виде волновых и динамических (импульсивных) моментов, дополнительных инерционных нагрузок на фундаменты, конструкции грузовых помещений, локальных давлений от слеминга.

Для сравнительного количественного анализа уровня мореходности судов категорий неограниченного и ограниченного плавания применялся общепринятый расчетный аппарат последовательной оценки краткосрочных и долговременных вероятностных показателей с использованием ветроволновой статистики для рассматриваемых морских районов. Одновременно, положительный опыт применения на судах оперативных диаграмм штормового плавания дает основание использовать расчетную методику общего анализа мореходности судна для целей назначения эксплуатационных ограничений по погоде. Условия безопасности штормового плавания судна для стационарных ветро-волновых режимов определялись как общий результат анализа вероятностных краткосрочных показателей и их нормирования.

В теоретических исследованиях использовались элементы системного подхода, математическое моделирование, математическая статистика, основные методы теории и прочности судна.

Экспериментальные исследования проводились на моделях в опытовом бассейне ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова и на судах в натурных условиях на Ладожском озере и в Балтийском море.

Научную новизну работы составляют:

• сформулированные на основе обзора требований различных классификационных обществ ограничения судам по волнению, районам плавания из условий остойчивости, мореходности и прочности, послужившие постановке в диссертации задачи разработки и исследования теоретических основ и методологии комплексного нормировании мореходности и прочности морских судов;
• разработанные методики нормативной оценки мореходности транспортных судов для назначения эксплуатационных ограничений. В работе предложена номенклатура критериев мореходности и прочности, определены их нормативные уровни с учетом современного состояния методов их количественной оценки, а также разработаны методические положения расчета характеристик мореходности и прочности судов;
• проведенные расчетные оценки мореходности судов, включающие расчеты частных показателей мореходности, обобщение данных о долговременных волновых режимных характеристиках, используемых для оценки показателей мореходности, определение краткосрочных показателей мореходности и долговременных общих показателей мореходности;
• предложенные на основе анализа результатов расчетной оценки мореходности судов подходы к определению дополнительного комплексного критерия ограничения по погоде из условий мореходности и прочности. Разработки в части нормативных показателей мореходности базируются на проверенных автором методах вероятностного анализа характеристик мореходности судна в условиях ветра и нерегулярного морского волнения и охватывают определение и нормирование частных краткосрочных критериев для стационарного шторма, оценку показателей суммарного эффекта по всем частным критериям, расчет общих долговременных показателей с учетом режимной ветро-волновой статистики по климатическим зонам, возможные подходы к нормированию этих показателей;
• разработанная и апробированная методология назначения ограничений по районам и сезонам плавания на базе общего подхода к нормированию мореходности и прочности, основанная на принципе равной безопасности для неограниченных и ограниченных по погоде условий эксплуатации судов различных категорий. Нормативная величина долговременных показателей мореходности на волнении в диапазоне высот волн до допускаемой высоты волны 3% обеспеченности определяется, исходя из условий неограниченного плавания, путем осреднения для ряда судов, имеющих положительную характеристику мореходности по опыту их эксплуатации.

Практическая ценность. Предлагаемые подходы и методология определения дополнительного комплексного критерия мореходности и прочности для оценки эксплуатационных ограничений судов по погоде могут быть использованы на практике для совершенствования нормативных требований по остойчивости и прочности Российской федерации, Российского морского Регистра судоходства. Предоставляют возможность разработки бортовой документации для капитана нового типа, позволяющей облегчить выбор безопасных режимов движения судна на волнении. Решение указанных задач непосредственно влияет на повышение безопасности мореплавания, вносит вклад в развитие экономики за счет более рационального учета опасных факторов при проектировании судов.

Структура и объем. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, перечня литературы (201 название). Объем диссертации 220 страниц машинописного текста, 95 рисунков и 34 таблицы.

На защиту выносятся следующие научные положения.

• Подходы и методология определения дополнительного общего критерия мореходности и прочности при их комплексном нормировании для оценки эксплуатационных ограничений судов по погоде, которые могут быть использованы на практике для совершенствования нормативных Правил Российской федерации, Российского Морского Регистра Судоходства, разработке судовой документации для капитана.
• Методы назначения ограничений по районам и сезонам плавания на базе комплексного подхода к нормированию мореходности и прочности, основанные на условии равной безопасности для неограниченных и ограниченных по погоде условий эксплуатации судов различных категорий.
• Результаты расчетного анализа предложенных критериев мореходности и прочности для судов неограниченной и ограниченных категорий плавания.

Достоверность результатов. Основные теоретические положения и исходные допущения характеризуются непротиворечивостью, подтверждены данными статистики, подтверждены модельными и натурными экспериментами и существующей практикой эксплуатации судов ограниченной и неограниченной категории плавания. Расчетные методы проверялись систематическими расчетами для судов, находящихся в эксплуатации.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на отечественных и международных научно-технических конференциях: Конференция 300 лет Российскому флоту (Санкт-Петербург, Россия), STAB’97 (г. Варна, Болгария), IMAM’97 (г. Стамбул, Турция), Крыловские чтения 1998 г., MARIND’98 (г. Варна, Болгария), ISC’98 (Санкт-Петербург, Россия), IMAM’2000 (г. Неаполь, Италия), STAB’2000 (г. Лонцестон, Австралия), TEAM’2000 (Владивосток, Россия), заседаниях секции Мореходных качеств НТС РС 1997 - 2009 год, STAB’2006 (г. Рио-де-Жанейро, Бразилия). Получены Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 2009 г. и Патент на полезную модель 2009 г.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 49 научных работах. Из них 28 статей, 12 докладов, 7 тезисов докладов, 1 патент на полезную модель, 1 свидетельство о регистрации компьютерной программы. 8 работ выполнено в личном авторстве, доля автора в остальных от 25 до 65%.

В изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК, опубликовано 8 статей. Из них 7 выполнено в личном авторстве, доля автора в оставшейся работе 55%.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассматриваются особенности современной практики назначения ограничений по району плавания и балльности волнения, отраженной в действующих Правилах классификации и постройки морских судов Российского Морского Регистра Судоходства и иностранных классификационных обществ.

Отмечается, что действующий подход к назначению эксплуатационных ограничений не учитывает особенностей мореходности судов, что может приводить к необоснованному завышению параметров волнения, при которых допускается эксплуатация судна, и необходимость, в связи с этим, расширения нормативной базы, с целью учета требований к мореходности судов.

Ставится цель расширения нормативной базы для обоснованного назначения эксплуатационных ограничений по погоде и району плавания судов при совершенствовании Правил Российского Морского Регистра Судоходства на основе общего подхода к нормированию мореходности, согласующегося с методикой разработки новой Международной конвенции о грузовой марке 2000.

Предлагаемый подход к определению дополнительного общего критерия мореходности для оценки эксплуатационных ограничений судов по погоде по условиям мореходности может быть использован на практике для совершенствования нормативных требований Регистра.

В первой главе дается обзор требований международных морских классификационных обществ в части мореходности. Систематизируется и анализируется практика назначения судам ограничений по волнению и району плавания из условий остойчивости и мореходности в разных странах мира.

Практика назначения судам ограничений по волнению и району плавания в различных странах находит свое отражение в Правилах ведущих классификационных обществ мира. Принятая этими обществами классификация учитывает особенности эксплуатации тех или иных судов и основана на принципе равной безопасности, в рамках которого снижение конкретных требований к остойчивости и мореходности компенсируется назначенными ограничениями.

Приведены данные по ограничениям, принятым основными классификационными обществами мира: Российским Морским Регистром Судоходства (РС), Английским Ллойдом (LR), Американским Бюро Судоходства (ABS), Бюро Веритас Франции (BV), Германским Ллойдом (GL), Дет Норске Веритас Норвегии (DNV),.Итальянским Регистром (RINA), Китайским классификационным обществом (CCS), Корейским Регистром (KR), Польским Регистром (PRS), Японским классификационным обществом (NKK).

На основе анализа существующей практики назначения ограничений ставится задача разработки и исследования теоретических основ для назначения эксплуатационных ограничений при нормировании мореходности и прочности морских судов, разработки методики нормативной оценки мореходности и расчетной апробация методики на основе данных по существующим транспортным судам (морским и смешанного плавания).

В отношении подхода к назначению ограничений из условий мореходности и прочности, отмечается, что в проблеме нормирования мореходности судов на первом месте, естественно, стоит задача рационального обеспечения неопрокидывания судна под воздействием ветра и морского волнения. Требования, базирующиеся на решении этой задачи, составляют основное содержание действующих норм остойчивости судов в различных странах и международных документах ИМО. Идеи и расчетные методы, лежащие в основе критериев изложены в трудах Аксютина Л.Р., Анфимова В.Н., Басина А.М., Авдеева Г.К., Благовещенского С.Н., Бойцова Г.В., Бородая И.К., Нецветаева Ю.А., Войткунского Я.И.

Нормирование для целей назначения эксплуатационных ограничений по погоде сегодня в этой части смыкается с задачей совершенствования требований Части IV “Остойчивость” Правил РС в направлении гармонизации с Международным Кодексом ИМО по остойчивости судов всех типов (Резолюция А.749(18)) и подготовки предложений по его дополнению.

Характерно, что в Кодексе ИМО большое внимание уделяется рекомендациям эксплуатационного характера. Имеется ввиду не только Информация об остойчивости для капитана, но и конкретные рекомендации при неблагоприятных погодных условиях с некоторыми впервые введенными числовыми показателями эксплуатационной мореходности (частота тяжелого слеминга, частота оголения гребного винта и др.). Кодекс, однако, не предусматривает эксплуатационных ограничений по районам и сезонам плавания судов, связанных с погодными условиями.

Предложенная в данной работе методология современного подхода к ограничениям по мореходности в принципе такая же, как и в подходе к ревизии Международной конвенции о грузовой марке LL - 1966 года и подготовке новой Конвенции и части В Кодекса, базирующихся на концепции перехода от статистических таблиц и эмпирических зависимостей к прямым расчетам характеристик мореходности с более полным учетом данных конкретного судна. Такой подход отражает повышение доверия к достижениям в области развития методов гидродинамического анализа и техники численного моделирования движения судна в условиях регулярного и нерегулярного волнения. Многочисленные результаты показывают, что бортовая качка большой амплитуды с учетом всех степеней свободы может приводить к опрокидыванию судна при движении на различных курсовых углах к волнам, в то время как ни “лаговый”, ни “попутный” “критерии погоды” часто не в состоянии выявить эти опасные ситуации. Для судов типа «река-море» опасность интенсивной качки в связи с подвижкой груза (как основной технической причиной многих аварий) на развитом волнении может оказаться более вероятной, так как большие амплитуды бортовой качки могут сочетаться с большими по амплитуде вертикальными и горизонтальными ускорениями от остальных видов колебаний. Важную роль играет также количественная оценка потери скорости хода и опасного уровня заливаемости палубы, бортового и днищевого слеминга, оголения гребного винта, снижения управляемости.

Поскольку безопасность судна на развитом волнении существенно зависит от управления скоростью и курсом судна, на первый план выступает учет роли “человеческого фактора” в критических ситуациях в отношении сохранения достаточной мореходности. Решение этой задачи связано с развитием новой технологии обеспечения эксплуатационной мореходности судна на базе бортовых компьютерных систем, которые становятся вместе с традиционной Информацией об остойчивости судна основным оперативным средством для капитана. Применение таких систем рекомендуется в документах ИМО.

При участии автора в ЦНИИМФ разработан новый вид Дополнения к информации об остойчивости для капитана по выбору безопасных режимов штормового плавания судна, предусматривающий ограничения по погоде и дополнительные конкретные рекомендации по безопасным скоростям и курсам в зависимости от загрузки и ветро-волновых условий в форме оперативных полярных диаграмм. Накоплен некоторый опыт применения на более 100 плавающих судах дополнений к информации об остойчивости и бортовых программных комплексов по выбору безопасных режимов штормового плавания.

