Методика определения главных размерений безлюковых контейнеровозов на начальных стадиях проектирования
На правах рукописи
БУРМЕНСКИЙ АНДРЕЙ ДМИТРИЕВИЧ
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЛАВНЫХ РАЗМЕРЕНИЙ
БЕЗЛЮКОВЫХ КОНТЕЙНЕРОВОЗОВ НА НАЧАЛЬНЫХ
СТАДИЯХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Специальность: 05.08.03 - Проектирование
и конструкция судов
Автореферат
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Владивосток, 2009
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» (ГОУВПО «КнАГТУ»)
Научный руководитель Заслуженный работник высшей школы РФ,
доктор технических наук, профессор
Тарануха Николай Алексеевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Бугаев Виктор Григорьевич
кандидат технических наук, профессор Казанов Геннадий Тимофеевич
Ведущая организация: Дальневосточный научно-исследовательский,
проектно-изыскательский и конструкторско-
технологический институт морского флота
(ОАО «ДНИИМФ»), г.Владивосток
Защита состоится 23 июня 2009 г. в 1000 в аудитории 302 на заседании диссертационного совета Д 212.055.01 при Дальневосточном государственном техническом университете по адресу: 690990, г. Владивосток, ГСП,
ул. Пушкинская, 10, ДВГТУ, тел. (4232) 26-08-03
С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале ДВГТУ.
Автореферат разослан « 14 » мая 2009 г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждений, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 212.055.01 при ДВГТУ.
Факс (4232) 26-69-88
Ученый секретарь
диссертационного совета,
доктор технических наук, профессор Борисов Е.К.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В современных экономических условиях мировой контейнерный флот, с учетом темпов строительства новых судов, характеризуется избытком контейнеровместимости. Этот фактор усиливает конкуренцию на фрахтовом рынке. Единственный путь завоевания позиций на рынке перевозки контейнеров - это улучшать существующие проекты судов и создавать новые. Одним из таких новых типов судов, является безлюковый тип контейнеровоза (БЛКВ). По своим эксплутационно-экономическим показателям БЛКВ более экономичны по сравнению с традиционными контейнеровозами. Введение их в состав отечественного контейнерного флота, повысило бы его конкурентоспособность. Но если за рубежом интенсивно проводятся исследования в этой области и в последние годы сдано в эксплуатацию более семидесяти БЛКВ, то в нашей стране ощущается пробел в научных и конструкторских исследованиях по этой тематике.
Процесс проектирования судов является многоэтапным и отличается своей сложностью. Однако в настоящее время на помощь проектантам приходят современные компьютерные системы автоматизированного проектирования (САПР), которые позволяют разрабатывать качественно и в сжатые сроки проекты новых судов. Основой для разработки технических проектов служат результаты, получаемые на ранних стадиях проектирования с использованием исследовательских САПР, которые предназначены для обеспечения многовариантного исследования проектной концепции судна с последующим выбором контрактного варианта в виде технического задания или предложения. Использование исследовательских систем позволяет получать оптимальные характеристики вариантов судов. Но следует отметить, что данные системы являются «фирменными» инструментами и не предназначены для тиражирования.
Для того чтобы отечественные проектные организации могли эффективно конкурировать с зарубежными, необходима разработка отечественных исследовательских САПР для различных типов судов и, в первую очередь, перспективных концепций. Особенно это актуально для БЛКВ, отечественный опыт проектирования которых отсутствует. Это требует, в первую очередь, разработки методики начального проектирования и соответствующей ей математической модели проектирования БЛКВ, предназначенной для использования в исследовательских САПР судов данного типа. В силу сказанного, разработка и внедрение методики определения главных размерений БЛКВ на начальных стадиях проектирования является актуальной научной и народохозяйственной задачей.
Цель работы: повышение качества проектных разработок судов новых типов на уровне технического предложения с использованием анализа их конструкций и более совершенных методик проектирования на примере проектирования БЛКВ, имеющих специфику конструкции корпуса и проблемы обеспечения его прочности и жесткости.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
- выполнен анализ архитектурно-конструктивных особенностей БЛКВ и дано обоснование рациональной схемы общего расположения и архитектурно-конструктивной схемы рассматриваемого типа контейнеровоза;
- разработана типовая расчетная модель конструкции корпуса БЛКВ для применения в математической модели проектирования (ММП) БЛКВ;
- проведен статистический анализ проектных характеристик современных контейнеровозов и универсальных сухогрузных судов (УСС) с целью использования результатов в ММП БЛКВ;
- проработаны вопросы проектирования БЛКВ, связанные с их конструктивными особенностями;
- разработана методика и математическая модель определения главных размерений при проектировании БЛКВ;
- разработаны методика и алгоритмы автоматизации проверочных расчетов прочности методом модуль элементов (ММЭ) с целью их применения на начальных этапах проектирования;
- создано программное обеспечения для ЭВМ, реализующее разработанные модели и методики проектирования;
- проведены тестовые расчеты и проверка работоспособности разработанных методик и моделей.
Объектом исследования являются БЛКВ.
Методы исследований. Решение задач проектирования БЛКВ основывается на классических методах проектирования, теории и конструкции корпуса корабля. Определение напряженно-деформированного состояния (НДС) корпуса судна на начальных стадиях проектирования производилось с применением ММЭ.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- разработана типовая параметрическая расчетная модель конструкции корпуса БЛКВ. Данная модель предназначена для определения значений части статей нагрузки на основе расчетного моделирования, а также является основой для автоматизации расчетов НДС ММЭ на начальных стадиях проектирования БЛКВ;.
- предложен способ определения длины БЛКВ, основанный на анализе уравнения компоновки-вместимости;
- предложен вид уравнения нагрузки для БЛКВ, использующий расчетное проектирование при определении ряда статей нагрузки;
- разработана методика и соответствующая ей математическая модель определения главных размерений БЛКВ на начальных стадиях проектирования, основанная на принципах проектирования от параметров перевозимого груза, использующая расчетное проектирование и проверку общей прочности уже первых приближениях.
- предложена модель универсального модуль-элемента для расчетов общей прочности БЛКВ по ММЭ.
- разработана методика и соответствующая ей численная модель автоматизации расчетов общей прочности по ММЭ.
Достоверность результатов. Разработанные методики и алгоритмы решения задач опираются на апробированные численные методы и на решение тестовых задач. Результаты расчетов не противоречат физическим представлениям, практике эксплуатации судов и их конструкций, а также результатам решения подобных задач.
Практическая ценность работы связана с решением актуальной научно-технической проблемы развития методик начального проектирования судов, а также развития расчетных методов численного анализа и их объединения с автоматизированным проектированием судов.
Разработанные методики, алгоритмы и комплексы программ начального проектирования БЛКВ предназначены для использования в исследовательских САПР при разработке технических заданий и технических предложений в проектных и эксплутационных организациях, а также на стадиях эскизного проектирования. Результаты исследования могут быть применены при разработке методик проектирования других типов открытых судов.
Математические модели, методики расчетов и программные средства разрабатывались и использовались при выполнении госбюджетных и хоздоговорных научных работ КнАГТУ, а также в рамках выполнения проектов 08-08-98501 по гранту РФФИ и аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)» (