В работе ставится задача комплексного нормирования из условий мореходности и прочности.

Разработка методологии назначения ограничений по районам и сезонам плавания на базе такого подхода к комплексному нормированию мореходности и прочности охватывает детерминированные и вероятностные характеристики, оценку общего уровня безопасности, проверку чувствительности критериев к изменению формы обводов и загрузки для судов традиционных и новых типов, развитие новых критериев для более полного отражения опасных ситуаций и создание новых средств эксплуатационного обеспечения мореходности с помощью бортовых компьютерных систем. Предложена программа подготовки методики.

Вторая глава посвящена рассмотрению методов расчета линейной поперечной и продольной качки на регулярном и нерегулярном волнении, а также методов расчета нелинейной поперечной качки и возникающих при этом силовых нагрузок на судно.

Линейная поперечная качка на регулярном волнении

В дальнейших исследованиях использована система дифференциальных уравнений поперечной качки в линейной постановке:

(1)

Значения возмущающих сил и моментов, а также коэффициентов присоединенных масс и демпфирования для каждого шпангоутного сечения определяются на основании решения линейной плоской задачи о колебаниях контура на регулярном волнении.

Для решения сформулированных граничных задач используется метод гидродинамических особенностей согласно которому симметричные относительно вертикальной оси потенциалы представляются в виде суперпозиции потенциалов плоского источника и симметричного мультиполя, а асимметричные потенциалы представляются как суперпозиция потенциалов плоского диполя и асимметричного мультиполя.

Неизвестными величинами являются интенсивности источников и диполей, а также комплексные интенсивности мультиполей. Записывая граничные условия на контуре через сопряженные с соответствующими потенциалами функции тока, получим для каждого случая системы уравнений относительно неизвестных коэффициентов комплексной интенсивности мультиполя. Системы решаются методом наименьших квадратов.

Для реализации вышеизложенного метода необходимо иметь аналитическую аппроксимацию шпангоутного контура, получаемую в результате его конформного отображения на внешность круга. Для расчета поперечной качки судов в качестве аппроксимаций шпангоутов использованы формы Льюиса, получившие широкое распространение в теории качки.

Ввиду того, что при бортовой качке основную роль играют силы вязкостной природы, для расчета коэффициентов присоединенных масс и демпфирования необходимо использовать номограммы Луговского - Фадеева или другие эмпирические формулы. Используются также получившие широкое распространение в расчетах бортовой качки формулы Авдеева-Анфимова

Нелинейная поперечная качка на регулярном волнении

Система дифференциальных уравнений поперечной качки с учетом нелинейных гидродинамических сил второго порядка имеет вид:

(2)

где вторые члены в правых частях уравнений являются нелинейными возмущающими силами.

Составляющие линейных и нелинейных суммарных горизонтальных, вертикальных сил и момента определялись на основании гипотезы плоских сечений, согласно которой все линейные и нелинейные задачи решались вначале для отдельного шпангоутного сечения, а затем найденные гидродинамические характеристики интегрировались по длине судна.

Для каждого шпангоутного контура составляющие нелинейных сил определялись посредством интегрирования гидродинамического давления по смоченной поверхности данного контура. Все потенциалы второго порядка определены на основании решения соответствующих нелинейных задач с учетом нелинейных граничных условий на свободной поверхности и на контуре. С учетом изложенного выведены окончательные выражения для всех составляющих нелинейных сил и момента.

Решение системы (2) находится в работе в виде:

(3)

Дважды дифференцируя выражения, подставляя найденные производные в и приравнивая коэффициенты при соответствующих функциях времени, получим две системы уравнений относительно неизвестных составляющих и , соответственно. Следует отметить, что вторая из полученных систем, вследствие зависимости суммарных нелинейных сил и момента от амплитудных характеристик, может быть решена только после решения первой системы.

Зная значения амплитуд первого и второго порядка, можно определить ускорения изолированных видов качки: вертикальной, бортовой и поперечно-горизонтальной и совместных: бортовой и вертикальной, бортовой и поперечно-горизонтальной в разных точках корпуса судна.

Продольная качка на регулярном волнении

Определив все действующие на судно силы с точностью до второго порядка малости, можно составить систему уравнений продольной качки корабля. Она будет иметь вид:

(4)

где - суммарные сила и момент первого порядка, определяемые в результате решения линейной задачи:

(5)

После определения составляющих амплитуд первого и второго порядков и ,могут быть найдены линейные, нелинейные и суммарные ускорения, возникающие при изолированных вертикальной, килевой качке и их взаимодействия.

Поперечная и продольная качки на нерегулярном волнении

Расчет вероятностных характеристик качки по заданным вероятностным характеристикам двухмерного волнения выполняется на основании формулы А.Я. Хинчина:

(6)

Также рассчитываются передаточные функции, псевдоспектры перемещений и ускорений в случае взаимодействия отдельных видов качки, а именно: бортовой и вертикальной, бортовой и поперечно-горизонтальной и вертикальной и килевой.

Псевдоспектры перемещений и ускорений определяются обычным способом.

Вертикальные перерезывающие силы и изгибающие моменты

Прочность судовых конструкций является одним из основных факторов обеспечения безопасности плавания и эксплуатационной надежности судов. Для оценки прочности требуются знания нагрузок, действующих на судно в различных условиях эксплуатации, и вызываемых ими напряжений в связях корпуса. От величины этих напряжений зависят статическая и усталостная прочность элементов корпуса и, в конечном счете, его надежность.

Для расчета прочности судов, испытывающих воздействие волнения, в общем случае необходимо знание дополнительных (по отношению к условиям на тихой воде) давлений на смоченную поверхность корпуса и распределенных по корпусу сил инерции масс судна. Те же силы, действующие на судно на волнении, определяются в задачах мореходности, что позволяет в исследованиях прочности опираться на достижение теории качки. В работе приводится метод расчета перерезывающих сил и изгибающих моментов с учетом нелинейных гидродинамических сил и моментов второго порядка. Общие выражения для вертикальной перерезывающей силы и вертикального изгибающего момента имеют вид:

(7)

где - силы тяжести;

- инерционно-демпфирующие силы;

- гидростатические силы;

- волновые компоненты гидродинамической нагрузки.

Проверка работоспособности изложенных методов проводилась путем сравнения полученных результатов с некоторыми имеющимися теоретическими и экспериментальными данными. Проведенные сравнения позволяют сделать вывод о том, что влияние эффектов, связанных с трехмерностью, на значения нелинейных сил практически не проявится, поскольку данные силы являются меньшими по величине по сравнению с линейными. Таким образом, вполне правомерно применять метод плоских сечений для расчетов поперечной качки удлиненных судов.

Расчеты АЧХ нелинейной поперечной и продольной качки проводились для различных типов судов. В работе приводятся результаты исследования влияния на значения АЧХ, вычисленных по нелинейной теории, таких факторов как: изменение метацентрической высоты, изменения B/T, взаимодействие отдельных видов качки, изменение скорости хода. Проведен также анализ результатов расчетов вертикальных перерезывающих сил и изгибающих моментов, возникающих при продольной качке судна. Расчеты данных величин проводились с учетом нелинейных гидродинамических сил для различных типов судов.

На основе анализа результатов расчетов делается вывод о целесообразности дальнейшего использования линейной модели, учитывая малое влияние нелинейности.

В третьей главе производится формирование эксплуатационных показателей и ограничений мореходных качеств морских судов. Предлагается следующая классификация показателей мореходности, предназначенная для дальнейшего использования при формулировке соответствующих требований:

• частные показатели;
• краткосрочные показатели;
• долговременные показатели.

Частные показатели мореходности определяются высотой волны 3% обеспеченности, превышение которой для судна, двигающегося с наибольшей достижимой скоростью, должно вызвать намеренное ее снижение, или изменение курса из-за превышения тех или иных характеристик мореходности. Это изменение режима движения производится прежде всего с целью обеспечения безопасности плавания.

На рис. 1 представлена обобщенная схема определения частных показателей (критериев) мореходности и построения диаграмм, необходимых для формирования в дальнейшем краткосрочных показателей.

Автором производится уточнение расчета характеристик мореходности: качки, относительных перемещений корпуса судна на волнении, его линейных ускорений и остойчивости, то есть характеристик, от которых зависят все критерии мореходности.

Исходные данные. Главные характеристики судна, условия плавания (ветер, волны, глубина, течение)

Обработка теоретического чертежа
Параметры главного двигателя

Прогноз посадки судна с учетом мелководья		Общее сопротивление движению судна			Сопротивление движению судна на тихой воде
					Дополнительное сопротивление на волнении
Прогноз скорости, оборотов винта (шага ВРШ) на тихой воде					Дополнительное сопротивление в условиях ветра
		Прогноз наибольшей достижимой скорости судна для различных условий ветра и волнения			Пропульсивный коэффициент судна на волнении. Перерасход топлива

Передаточные функции качки для различных скоростей судна и курсовых углов встречи волн		Гидродинамические характеристики качки
Статистические характеристики качки для заданных скоростей судна, курсовых углов и режимов волнения (высот и периодов)		Спектры волнения (регулярное, трехмерное нерегулярное, смешанное)

Показатели эксплуатационной мореходности судна

Интенсивная (резонансная) килевая и вертикальная качка	Заливание палубы без и с палубным грузом	Днищевой слеминг	Бортовой слеминг	Линейные вертикальные ускорения при качке		Колебания остойчивости и параметри-ческая бортовая качка на попутном волнении
Контроль критериев мореходности
Полярные диаграммы для выбора безопасных режимов штормового плавания в различных условиях состояния судна (загрузка, посадка, остойчивость) и интенсивность ветра и волнения

Скорость

Курс

Посадка (дифферент)

Рис. 1. Схема расчета частных критериев мореходности и полярных диаграмм

Качка.

Для полной характеристики мореходности судна необходимо учитывать все виды колебаний, поскольку они могут нормироваться самостоятельно или проявиться во взаимодействии с основными, влияя как на амплитудные, так и на фазовые соотношения. Последнее наиболее существенно при расчетах относительных перемещений и ускорений. Анализ мореходности, таким образом, должен предусматривать, строго говоря, гидродинамический расчет шестикомпонентной взаимосвязанной качки судна в линейной и нелинейной постановке, как это предложено в главе 2. Расчеты качки были произведены для ряда судов. Из анализа результатов следует, что расчет дает не только логически закономерные результаты по величинам и характеру зависимости показателей мореходности от параметров режимных условий (скорости судна, высоты и среднего периода волнения),но и хорошую сходимость с экспериментальными данными.

Относительные перемещения и показатели заливаемости судна

Исходными для формирования системы оценок заливаемости судна являются данные о коле

баниях волны относительно его корпуса. Для случая движения судна вразрез двухмерному волнению относительные перемещения волны определяются соотношением

(8)

где – ордината профиля волны у борта, – вертикальная и килевая качка, – расстояние от ЦТ судна до рассматриваемого сечения. В случае движения судна на волнении произвольным курсом, формула для относительных колебаний будет иметь более сложный вид, учитывающий также бортовую качку.

Оценка подверженности судна заливанию в показателях мореходности играет большую роль. Это связано, как с задачей об эксплуатационных ограничениях по погоде, так и с разработкой при участии автора методики расчетов рационального надводного борта при подготовке требований новой международной Конвенции по грузовой марке судов ISLL-2003, в особенности, применительно к судам нетрадиционных типов.

Прежде всего, необходимо иметь комплекс количественных показателей для краткосрочного прогноза поведения судна на волнении, то есть для каждого режима плавания, характеризуемого параметрами состояния судна (нагрузка, посадка, остойчивость и др.), движения судна (скорость, курс) и условий плавания (ветер, волнение, течение, глубина моря).

В настоящей работе предложена следующая система показателей заливаемости судна в штормовых

условиях.

Вероятность PS заливания через борт в районе шпангоутного сечения судна на расстоянии

от носового перпендикуляра:

, (9)

где - эффективная высота, надводного борта, м; - стандарт (среднеквадратичное отклонение) ординат процесса вертикальных колебаний поверхности воды у борта относительно уровня , м.

При этом

, (10)

где Нб – геометрическая высота борта, м; d – осадка, м; d – изменение осадки при движении на тихой воде, м; ZV – ордината ходовой волны у борта, м; hp – расчетная высота палубных конструкций, м.

Высота hp принимается по условиям расчета. Так, при расчетах заливания палубы hp=0, а при оценке, например, заливания люковых закрытий считается, что , где hk – высота комингса, м; hH – высота нормативного статического напора воды из расчета водонепроницаемости люковых крышек, м.

Для определения наибольшей ординаты носовой ходовой волны используется формула, предложенная Тасаки,

, (11)

где lE - относительная длина носовой части корпуса судна до цилиндрической вставки (при ).

Величина определяется через стандарт относительных вертикальных перемещений с учетом влияния обтекания корпуса:

, (12)

где , - стандарт и средняя частота процесса относительных вертикальных перемещений корпуса в сечении x.

Выражение в скобках в формуле (12) является эмпирической поправкой, учитывающей явление дифракции.

Среднее число заливаний nS за время t0:

, (13)

где - средний период процесса относительных вертикальных перемещений корпуса.

При показатели PS и nS идентичны, то есть среднее число заливаний за время, равное среднему периоду, равно вероятности заливания. При оценке мореходности используется обычно число заливаний в час (t0 = 3600 с) ;

- характеристика заливания:

Для случайного процесса относительных перемещений z(t) рассматривается характеристика как случайная величина, определяемая следующим образом:

(14)

где единичная функция

Среднее значение - характеристики равно

, (15)

где P(z) – плотность вероятности (закон распределения) ординат z(t).

Поскольку z(t) – нормальный случайный процесс, дает возможность получить простые выражения для расчета среднего общего относительного времени заливания за длительный период (), суммарную площадь под траекторией процесса z(t) выше уровня , соответствующие статические моменты и так далее, а также общую среднюю высоту равномерного слоя воды на палубе за время t0.

Для практических оценок служат также следующие показатели:

Среднее общее относительное время заливания :

, (16)

где - интеграл вероятности (функция Лапласа).

График зависимости величины от отношения стандарта к эффективной высоте борта представлен на рис. 2.

Средняя высота воды при равномерном заливании палубы

. (17)

Величина hS характеризует условия заливания в среднем за длительное время, как бы объединяя показатели и . График зависимости величины hS от отношения стандарта к эффективной высоте борта приведен на рис.2.

Средняя длительность каждого погружения палубы в воду tS:

. (18)

Графики зависимостей и от также представлены на рис.2.

Средний объемный расход забортной воды при заливании :

Этот показатель необходим для оценки количества воды, попадающей при заливании в открытый

трюм или палубный колодец. Величина может быть определена по формуле:

, (19)

где - расход воды, м3/с; V – средняя скорость судна; lT – длина раскрытия трюмного люка (колодца), м; - относительный стандарт; - относительная расчетная скорость поступления воды в трюм; - относительная длина заливания; . График зависимости величины от отношения стандарта к эффективной высоте борта приведен на рис. 2.

Для нормативной оценки величины представляется достаточным использовать следую

щие упрощенные формулы для и :

, (20)

где с – скорость перемещения профиля волны, м/с (); bT – ширина раскрытия трюмного люка (колодца), м.

Показатель используется для нормирования заливаемости контейнеровозов открытого типа

при назначении грузовой марки.

Сводный график всех основных относительных показателей заливаемости, рис. 2, дает общее пред-

ставление о характере и количественных соотношениях их зависимостей от интенсивности погружения палубы по сравнению с эффективной высотой надводного борта.

Все показатели связаны с интенсивностью и периодом погружения палубы в воду. С ростом вероятности заливания растут и все остальные показатели. Предельные оценки по заливаемости существенны для анализа мореходности судов ограниченного плавания, имеющих малый надводный борт. Так, при отсутствии запаса надводного борта средняя высота воды на палубе при ее равномерном заливании не может быть больше величины , что дает возможность достаточно просто оценить, например, максимальную статическую нагрузку на люковые крышки. По максимальной величине параметра можно оценить наибольший возможный средний объемный расход воды , влившейся в открытый трюм или палубный колодец. Величина наиболее просто контролируется на мореходных модельных испытаниях и используется при проектных проработках различных конструктивных мер защиты от заливания.

Для расчетного прогноза описанных выше характеристик заливаемости как частных показателей мо

реходности судов, разработана программа, базирующаяся на спектральном методе определения характеристик качки.

Программа составлена с использованием средств Visual Basic 5.0. Информация по форме судовой поверхности и некоторые другие исходные данные вводятся через внешний файл. Вся необходимая для работы программы исходная информация, кроме описания судовой поверхности, отображается на экране и может быть откорректирована непосредственно на экране или введена с экрана заново. Результаты работы программы, содержащие как текстовую, так и графическую информацию, оформляются в виде, пригодном для непосредственного включения в отчетный документ. Все величины, кроме координат точек шпангоутов, описывающих судовую поверхность, могут быть откорректированы с экрана после запуска программы и считывания файла с исходной информацией.

Описываемая программа имеет два основных режима расчета заливаемости: для всех заданных точек палубы или для выбранных точек палубы. В первом режиме рассчитывается заливаемость для заданного волнения, скорости судна и курсового угла. В качестве аргумента при построении графиков используются абсциссы заданных точек палубы, а одну из названных величин можно проварьировать как параметр, для каждого значения которого будет построен график зависимости от того же аргумента. Во втором режиме расчет выполняется для ряда высот волн, заданных в качестве аргумента, и при заданных величинах скорости хода судна и курсовом угле. Одну из последних величин (как и для первого режима) можно проварьировать как параметр. Особо следует отметить, что только при задании высоты волны как аргумента возможно формирование отчета о заливаемости для выбранной точки на палубной линии. Точку на палубной линии можно выбрать из заданной таблицы точек линии палубы, или же ее можно выбрать после завершения варианта расчета на построенных графиках, например, точку линии палубы, в которой наблюдается наибольшее заливание. Все расчеты могут выполняться как с учетом, так и без учета ходовой волны.

Расчеты характеристик заливаемости по разработанной программе также выполнены для т/х «Борис Полевой».

Показано, что, благодаря высокому надводному борту, даже в условиях сильного шторма на неблагоприятных курсах частота заливания мала. Тем не менее, если заливание все же происходит, средняя величина часового объема воды, влившейся в трюм относительно небольших размеров (lT=124.7м, bT=24.5м), может быть достаточно велика.

Следует обратить внимание на критерий =0.05 (5%), согласованный в ИМО для нормирования высоты надводного борта. Эта нормативная величина определяется для поперечного сечения 0.1L от НП для судна в полном грузу на встречном волнении. Она хорошо согласуется с принятой в настоящей методике рекомендацией Аэртссена (=7 за 100 периодов килевой качки).

Рис. 2. Сводный график зависимостей характеристик заливаемости от отношения

к эффективной высоте борта

Линейные ускорения

Существуют определенные типы судов, для которых необходимо вводить ограничения по ускорениям при качке в море, связанные либо с видом перевозимого груза, либо с назначением, либо с необходимостью выполнения тех или иных условий безопасной эксплуатации. В частности, среди критериев мореходности для судов ограниченных районов плавания по условиям погоды одним из основных выступает критерий ускорений. Критерии для характерных расчетных амплитуд вертикальной ускорений в общем подтверждают принятую Регистром норму 0,3g, либо норму 0,25g для величины ускорения, рассчитываемого по формуле, согласованной с ИМО.

Хорошо известно, что повышенные ускорения при качке создают опасность смещения грузов, снижают работоспособность команды и вызывают «морскую болезнь» у пассажиров, ограничивают возможности использования судовой техники.

В основном учитываются вертикальные ускорения от бортовой качки, однако иногда нормируются суммарные вертикальные ускорения в различных комбинациях видов качки: бортовая + вертикальная (на верхних палубах, на мостике), килевая + вертикальная (на носовом перпендикуляре). В последние годы появились данные о существенном влиянии на самочувствие людей угловых ускорений от бортовой качки и горизонтальных ускорений от поперечно-горизонтальной качки, причем, как оказалось, последние играют значительную роль в возникновении ошибок экипажа во время эксплуатации судна («человеческий фактор» в управлении судном и проведении различных работ).

Следующие факторы заставляют прибегать к нормированию ускорений:

• Биологические. Качка вызывает у персонала и пассажиров «морскую болезнь». Основная причина укачивания — физиологическое влияние на человеческий организм угловых и линейных ускорений, возникающих при качке судна. Порог чувствительности людей к угловым ускорениям находится в пределах 2-3 град/с2, а к вертикальным 0,04-0,12 м/с2. Особенно интенсивно морская болезнь развивается, когда вертикальные ускорения достигают примерно 0,1g 1 м/с2. Вертикальные ускорения в конкретной точке судна являются следствием не только линейных, но и угловых колебаний. Поэтому наибольшие вертикальные ускорения бывают в оконечностях судна.

Кроме этого качка судна влияет на способность экипажа выполнять рабочие операции в связи с потерей равновесия от горизонтальных ускорений. В центре Д. Тейлора были проведены исследования потерь времени при выполнении различных операций членами команды. По результатам этих исследований разработан универсальный показатель MII (Motion Induced Interruptions – перерывы в работе, вызванные движением), представляющий собой показатель состояния равновесия членов команды. Он характеризует возникновение условий, при которых человек для удержания равновесия неизбежно должен ухватиться одной или двумя руками, либо изменить позу. Основное влияние на MII оказывают значения относительных горизонтально-поперечных ускорений ; эти значения классифицируются по уровням риска:

• Первый уровень соответствует = 0,08. При таком уровне на каждые 18 операций, осуществленным членом команды, 1 раз будет наблюдаться потеря им равновесия (MII = 0,06).
• Второй уровень при = 0,1 соответствует 1 случаю потери равновесия для каждых 2 операций (MII = 0,5).
• Серьезный уровень возникает при =0,12 — 1,44 случая потери равновесия на 1 операцию (MII = 1,44).
• Высокий уровень риска (MII = 2,61) возникает при = 0,14.
• Чрезвычайно опасные условия (MII 4) возникает при 0,16.

Как мы видим, при росте поперечно-горизонтальных ускорений члены команды стремительно теряют работоспособность. В качестве порогового, вероятно, необходимо выбирать =0,1.

• Эксплуатационные. К ним относятся смещение контейнеров, сыпучих и лесных грузов, раскачивание подвешенного груза на гаке плавучего крана, ухудшение, а иногда и невозможность работы главных и вспомогательных механизмов.
• Прочностные. Общая прочность корпуса и прочность отдельных конструкций (носовых и кормовых оконечностей, конструкций кранов и грузовых стрел и т.д.).

Эксплуатационные и прочностные факторы для транспортных судов, в основном учитываются при обеспечении безопасной технологии морских грузовых операций и перевозок. Они учтены в соответствующих национальных и международных Правилах. Прежде всего, это нормативы по контролю остойчивости судов при перевозке зерновых и других видов навалочных грузов, предусматривающие оценку условий безопасной перевозки сыпучего груза с косвенным учетом инерционных при качке. Далее, при нормировании эффективности устройств, крепяших генеральные грузы применяются расчетные методы, основанные на прямом определении внешних сил по нормативному ускорению. Например, по Циркуляру ИМО (КБМ № 664) проверка упрощенным методом выполняется для поперечных ускорений (1,0g), либо при полном расчете по указанным в табл. 3.8 нормативам для судов неограниченного района плавания.

Следует отметить, что при расчете креплений учитываются как дополнительно силы от ветрового давления и «всплеска» волны (1kН/м2), которые могут воздействовать на палубный груз, так и возможность повышения нормативных величин ускорений, если амплитуда бортовой качки превышает 30°, или судно испытывает удары о встречную волну. Рекомендуется при этом предусмотреть возможность снижения скорости хода или изменения курса.

Сопоставляя различные данные по ускорениям, можно видеть, что нормативы в расчетах крепления груза значительно жестче. Обеспечение несмещаемости груза под воздействием ускорений при качке имеет, таким образом, достаточно развитую нормативную базу. При этом имеющиеся предложения по эксплуатационным ограничениям основаны на корректировке расчетных амплитуд качки согласно методике требований к остойчивости по критерию погоды.

Попутно отметим рекомендации по непосредственному ограничению амплитуд бортовой качки при нормировании эксплуатационной мореходности. Например, ограничение значительных амплитуд на уровне 8 - 10 град. Для наиболее тяжелых условий выживаемости корабля указывается норма (принято в ВМФ США).

В Правилах классификации и постройки морских судов Российского Морского Регистра Судоходства введены ограничения по линейным ускорениям для сухогрузных судов с соотношениями , или (здесь h – начальная поперечная метацентрическая высота, B – ширина судна, d – осадка), а также для судов смешанного плавания.

Разработчики ограничений для судов смешанного плавания, учли «…пересыпание сыпучего груза, передвижки плохо закрепленного груза, особенно палубного, ухудшение условий работы механизмов, укачивание судового экипажа, …опасные напряжения в связях судового корпуса». Таким образом, они как бы создали универсальное средство, учитывающее все три группы факторов, о которых мы говорили выше.

Во многих странах либо судовладельцы, либо страховые общества вводят ограничения по вертикальным ускорениям на борту, на носовом перпендикуляре, на ходовом мостике и т.д.

Вследствие важности показателя мореходности по ускорениям в Нормах Регистра СССР основные предложения в виде критерия ускорения для судов смешанного плавания были разработаны еще в 1971 году. Эти идеи с небольшими изменениями в методике расчета дожили до наших дней. Смысл их следующий.

Остойчивость по критерию ускорения считается приемлемой, если в рассматриваемом состоянии нагрузки расчетное ускорение не превышает допустимого значения 0,3g, т.е. выполняется условие:

, (21)

где – расчетное ускорение в долях g, определяемое по формуле, получаемой с помощью правил механики

(22)

– собственная частота бортовых колебаний судна;

– амплитуда бортовой качки судна;

=1,2 – коэффициент, учитывающий вертикальную качку.

В последующих редакциях Правил с учетом особенностей качки судов смешанного плавания формула (22) была преобразована и в настоящее время имеет вид:

(23)

Здесь – нормируемая частота собственных колебаний судна;

m0 – коэффициент, определяемый в зависимости от ;

zg – аппликата ЦТ судна;

– водоизмещение судна.

В формулу (23) закладывается плечо до расчетной точки т.е. ускорения определяются в районе мидельшпангоута (грузовых трюмов) на ГВЛ у борта судна.

Ввиду отсутствия в 1974 году данных по коэффициентам уравнений качки для судов с соотношениями ширины и осадки , коэффициентом полноты и метацентрической высотой, характеризующейся параметром , расчетные амплитуды качки было предложено определять по данным натурных испытаний и серийных модельных испытаний, проведенных в ЛКИ и обработанных ЛИВТ’ом.

При анализе ограничений по ускорениям возникают вопросы, связанные с нормой по величине предельного ускорения (0,3g), корректностью учета вертикальной качки, а также используемом при нормировании значении амплитуд качки.

Отметим также, что ограничения по ускорениям введены только для судов смешанного плавания и для некоторых морских транспортных судов, в то время как целесообразно вводить их для пассажирских судов, паромов, крановых судов, самоподъемных плавучих буровых установок и т.д. Для учета «человеческого фактора» должны быть также проанализированы поперечно-горизонтальные ускорения.

Для критериальной оценки ускорений при составлении алгоритмов расчета в настоящей работе рассматривалось два характерных режима движения судна: лагом к волнению и вразрез волнам. Для обоих режимов разработаны соответствующие программы расчетного прогноза ускорений. При движении лагом к волнению колебания судна описываются системой взаимосвязанных уравнений бортовой качки и поперечно-горизонтальных колебаний, а также уравнением вертикальной качки. В случае расположения судна вразрез волнам решается взаимосвязанная система килевой и вертикальной качки. Необходимо особо отметить, что алгоритм (программы) расчета качки судна с последующим вычислением ускорений составлен как в линейной постановке, так и с учетом нелинейного характера действующих гидродинамических сил, как это описано во второй главе.

В процессе разработки программ тестовые расчеты производились для двух судов:

• судна смешанного плавания типа «Волго-Балт»;
• транспортного морского судна «Новгород».

При расчетах варьировалась загрузка судов (соответственно, осадка и остойчивость). Загрузка и остойчивость судна «Новгород» подбиралась таким образом, чтобы собственные периоды бортовой и вертикальной качки были близки соответственным периодам для «Волго-Балта.

Расчеты были проведены на волнении типа «мертвая зыбь» (регулярные волны) и на ветровом, нерегулярном волнении.

Плавание на волнении типа «мертвая зыбь»

Расчеты вертикальных ускорений на борту от вертикальной и бортовой качки для обоих судов при движении лагом к волнению показывают, что вклад этих видов качки в суммарные вертикальные ускорения меняется в зависимости от соотношения собственных частот. Иногда доля ускорений от вертикальной качки превосходит долю ускорений от бортовой качки, поэтому уже сейчас можно сказать, что введенный в Правила РС коэффициент, учитывающий долю вертикальных ускорений (), имеет под собой довольно слабое обоснование.

Вклад бортовой качки в общий баланс горизонтальных ускорений для обычных случаев нагрузки (метацентрическая высота до 2 м) составляет 15-20%, причем сами ускорения составляют 0,15-0,20g, но при больших метацентрических высотах он может достигать 60% и суммарные ускорения значительно превосходят допустимые для горизонтальных ускорений .

При движении судов вразрез волнам амплитудные значения ускорений на носовом перпендикуляре оказываются несколько больше, чем на кормовом, что связано, вероятно, с большей полнотой кормовой оконечности судов и смешением ЦТ площади ватерлинии в корму.

Необходимо отметить значительное влияние на ускорения величины скорости хода судна. Линейные вертикальные ускорения в условиях «мертвой зыби» могут достигать 0,8g при скорости V = 10 узлов.

Анализ результатов тестовых расчетов и ситуации с критериальными оценками линейных ускорений приводит к следующим выводам:

1. амплитуды бортовой качки судна смешанного плавания и транспортного судна при близких B/T и практически не отличаются друг от друга, в то время как в Правилах РС амплитуды бортовой качки судов смешанного плавания больше на 30-60%;
2. расчеты вертикальных ускорений показали, что вклад бортовой и вертикальной качки в ускорения фиксированной точки (например, угла палубы у борта) может быть различным. Чаще всего доля ускорений от вертикальной качки больше, чем доля ускорений от бортовой качки, и только в тех случаях, когда резонансы бортовой и вертикальной качки близки, эти доли примерно равны. Вместе с тем в Правилах РС предполагается, что основные ускорения возникают от бортовой качки, а на вертикальную качку вводится поправочный коэффициент . В дальнейшем этот коэффициент необходимо будет откорректировать, но поскольку опыт многолетней эксплуатации показал, что удовлетворение критерию ускорений в ныне существующей форме не приводит к отрицательным последствиям, этот критерий можно в настоящее время не корректировать.;
3. расчеты горизонтальных ускорений показали, что они могут быть значительными и могут превосходить предлагаемые рядом авторов ограничения = 0,2g;
4. основной вклад в вертикальные ускорения на носовом перпендикуляре при движении судна вразрез волне вносит килевая качка (до 80%), а вклад вертикальной качки горазда меньше (до 20%);
5. на вертикальные ускорения при продольной качке судна существенно влияет скорость хода.

Имея в виду совершенствование нормативов по линейным ускорениям при качке судов, необходимо отметить, что могут быть предельными (из соображений обитаемости и т.д.) не только вертикальные ускорения на борту судна, но и горизонтальные на борту или в какой либо другой точке (капитанский мостик, жилые палубы и т.д.) при поперечной качке.

В четвертой главе выполнена разработка методики формирование эксплуатационных ограничений по условиям общей и местной прочности морских судов. Ведены частные показателями прочности корпуса на волнении, основанные на выполнении отдельных условий: общей продольной прочности корпуса судна на волнении; местной прочности корпуса при воздействии волн (слеминг); прочности фундаментов главных и вспомогательных механизмов. Производится выбор диапазона внешних факторов, которые включаются в состав регламентирующих. Рассматриваются методы силового анализа взаимодействия судна с волнением.

Показатели общей прочности корпуса судна

Движение судна при курсовых углах значительно отличающихся от 0° и 180° вызывает не только изгиб корпуса в вертикальной плоскости но и его кручение. Традиционно отечественные и зарубежные исследователи предпочитают анализировать напряженно-деформированное состояние корпуса в целом под действием волновых нагрузок с помощью одномерной модели – балки, которая подвергается изгибному деформированию в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а так же деформациям скручивания. Такое положение можно объяснить широким применением балочных моделей в технике.

Публикации зарубежных классификационных обществ позволяет сделать вывод о последовательном отказе от балочной модели при анализе общей продольной прочности. Учет комплексности поведения корпуса судна на волнении возможно с помощью исследований в следующих направлениях:

Совместное решение задач анализа напряженно-деформированного состояния корпуса с помощью трехмерных моделей судового корпуса и задачи динамического поведения судна на волнении (задача динамики судна). Результат решения задачи динамики корабля целесообразно представлять в виде зависимости давлений по смоченной поверхности от времени и аналогичной зависимости шести компонент вектора ускорений от времени;

Применение для анализа напряженно – деформированного состояния трехмерных конечно – элементных моделей.

Конечным количественным результатом оценки общей продольной прочности на волнении заданной интенсивности является полярная диаграмма безопасных режимов движения в координатах - курсовой угол относительно направления бега волн, v - скорость движения судна. Режим движения считается допустимым, если выполняется условие прочности max доп.

Используемый критерий представляет собой статический критерий прочности по эквивалентным напряжениям Губера-Мизеса, получаемым при использовании трехмерной модели конечно-элементной корпуса с нагрузками, полученными в рамках работ, приведенных в главе 2 (гидродинамические волновые давления на корпус с учетом нелинейности).

Оценка достоверности применяемого подхода проводилась по результатам испытаний в ноябре 2004 года судна смешанного плавания СТК 1031. Судно СТК-1031 предоставленное для испытаний судовладельцем АО «ВОЛГА-НЕВА» является одним из серийно строившихся судов смешанного плавания.

Показатели местной прочности конструкций

Показатели местной прочности конструкций корпуса при слеминге

Повреждаемость конструкций при слеминге довольно высока. По оценкам Н.В. Барабанова, доли повреждений конструкций носовой оконечности по признаку причины их вызывающей, могут распределиться следующим образом:

• слеминг – 40% от всего объема повреждений;
• ледовое воздействие - 5% от всего объема повреждений;
• совместное воздействие слеминга, ледяного покрова, посадки на грунт (т.е. причины не установлены) - 55% от всего объема повреждений.

По предложению представителей дальневосточной судостроительной школы можно использовать следующий показатель склонности судна к слемингу

, (24)

где - число Фруда, v - скорость судна;

L - длина судна между перпендикулярами, g - ускорение свободного падения;

- продольный радиус инерции масс судна, I0 - собственный момент инерции масс судна относительно поперечной оси, M - масса судна;

Tн - осадка носом.

В рамках работы выполнены натурные измерения реакции корпусной конструкции носовой оконечности были проведены на пароме «Георг ОТС» в ноябре 2005 г на линии Санкт-Петербург – Калининград - Санкт-Петербург. Сопоставление результатов измерений с теоретическими расчетными моделями давления при слеминге проводилось по следующей схеме:

1. интегрирование показаний датчиков ускорения позволяло вычислять скорости соударения, включая вектор скорости, нормальный к наружной обшивке в районе установки тензодатчиков;
2. тарировочные коэффициенты тензодатчиков позволяли восстанавливать суммарную нагрузку на шпангоут;
3. по значениям суммарной нагрузки и геометрии носовой части судна вычислялось среднее давление при слеминге;
4. определялась по критерию невязки с результатами измерений наилучшая модель прогнозирования гидродинамических давлений.

Общая структура большинства моделей расчета давлений при слеминге следующая:

, (25)

где - плотность воды;

V – нормальная скорость соударения поверхности корпуса с волновой поверхностью и находящаяся в диапазоне 3 – 12 м/сек для водоизмещающих судов;

k – коэффициент, зависящий, в общем случае, от параметров формы корпуса, и размерений судна.

По результатам измерений наилучшее приближение дал коэффициент

, (26)

где относительное положение района по ширине судна;

;

- угол наклона шпангоута;

k() – функция, получаемая экспериментальным путем.

Полученная модель давлений при слеминге позволила построить круговую диаграмму безопасных скоростей при слеминге в зависимости от скорости движения судна и курсового угла относительно волнения по критерию местной прочности бортовых конструкций при условии max,sдоп (max,s - максимальные напряжения от слеминга, доп -допускаемые напряжения).

Локальная прочность конструкций по действием инерционных нагрузок, вызванных качкой судна

Третий вид нагрузок, который необходимо учитывать в качестве частного критерия при взаимодействии судна с волнением – инерция при качке тяжелого оборудования и груза, передаваемая на фундаменты и конструкции, ограничивающие грузовые помещения, балластные танки, цистерны жидких запасов. Дополнительная инерционная нагрузка на конструкцию может быть определена так

. (27)

Здесь - массовая характеристика оборудования, груза, запасов или балласта (масса, момент инерции масс, плотность и т.д.);

- линейное или угловое ускорение соответствующего направления.

Условие локальной прочности фундаментов под действием ускорений при качки

max,f доп,, (28)

где max,f - максимальные напряжения в конструкции фундамента под действием ускорений при заданных, v и h3%.

Долгосрочные эксплуатационные показатели прочности

В последнее время существенно возрастает интерес к долговременной количественной (формальной) оценке безопасности эксплуатации судов, выражающейся в конечном итоге в определении степени риска ее неблагоприятных проявлений, приносящих моральный и экономический ущерб. В связи с практической невозможностью обеспечения абсолютных гарантий полной безопасности эксплуатации любых транспортных средств, в том числе и судов, возникает задача оценки допустимой, оптимальной - экономически оправданной меры риска отказов надежности функционирования различных компонентов сложных технических систем, которые представляют собой современные суда.

Долгосрочные показатели общей прочности подразумевают оценку усталостной прочности отдельных узлов судового корпуса. Отсутствие усталостных трещин с ошибкой в безопасную сторону возможно при выполнении условия:

max,0 -1, (29)

где -1 - предел выносливости судокорпусной стали, max,0 - максимальные напряжения в узле, которые можно оценить, зная коэффициент концентрации напряжений в узле. Обычно коэффициент концентрации в узлах получают в предположении отсутствия кручения и нагружения узла только продольными усилиями. При наличии кручения необходимо ввести зависимость max0, от не только от продольных номинальных напряжений, но и от касательных напряжений, возникающих, при кручении. Таким образом коэффициент концентрации становится функцией нагружения узла. Автор предлагает проводить расчет коэффициента концентрации для узлов, которые по опыту эксплуатации наиболее подвержены появлению усталостных трещин по следующему алгоритму:

Генерируется конечно-элементная модель узла. Для большей оперативности разработки документа по назначению судоводителю безопасных режимов движения целесообразно создать библиотеку параметрических моделей конечно-элементных моделей узлов. За основной силовой фактор при оценке коэффициента концентрации принимаются общие продольные усилия. Усилия, вызванные кручением кр описываются в долях от продольных усилий кр = R.

В заключении четвертой главы сформированная модель примененена к практическим задачам оптимизации запасов прочности.

Пятая глава посвящена разработке комплексной нормативной базы Российского регистра по эксплуатационным ограничениям судов из условий мореходности и прочности.

Эксплуатационные ограничения из условий мореходности.

Требуется оценить запас мореходности судна как интегральную характеристику, обеспечивающую его безаварийное функционирование на режимах штормового плавания при всех состояниях погоды до определенного ограничения по интенсивности ветра и волн. Нарушение установленных Регистром ограничений эксплуатации судна по погоде понимается при этом как ситуация, когда нет возможности сохранить контроль режимов штормового плавания и судно вынуждено переходить к штормованию.

Для такой оценки автором предлагается подход, основанный на использовании показателя Fs в качестве функции распределения вероятности благоприятных (безопасных) режимов штормового плавания судна при удовлетворении всем основным критериям остойчивости для рассматриваемого варианта нагрузки. В качестве основного в данной работе (первая схема) принимается показатель Ms:

, (30)

где - допускаемое значение высоты волн, м;

- нормативное значение высоты волн, м.

Показатель Ms имеет смысл относительного интегрального значения вероятности благоприятных (безопасных) режимов штормового плавания на волнении всех интенсивностей в диапазоне 0 .

В соответствии с предложением автора, нормирование базируется на условии равной безопасности по показателю Ms для неограниченных и ограниченных по погоде условий эксплуатации судов различных категорий. Принципиальная схема показана на рис. 3.

Рис. 3 Принципиальная схема нормирования по показателю Ms

Исходя из назначаемой нормативной высоты волн , для условий неограниченного плавания определяется значение . Нормативная величина рассчитывается в данной работе путем осреднения для ряда судов неограниченной категории плавания, имеющих положительную характеристику мореходности по опыту их эксплуатации. Допустимая величина при ограничении эксплуатации судна по погоде определяется исходя из критерия:

. (31)

Величины Ms и рассчитываются для конкретных условий погоды. При этом определяется для условий Северной Атлантики.

Согласно подходу Регистра, верхним пределом допускаемого значения высоты волнения для судов ограниченных категорий по погоде считается = 8.5 м. При этом значении h3% для нормативных условий прибрежного плавания в Северной Атлантике в зимний сезон получим величину обеспеченности Рс = 1 - F () = 0.07. Принимая обеспеченность Рс = 0.07 в качестве нормативной при всех условий плавания, имеем для судов неограниченной категории плавания соответствующую величину = 10.2 м при наиболее тяжелых условиях плавания зимой в Северной Атлантике. На этом основании принимается высота волны = 10.0 м.

Величина определяется для сезонных условий погоды в районах эксплуатации судна, имеющих ограничения по погоде при рассматриваемом варианте его загрузки. Этот достаточно простой подход может отразить влияние индивидуальных параметров судна, условия его загрузки (посадки и остойчивости), района и сезона плавания. Таким образом, расчетная схема может быть использована для количественного обоснования решений о назначении ограничений по погоде. Очевидно, что нормативные значения должны быть обобщены на базе представленных статистических данных по судам неограниченной категории плавания.

Альтернативная схема нормирования, по мнению автора, может быть построена, если использовать показатель (вторая схема нормирования):

. (32)

Этот показатель представляет собой относительную величину интегральной вероятности благоприятных режимов штормового плавания по отношению ко всем возможным режимам для волнения с высотой в диапазоне от 0 до . Допускаемая величина высоты волн при ограничении эксплуатации судна по погоде определяется по критерию:

, (33)

где

. (34)

Результаты расчетов, проведенных по этой схеме, близки к полученным по первой схеме.

Может быть предложена и третья схема нормирования с использованием несколько иного подхода к нормативной общей оценке мореходности судна. При этом можно применить показатели, полученные выше. Оценка производится по показателю , характеризующему неблагоприятные условия плавания при некоторой заданной обеспеченности Pc для величины

, (35)

где

. (36)

Допускаемая высота волн при ограничении эксплуатации судна по погоде определяется по критерию:

. (37)

Схема расчета следующая:

• задаются нормативы величин и , например, = 7 %, = 0.90. Это означает, что допускается не более, чем 7%-ая вероятность превышения величиной нормативной величины =0.90.
• для данного района океана и сезона года при определяется и затем для данного судна и варианта его загрузки определяется соответствующая величина .
• если < = 0.90, то условия по считаются допустимыми, и судно не получает ограничений по погоде.
• если > , то должны быть введены ограничения по погоде, исходя из величины , соответствующей = 0.90.

Нормативные значения и в предлагаемой автором расчетной схеме должны быть подобраны на основе расчетов по представленной базе данных для судов, имеющих положительный опыт эксплуатации.

Изложенная третья схема нормирования аналогична применяемой в расчетном методе определения надводного борта судов по условиям заливания палубы на волнении, разработанным в ИМО при подготовке концепции по грузовой марке ICLL-2003.

Апробация разработанных показателей и критериев была выполнена автором в рамках данной работы путем их расчетного анализа для судов неограниченной и ограниченных категорий плавания. База данных по судам ограниченных категорий была составлена автором, в основном, на основе данных представлена Регистром и включает суда пяти типов. Для сопоставления с судами неограниченной категории по погоде были выбраны три типа судна, близкие по размерам и характеристикам к судам ограниченных категорий, т.е. суда небольших размеров (длиной около 100 м) с достаточной, но относительно невысокой мореходностью.

При этом можно констатировать следующее.

Нормирование по первой схеме дает достаточно детальную информацию по допускаемым значениям . Оказывается, что может быть установлено такое общее для всех судов значение норматива , при котором критерий удовлетворяется при реальных ограничениях по погоде.

Нормирование по второй схеме приводит в целом к аналогичным выводам, однако в этом случае не удается образовать единый норматив по , при котором получились бы логичные результаты по допускаемым величинам . Определение критерия в форме (32) имеет, казалось бы, преимущество по физическому смыслу, однако, по результатам количественного анализа этот подход при общей правильной тенденции проигрывает по сравнению с первым в отношении получения детальной информации о реальных соотношениях между величинами для судов различных типов.

Нормирование по третьей схеме базируется на анализе общего показателя на определенном нормативом уровне с нормативной обеспеченностью . Как было установлено, принятому в Правилах Регистра подходу к классификации судов по категориям плавания соответствует нормативная величина = 0,07. Для автором был выполнен анализ с различным уровнем в диапазоне 0,70,9. Результаты анализа свидетельствуют о согласованности нормирования по третьей схеме с нормированием по первой и с принятой практикой назначения эксплуатационных ограничений. Однако при этом имеется, возможность более дифференцированного подхода. Например, для некоторых судов можно смягчить требования при эксплуатации в летний сезон в некоторых морях. Уровень этих послаблений, которые можно оценить, сопоставляя результаты расчетов по первой и третьей схеме..

Результаты апробации методики на базе количественного расчетного анализа дают основание считать, что предлагаемый в данной работе подход к определению дополнительного общего критерия оценки ограничений эксплуатации судов по погоде из условий обеспечения надлежащей мореходности может быть использован для совершенствования нормативных требований Регистра.

Алгоритм построения эксплуатационных ограничений параметров движения судна на волнении из условий прочности.

В предыдущих разделах настоящей главы подробно рассмотрены примеры применения разработанного подхода к формированию ограничений по критерию остойчивости судна при плавании на волнении. Выбор безопасных режимов движения осуществляется судоводителем с помощью изменения курса относительно направления волненя и поддержанием скорости в диапазоне от минимальной для обеспечения управляемости до безопасной. При этом максимальная безопасная скорость есть функция курсового угла относительно волнения.

Изложенные в главе 4 диссертационной работы принципы обеспечения и нормирования прочности во время эксплуатации путем контроля (регулирования) режимов движения позволяет сформировать формальный алгоритм генерации эксплуатационных ограничений для заданного судна.

Исходными данными для процедуры формирования эксплуатационных ограничений по условиям прочности являются:

• вся информация о конструкции корпуса судна, представляемая в виде таких документов как теоретический чертеж корпуса, чертежи общего расположения, конструктивные поперечные сечения, продольные разрезы, растяжка наружной обшивки;
• информация о текущем износе конструктивных элементов в виде таблиц результатов измерения толщин, растяжки наружной обшивки с текущими толщинами листов;
• характеристики материала корпуса для каждого конструктивного района. Поскольку все расчеты ведутся в упругой области, то достаточно таких характеристик как модуль Юнга, коэффициент Пуассона, предел текучести материала.

Алгоритм построения эксплуатационных ограничений базируется на последовательном переборе значений курсовых углов и скоростей v. Диапазон изменений от 0 до 180. Диапазон изменений v от 0 до vmax, где vmax - максимальная скорость судна на тихой воде при 100% мощности главной энергетической установки. Рекомендуется диапазон разделить равномерно на 5 – 8 промежутков. Диапазон v делится равномерно на 4 – 5 промежутков. Такая сетка позволяет с достаточной для эксплуатации точностью аппроксимировать результаты анализа.

Последовательность анализа следующая:

1. для каждого v и необходимо получить статистические значения линейных и угловых ускорений ai, i по каждой из координатных осей для заданной балльности волнения, что является результатом подходов, изложенных в предыдущих главах;
2. для каждого v и рассчитывается давление при слеминге с учетом статистических параметров ускорений по выбранной физической модели слеминга для каждого конструктивного района. Полученные максимальные давления слеминга ps,max сравниваются с давлением несущей способности pbr пластин наружной обшивки. Если максимальные напряжения в пластине меньше допускаемых, то такой режим считается безопасным по условиям слеминга;
3. для каждого v и, соответствующих ускорений рассчитываются напряжения в конструкциях фундамента. Если максимальные напряжения в фундаменте меньше допускаемых, то такой режим движения для заданной балльности волнения считается безопасным по условиям прочности фундаментов;
4. для каждого v и рассчитывается трехмерное распределение давлений на смоченную поверхность корпуса при равновесном положении. Рассчитывается напряженно-деформированное состояние корпусных конструкций. Для узлов корпусных конструкций по предварительно определяемым коэффициентам концентрации в координатах номинальные нормальные – номинальные касательные напряжения определяются напряжения в концентраторах узлов. Если напряжения в концентраторах меньше предела выносливости материала, то такой режим считается безопасным по условиям общей прочности судна;
5. проводится построение диаграммы безопасных режимов движения по условиям прочности при слеминге, прочности фундаментов, общей прочности судна;
6. результирующей диаграммой безопасных режимов движения по условиям прочности является огибающая снизу (по минимальным значениям) диаграмм безопасных режимов по условиям слеминга, прочности фундаментов и общей прочности корпуса.

В любом случае, для верификации подхода необходима комплексное расчетное и экспериментальное обоснование методики. Оптимальным объектом для верификации являются суда, работающие на паромных переправах дальностью около 500 миль. Конструкция и особенности таких судов известны, их загрузка меняется в ограниченном диапазоне, маршрут проходит через районы с известными ветро - волновыми режимами.

Рассмотрим более подробно определение критерия ограничений по погоде при наличии слеминга.

Выбор безопасных режимов движения осуществляется судоводителем с помощью изменения курса относительно направления волнения и поддержанием скорости в диапазоне от минимальной для обеспечения управляемости до безопасной. При этом максимальная безопасная скорость есть функция курсового угла относительно волнения.

Настоящий раздел призван детализировать разработанные подходы на примере практического формирования эксплуатационных ограничений. В качестве анализируемого выбран паром «Георг Отс». Форма шпангоутов в носовой оконечности имеет дугообразную форму, что связано с необходимостью максимизировать площади носовых палуб и платформ при острой подводной части носовой оконечности, обеспечивающей заданную скорость хода.

Определение безопасных режимов движения по критериям прочности – это всегда определение баланса между несущей способностью конструкции и действующими эксплуатационными нагрузками. Несущая способность конструкции, воспринимающей локальные нагрузки, зависит не только от прочных размеров конструкции (толщин листов, шпации, размеров набора), но и от геометрии и топологии конструкции (кривизна, положение опорных конструкций). Целесообразно разработать алгоритм сопоставления несущей способности конструкций и действующих нагрузок, аналогичный алгоритму создания «ледового паспорта».

С этой целью необходимо выполнить следующие условия:

• формирование (представление) несущей способности конструкции в терминах внешних нагрузок;
• определение критерия отказа конструкций, который в рассматриваемой задаче более корректно называть критерием безопасности. Критерий безопасности – формальный признак напряженно-деформированного состояния, при выполнении которого конструкция считается надежно работающей;
• разработка процедуры построения характеристик несущей способности в зависимости от района судового корпуса;
• разработка процедуры построения зависимостей параметров локальных нагрузок от характеристик движения судна (скорость и курсовой угол) и внешних условий (балльность волнения);
• разработка процедуры сопоставления параметров нагрузок и несущей способности конструкции, результатом которой является диаграмма безопасных режимов движения.

Основной параметр нагрузки при слеминге – гидродинамическое давление, в общем случае выражаемое как:

, (38)

где - плотность морской воды;

v - cкорость соударения воды и корпуса, нормальная к наружной обшивке судна;

k – коэффициент давления слеминга.

Таким образом, для описания несущей способности конструкции достаточно при заданной ватерлинии использовать один параметр – гидродинамическое давление. Измерения реакции конструкции во время слеминга показывают, что длительность фронта возрастания нагрузки около 1 сек. Частота собственных колебаний основных конструктивных элементов (листы и балки набора) находится в диапазоне от десятков до сотен гц. Следовательно, динамические эффекты при анализе прочности конструкции можно не учитывать.

Отдельного обсуждения, как сказано выше, заслуживает проблема выбора критерия прочности, который определяет безопасный для конструкции эксплуатационный режим. Возможно активно использовать ряд критериев прочности.

1. Критерий текучести.

Он подразумевает, что опасным состоянием является появление в ограниченной зоне конструкции напряжений текучести

,

где max - максимальные напряжения в конструкции;

y - предел текучести материала.

2. Критерий ограниченных пластических деформаций.

Обычно применяется при необходимости определить состояние повреждения после воздействия нагрузки

,

где pl - остаточная пластическая деформация в конструктивных элементах;

lim - лимитирующее значение пластических деформаций, зависящее от свойств судокорпусного материала и нормативов на дефектацию конструкции во время эксплуатации.

3. Критерий разрушения конструкций.

Он означает, что материал конструкции под действием внешних сил теряет сплошность.

В работе не рассматриваются критерии отказа при длительной эксплуатации: усталостный критерий, а также критерий, учитывающий накопление остаточных пластических деформаций.

По мнению автора, в качестве критерия прочности, ограничивающего режимы движения на волнении судна, корпус которого подвержен слемингу, необходимо выбрать критерий текучести, что дает определенный запас в безопасную сторону с гарантией отсутствия эксплуатационных повреждений.

После выбора критерия прочности необходимо сформировать процедуру определения несущей способности конструкции. В консервативном варианте оценки несущей способности целесообразно разделить конструкцию на пластины и балки. Такой подход традиционно использовался при разработке ледового паспорта вплоть до широкого использования метода конечных элементов. В любом случае, применяемый метод анализа наряжено-деформированного состояния конструкции (НДС) не влияет на общую последовательность процедуры назначения безопасных режимов эксплуатации судна на волнении по условиям прочности. Процедура анализа НДС для балок базируется на использовании теории изгиба балок. Результатом анализа является давление py, которое определяется как минимальное из py,1 – давления, вызывающего максимальные напряжения в наборе, равные пределу текучести материала, и py,2 – давления, вызывающего в листах бортовой обшивки напряжения, равные пределу текучести, т.е. .

Процедура определения py проводится для каждого выбранного района носовой оконечности.

Алгоритм определения внешних нагрузок для предписанного района судна базируется на кинематике взаимодействия корпуса судна и волновой поверхности. В соответствии с зависимостью, определяющей гидродинамическое давление слеминга, необходимо вычислить проекцию скорости соударения vn на нормаль к ватерлинии. Из геометрических соображений

, (39)

где

vс - скорость судна;

vв - скорость бега волн;

- угол наклона ватерлинии к диаметральной плоскости в анализируемо районе борта;

- курсовой угол судна относительно волнения.

Последний шаг процедуры - определение безопасной скорости движения vs - может быть в данном случае сведен к решению уравнения относительно скорости движения судна

. (40)

Решение, получаемое аналитически, выглядит следующим образом:

. (41)

Безопасная скорость vбезоп для корпуса в целом выбирается в зависимости от курсового угла как минимальная безопасная для всех районов корпуса

, (42)

где i –номер конструктивного района.

Результаты оценки безопасной эксплуатационной скорости по критерию локальной прочности корпусных конструкций могут быть в общем случае уточнены с помощью следующих методов:

1. прямые численные расчеты гидродинамических давлений при слеминге с учетом особенностей формы носовой оконечности, кинематики волнения и специфики района эксплуатации (соотношение длины, высоты и периода волн). Расчетные численные процедуры должны быть экспериментально верифицированы.
2. численный анализ напряженно-деформированного состояния конструкции, позволяющий оценивать не только нагрузки текучести, но и объем прогнозируемых повреждений, т. е. появление остаточных пластических деформаций определенного уровня.

Использование таких численных процедур позволит ввести наряду с понятием безопасной скорости (конструкция работает только в области упругого деформирования) понятие опасной скорости, превышение которой приводит к появлению повреждений конструктивных элементов.

В главе 4 изложен общий подход к регламентации режимов движения на волнении по условиям общей продольной прочности. Основной тип массовых повреждений корпусных конструкций при движении судна на волнении – развитие усталостных трещин в узлах корпусных конструкций.

Вероятность появления усталостных трещин зависит от следующих факторов:

• уровень номинальных напряжений в корпусных конструкциях при движении судна на волнении. В свою очередь, уровень номинальных напряжений зависит от формы корпуса, параметров волнения и весовой нагрузки судна;
• качество проектирования узлов в районах вероятного появления усталостных трещин, целью которого является снижение концентрации напряжений в таких узлах;
• количество и интенсивность циклов нагружения во время эксплуатации.

Критерием обеспечения усталостной прочности может служить неравенство:

ном kк -1, (43)

где ном - номинальные напряжения от общей деформации корпуса в рассматриваемом конструктивном районе;

kк – коэффициент концентрации напряжений в узлах рассматриваемого района;

-1 – предел усталости судокорпусного материала.

Критерий может быть записан в виде:

ном -1/kк. (44)

Как показывает опыт эксплуатации, усталостные трещины развиваются прежде всего в сварных швах. По этой причине и коэффициент концентрации напряжений и предел усталости необходимо назначать для сварных соединений. Повысит усталостную долговечнсть сварных швов можно с помощью:

• процедуры поверхностного пластического деформирования (ППД);
• термообработки.

Кривые усталости N() для различных узлов приведены в рекомендациях DNV, которые классифицируют узлы по признаку типа кривой усталости следующим образом:

• конструкции, работающие на воздухе;
• конструкции, имеющие протекторную защиту и работающие в морской воде;
• конструкции, работающие в морской воде в условиях естественной коррозии.

Значения -1 для всех трех случаев определяются по соответствующим кривым усталости на базе 107 циклов. Коэффициенты концентрации kк лежат в пределах от 2 до 5 и могут быть с ошибкой в безопасную сторону приняты по максимальному значению.

Как было отмечено в главе 4, анализ обще продольной прочности корпуса в отечественной практике принято проводить с использованием балочных моделей, нагруженных распределенными вертикальными, горизонтальными силами и скручивающими моментами. Зависимости, позволяющие перейти от распределения давлений по смоченной поверхности к распределенным линейным нагрузкам так же приведены в главе 4. К недостаткам такого подхода следует отнести:

• физическую условность расчетных моделей, а именно, разделение общей картины деформирования на вертикальный изгиб, горизонтальный изгиб и кручение;
• трудоемкость вычислений;
• необходимость проведения процедуры суммирования напряжений от вертикального, горизонтального изгибов и кручения корпуса;

В настоящей работе для анализа общей прочности корпуса на волнении используется конечно-элементная модель корпуса в целом, что является относительно новым подходом для отечественной практики.

Весовая нагрузка (полезный груз, масса главных и вспомогательных двигателей, запасы топлива и воды) учитываются массами, сосредоточенными в узлах сетки соответствующего конструктивного района. Масса корпусных конструкций моделируется через приведенные толщины и плотность судокорпусной стали. Вдоль вертикальной оси задается гравитация ускорением свободного падения. Нагрузки на наружную обшивку (давление на смоченную поверхность) определялись из статического положения судна относительно синусоидальной волны заданных параметров hв и Lв при заданном курсовом угле судна относительно направления бега волн.

Давление p(x,y,z) на смоченную поверхность рассчитывается по следующим зависимостям:

zв=±hв/2 cos(2 xв/Lв) ;

xв=x cos - y sin ; (45)

p=y (zв-z) ,

где hв и Lв – высота и длина волны;

x, y, z – координаты точки наружной обшивки в корабельной системе координат;

xв, zв – координаты волнового профиля в системе координат синусоидальной волны. Знак «-» в первом уравнении соответствует положению на подошве волны, знак «+» - положению на вершине волны.

Предполагается, что для появления и развитие усталостных трещин наиболее опасны напряжения, ориентированные вдоль сварного шва. При этом размах напряжений:

ном = xВВ - xПВ	для продольных сварных швов;
ном = yВВ - yПВ	для поперечных сварных швов.

С учетом концентрации напряжений в сварных швах конструктивных узлов для безопасной эксплуатации необходимо выполнение неравенства ном kк -1.

По различным источникам -1 =40 150 Мпа и зависит, как отмечалось выше, от геометрии конструктивного узла и способа обработки шва. Приведенный алгоритм позволил построить зависимость размахов напряжений для сварного шва определённой направленности от курсового угла и высоты волны (высота волны соответствует бальности волнения). Результирующие графики показаны на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость номинальных напряжений в узле

конструкции палубного перекрытия от курсового угла и высоты волны (1 – 2.5м, 2 – 3.0м, 3 – 6.0м, 4 – 8.0м)

Задаваясь уровнем допустимых размахов напряжений -1 можно построить диаграмму безопасных режимов движения судна (рис. 5) при заданных параметрах загрузки в координатах высота волны (бальность волнения) – курсовой угол. Область 1 рис. 5 ограничивает допустимую комбинацию высоты волны – курсовой угол по условиям усталостной прочности. Область 2 представляет собой опасное сочетание параметров движения. Горизонтальный участок диаграммы определяет зону, где возможно безопасное плавание с любым курсовым углом при соответствующей или меньшей высоте волны.

а)
б)

Рис. 5. Диаграмма безопасных режимов движения по условиям усталостной прочности: а) декартовы координаты высота волны курсовой угол, б) полярные координаты высота волны курсовой угол

Рис. 6. Объединенная диаграмма безопасных режимов движения по условиям мореходности и прочности; безопасная зона - ; опасная зона -.

Построение обобщенных эксплуатационных ограничений параметров движения судна на волнении из условий мореходности и прочности.

Совокупность диаграмм (диаграммы движения из условий мореходности, диаграммы движения по условию прочности бортовых перекрытий носовой оконечности при воздействии слеминга, диаграмма безопасных параметров движения по условиям прочности и усталостной прочности отдельных конструктивных узлов) представляет собой основу руководства судоводителю. Диаграммы должны быть построены в осях курс – скорость. Пример такой обобщенной диаграммы приведен на рис. 6.

Такой документ может быть определён как «Свидетельство о безопасных режимах эксплуатации судна на морском волнении». «Свидетельство…» должно представлять собой комплексный документ, содержащий рекомендации судоводителю по выбору такого сочетания курсового угла и скорости движения в наблюдаемых условиях моря, которые безопасны по условиям мореходности и прочности. При этом рекомендации должны быть сформированы с ошибкой в безопасную сторону, что естественно при использовании их судоводителем.

В ходе работы над диссертацией автором были применены предлагаемые методы назначения эксплуатационных ограничений на практике.

На основании выполненного в 1998 году для т/х «Бурлак» расчетного анализа мореходности, Регистром было принято решение о назначении данному судну ограниченного района плавания II. Эксплуатация судна в назначенном районе показала адекватность принятых решений реальным условиям эксплуатации.

С применением положений данной работы автором совместно с коллективом лаборатории мореходности ЦНИИМФ была также выполнена работа по назначению района плавания I судну лихтеровозу «Б. Полевой» при его использовании как контейнеровоза открытого типа. Результаты практической проверки также положительны.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В представленной диссертации получено научно обоснованное техническое решение имеющей практическое значение народно-хозяйственной задачи комплексного нормирования мореходности и прочности судов. Решение может быть использовано для совершенствования нормативных требований Российского морского Регистра судоходства (РС) и Морской администрации флага России (МА РФ). Предоставляет возможность разработки бортовой документации для капитана нового типа, позволяющей облегчить выбор безопасных режимов движения судна на волнении. Решение непосредственно влияет на повышение безопасности мореплавания, вносит существенный вклад в развитие экономики за счет более рационального учета опасных факторов при проектировании судов.

В диссертации получены следующие научные и прикладные результаты:

1. Разработаны теоретические основы, подход и методология определения дополнительного общего критерия мореходности и прочности при их комплексном нормировании для оценки эксплуатационных ограничений судов по погоде, которые могут быть использованы на практике для совершенствования нормативных документов РС и МА РФ;
2. Сформулированы на основе обзора требований различных классификационных обществ ограничения судам по волнению, районам плавания из условий остойчивости, мореходности и прочности, послужившие постановке в диссертации задачи разработки и исследования теоретических основ и методологии комплексного нормирования мореходности и прочности;
3. Разработаны методики комплексной нормативной оценки мореходности и прочности транспортных судов для назначения эксплуатационных ограничений;
4. Предложена номенклатура критериев мореходности и прочности, определены их нормативные уровни с учетом современного состояния методов количественной оценки, а также разработаны методические положения расчета характеристик мореходности и прочности судов;
5. Проведены расчетные оценки мореходности и прочности судов, включающие расчеты частных показателей мореходности и прочности, обобщение данных о долговременных волновых режимных характеристиках, используемых для оценки показателей, определение краткосрочных показателей мореходности и прочности, и долговременных общих показателей мореходности и прочности. Основные теоретические положения и исходные допущения характеризуются непротиворечивостью, подтверждены данными статистики, подтверждены модельными и натурными экспериментами, существующей практикой эксплуатации судов ограниченной и неограниченной категории плавания. Расчетные методы проверялись систематическими расчетами для судов, находящихся в эксплуатации;
6. Предложены на основе анализа результатов расчетной оценки мореходности и прочности судов подходы и методология определения дополнительного комплексного критерия ограничения по погоде из условий мореходности и прочности. Разработки в части нормативных показателей мореходности и прочности базируются на проверенных автором методах вероятностного анализа характеристик судна в условиях ветра и нерегулярного морского волнения и охватывают определение и нормирование частных краткосрочных критериев для стационарного шторма, оценку показателей суммарного эффекта по всем частным критериям, расчет общих долговременных показателей с учетом режимной ветро-волновой статистики по климатическим зонам, возможные подходы к нормированию этих показателей;
7. Разработана и апробирована методология назначения ограничений по районам и сезонам плавания на базе комплексного подхода к нормированию мореходности и прочности, основанная на принципе равной безопасности для неограниченных и ограниченных по погоде условий эксплуатации судов различных категорий. Нормативная величина долговременных показателей мореходности и прочности на волнении в диапазоне высот волн до допускаемой высоты волны 3% обеспеченности определяется, исходя из условий неограниченного плавания, путем осреднения для ряда судов, имеющих положительную характеристику мореходности по опыту их эксплуатации.
8. Сформированы формат и состав дополнения к «Ин­формации об остойчивости и прочности для капитана» в виде «Свидетельства о мореходности судна (свидетельства о безопасных режимах эксплуатации судна на морском волнении)». Свидетельство предлагается как в виде печатного документа, так и в форме более удобных программных модулей для бортового компьютера. Разработано программное обеспечение двух уровней: первого уровня - комплекс независимых программ расчета мореходности и прочности для подготовки свидетельства, и программное обеспечение второго уровня - бортовое свидетельство о мореходности - позволяющее использовать всю информацию, наработанную при создании свидетельства о мореходности, и быстро преобразовывать ее к виду, удобному для оперативного восприятия судоводителем средней квалификации.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

Публикации в изданиях перечня ВАК РФ:

1. Евенко В.И., Кутейников М.А., Егоров Г.В. Эксплуатация судов в Каспийском море. Морской флот №6, М., 2003. с.26. (автор-55%);

2. Кутейников М.А. О подходе к назначению судам эксплуатационных ограничений. Основные направления развития движителей. Тр. ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. СПб, 2007, с.117-132. (автор-100%);

3. Кутейников М.А. Мореходность пассажирских судов: аварийность, состояние и перспективы дальнейшего совершенствования нормативной базы. Морской вестник №4, СПб, 2008, с.73-77. (автор-100%);

4. Кутейников М.А. Направления совершенствования требований к прочности судов смешанного района плавания. Судостроение №6, СПб, 2008, с.30-32. (автор-100%);

5. Кутейников М.А. Определение условий эксплуатации морских судов и технических объектов в заданных районах плавания. Научно-технические ведомости СПбГПУ №6, Спб, 2008, с.86-92. (автор-100%);

6. Кутейников М.А. Совершенствование требований к прочности судов смешанного плавания. Тр. ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. СПб, 2008, с.129-141. (автор-100%);

7. Кутейников М.А. Предельные параметры волнения и режимы движения судна по критериям прочности. Тр. ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. СПб, 2008, с.142-159. (автор-100%);

8. Кутейников М.А. Расчет эксплуатационных ограничений для судов. Морской флот №2, М., 2009, с.51-52. (автор-100%);

Прочие публикации:

9. Boitsov G.V., Lipis V.B, Kouteinikov V.F., Reiner R.L.. О специальных вопросах, связанных с обоснованием мореходных качеств и прочности судов ограниченного и смешанного река-море плавания (On specific Items Connected with Rationing of Seaworthy Qualities and Strength of Restricted and River-sea Navigation Ships). Proceeding of 8th International Congress IMAM, v.1, Istanbul, 1997, p.6.1.26-6.1.37. (автор-25%);
10. Kouteinikov M.A., Lipis V.B., Fishkis I.M. Об использовании компьютерной программы бортового контроля остойчивости и прочности (On use of the computer program for onboard stability and strength control). Proceeding of 8th International Congress IMAM, v.11, Istanbul, 1997, p. 6.2.38-6.2.46. (автор-35%);
11. Кутейников М.А., Липис В.Б. О методологии назначения эксплуатационных ограничений для транспортных судов по условиям мореходности в Правилах РС, Науч.-техн. сб., Российский морской регистр судоходства, Вып.20, 1997, стр. 76-83. (автор-65%);
12. Липис В.Б., Кутейников М.А., Петров А.А., Черейский И.З. О показателях заливаемости судов на волнении, Крыловские чтения: Тез. докл. науч.-техн. конф., СПб, 1997, стр. 139-140. (автор-40%);
13. Kouteinikov M.A., Lipis V.B Вопросы гармонизации требований Правил Российского морского Регистра судоходства и Кодекса ИМО по остойчивости (Questions of the Russian Maritime Register of Shipping Rules and IMO IS Code Stability Requirements Harmonization), ICS’98, СПБ, 1998, p. 436-442. (автор-55%);
14. Kouteinikov М.A., Lipis V.B, Ivanova L.M., Chereiskiy I.Z. О подходах к нормированию мореходности при развитии Правил Российского морского Регистра судоходства (On Approaches to Regulation of Ships’ Seaworthiness for the Russian Maritime Register of Shipping Rules Improvement), MARIND’98, Proc. of the second Int. Conf., V.1, Varna, Bulgaria, 1998, p. 133-143. (автор-55%);
15. Липис В.Б., Иванова Л.М., Кутейников М.А. Гармонизация требований Правил Регистра к остойчивости и мореходности транспортных судов с международными стандартами. Научно-техн. сб. Российский Морской Регистр Судоходства. 1999. Вып.22, с.98-112. (автор-45%);
16. Липис В.Б., Иванова Л.М., Кутейников М.А., Чалова О.А., Черейский И.З. О нормативных требованиях к остойчивости транспортных судов, Тез. докл. науч.-техн. конф., СПб, 1999, стр. 102-103. (автор-25%);
17. Karlinsky S.L., Kouteinikov М.А., Sukhanov I.Yu. Проектные критерии ледостойкой платформы с натяжными связями для Российского шельфа (Design Criteria of Ice-resistant tension Leg Platform for Russian Offshore), TEAM 2000, Vladivostok, Russia, 2000, p. 256-263. (автор-45%);
18. Kouteinikov M.A., Lipis V.B О показателях эксплуатационной мореходности (On Indices of Ships’ Operational Seaworthiness), STAB 2000, Launchestor, Australia, 2000, p. 176-189. (автор-65%);
19. Kouteinikov M.A., Lipis V.B Об анализе показателей эксплуатационной мореходности транспортных судов (On Analysis of Seakeeping Indices for Transport Ships), IMAM 2000, Ischia, Italy, 2000, p. 146-157. (автор-65%);
20. Дидковский А.В., Кутейников М.А. Новые ледовые Правила Российского морского регистра судоходства, ICETECH 2000, СПБ, 2000, стр. 48-57. (автор-25%);
21. Евенко В.И., Кутейников М.А., Дидковский А.В., Апполонов Е.М. Новые требования Правил Регистра 1999 г. издания к судам ледового плавания и ледоколам, Конф. по строительной механике корабля памяти профессора П. Ф. Папковича, СПб, 2000, стр. 32-41. (автор-40%);
22. Апполонов Е.М., Кудрин М.А., Кутейников М.А., Нестеров А.Б. Вероятностно-экономический анализ целесообразности повышения требований к размерам корпусных конструкций танкеров с целью снижения риска вылива нефти при типовых авариях, обусловленных навигационными ошибками. Научно-техн. сб. Российский Морской Регистр Судоходства. 2001. Вып.24, с.135-147. (автор-25%);
23. Дидковский А.В., Кутейников М.А., Максимаджи А.И. Влияние особенностей поперечного сечения корпуса на изменение его момента сопротивления при износе связей. Научно-техн. сб., Российский Морской Регистр Судоходства, 2001, Вып.24, с.148-154. (автор-50%);
24. Ярисов В.В., Кутейников М.А. Использование процедуры формальной
    оценки безопасности (FSA) при контроле остойчивости судов в различных
    условиях эксплуатации. ISC2002: Труды третьей международной конфе­-
    ренции по судостроению.- СПб: ЦНИИ им.акад. А.Н.Крылова.- Т.А.-стр.185. (автор-50%);
25. Karlinsky S.L., Kouteinikov М.А. Остойчивость платформы на натяжных связях при повреждении в ледовых условиях (Damage Stability of Tension Leg Platform in Ice Environment). Stability of Ships and Ocean Vehicles (STAB 2003), Proc. of 8th Int. Conference, Madrid, Spain, 2003, p. 141-150. (автор-65%);
26. Гаппоев М.А., Евенко В.И., Кутейников М.А. Современное состояние и перспективы развития российского морского паромного, пассажирского и круизного флота. Морская биржа №3(5), СПб, 2003, с.22-23. (автор-55%);
27. Гаппоев М.А., Евенко В.И., Кутейников М.А., Тихонов Г.С. Деятельность Российского Морского Регистра Судоходства в направлении развития и контроля программного обеспечения, применяемого при проектировании судов для выполнения расчетов прочности и мореходных качеств. НЕВА-2003, тезисы докладов конференции, СПб, 2003, с.24-26. (автор-45%);
28. Кулеш В.А., Кутейников М.А., Суров О.Э. Инновационные компьютерные технологии в управлении технической эксплуатации морских судов. Дальневосточный инновационный форум, материалы, Хабаровск, 2003, стр. 164-167. (автор-35%);
29. Кутейников М.А., Новиченко А.Н., Минин В.В., Петров Н.И., Симонов Ю.А., Труб М.С. Опыт работы Регистра по нормированию безопасности морских технических средств, используемых на арктическом шельфе. НЕВА-2003, тезисы докладов конференции, СПб, 2003, с.83-84. (автор-25%);
30. Борисов Р.В., Кутейников М.А., Лузянин А.А. Методика расчетной оценки собственного периода бортовой качки морских судов различных типов. Научно-техн. сб., Российский Морской Регистр Судоходства, 2004, Вып.27, с.51-65. (автор-45%);
31. Борисов Р.В., Кутейников М.А., Семенова В.Ю., Лузянин А.А. О проблеме нормирования ускорений при качке. Научно-техн. сб., Российский Морской Регистр Судоходства, 2004, Вып.27, с.40-50. (автор-25%);
32. Егоров Г.В., Козляков В.В., Кутейников М.А., Дидковский А.В. Определение предельной балльности волнения по критериям прочности для корпусов судов. Научно-техн. сб., Российский Морской Регистр Судоходства, 2004, Вып.27, с.75-88. (автор-35%);
33. Кутейников М.А., Дидковский А.В., Каганов С.Д., Тимофеев О.Я. Нормирование прочности корпусных конструкций при регламентации режимов движения судна на волнении. Научно-техн. сб., Российский Морской Регистр Судоходства, 2004, Вып.27, с.95-102. (автор-35%);
34. Бойцов Г.В., Кутейников М.А., Тимофеев О.Я. О резервах совершенствования требований к прочности судов ограниченного района плавания. Научно-техн. сб., Российский Морской Регистр Судоходства, 2005, Вып.28, с.94-106. (автор-30%);
35. Борисов Р.В., Кутейников М.А., Лузянин А.А. Корректировка методики нормирования остойчивости буксиров. Научно-техн. сб., Российский Морской Регистр Судоходства, 2005, Вып.28, с.55-78. (автор-35%);
36. Давыдов И.Ф., Егоров Г.В., Кутейников М.А. Определение предельной балльности ветра по критериям остойчивости при разовых переходах судов. Научно-техн. сб., Российский Морской Регистр Судоходства, 2005, Вып.28, с.79-93. (автор-40%);
37. Евенко В.И., Кутейников М.А., Гаппоев М.А. Анализ современного состояния и перспектив развития российского морского паромного, пассажирского и круизного флота. НЕВА-2005. Тезисы докладов конференции, СПб, 2005, с.26. (автор-45%);
38. Апполонов Е.М., Крыжевич Г.Б., Кутейников М.А. Регламентация гидродинамических нагрузок и прочности азимутальных пропульсивных систем и конструкций для их крепления на корпус судна. Конференция по строительной механике корабля памяти академика Ю.А. Шиманского. Тез.докл., СПб, 2006, с.5-6. (автор-30%);
39. Kouteinikov M., Zhivitsa S., Nemzer A., Sergeev V. Оценка остойчивости эскортного буксира при проектировании (Escort Tugs Stability Estimation at Design Phase). STAB-2006, Proceedings, Rio de Janeiro, Brazil, 2006, p. 125-137. (автор-30%);
40. Апполонов Е.М., Бойцов Г.В., Кудрин М.А., Кутейников М.А., Шишенин Е.А. Исследование последствий взаимодействия корпуса с аномальной волной на примере гибели судна «Аурелия». Научно-техн. сб. Российский Морской Регистр Судоходства. 2006. Вып.29, с.28-44. (автор-20%);
41. Гарин Э.Н., Кутейников М.А., Тряскин В.Н. Расчеты рисков для оценки состояния корпусных конструкций. Научно-техн. сб., Российский Морской Регистр Судоходства, 2006, Вып.29, с.120-128. (автор-30%);
42. Евенко В.И., Кутейников М.А., Егоров Г.В., Соловьев А.А. Анализ элементов корпуса существующих навалочных судов. Научно-техн. сб., Российский Морской Регистр Судоходства, 2006, Вып.29, с.99-119. (автор-35%);
43. Кутейников М.А. О комплексном подходе к назначению эксплуатационных ограничений судам «ограниченных» районов плавания. Проблемы мореходных качеств судов и корабельной гидромеханики (Крыловские чтения 2006): Тез. докл. научн.-техн. конф., НТО; ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. СПб, 2006, с.58-60. (автор-100%);
44. Ярисов В.В., Кутейников М.А. Сравнение совокупности критериев ИМО с нормами остойчивости Российского морского регистра судоходства для рыболовных судов. Научно-техн. сб., Российский Морской Регистр Судоходства. 2006. Вып.29, с.87-98. (автор-50%);
45. Борисов Р.В., Гаппоев М.А. Кутейников М.А. Анализ аварийных случаев на пассажирских судах, связанных с потерей мореходных качеств. Научно-техн. сб., Российский Морской Регистр Судоходства, 2007, Вып.30, с.40-44. (автор-55%);
46. Евенко В.И., Гаппоев М.А. Кутейников М.А. Анализ существующей международной нормативной базы, предназначенной для оценки мореходности пассажирских судов. Перспективы совершенствования и дальнейшего развития. Научно-техн. сб., Российский Морской Регистр Судоходства, 2007, Вып.30, с.26-39. (автор-65%);
47. Егоров Г.В., Кутейников М.А. Принципы деятельности береговых служб обеспечения борьбы за живучесть аварийных судов с учетом прочностных ограничений. Научно-техн. сб., Российский Морской Регистр Судоходства, 2007, Вып.30, с.9-20. (автор-50%);

Свидетельства и патенты

48. Петров А.А., Черейский И.З., Иванова Л.М., Богданов А.И., Чалова О.А., Кутейников М.А. Программа SAFESEA «Оценка и выбор безопасных режимов штормового плавания судна». Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2009612756. Правообладатель: ЗАО «Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт морского флота» (ЗАО «ЦНИИМФ»). Заявка № 2009611549. Дата поступления 9 апреля 2009г. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 29 мая 2009г. (автор-25%);
49. Каленчук С.В., Кулеш В.А., Кутейников М.А., Сидоренко И.С. Каркасный элемент набора металлического корпуса водоизмещающего объекта. Патент на полезную модель № 87138. Патентообладатель: ООО «Научно-техническая экспертиза и консалтинг» (ООО «НТЭК»). Заявка №2009120914. Приоритет полезной модели 01 июня 2009г. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 27 сентября 2009г. Срок действия патента истекает 01 июня 2019г. (автор-25%).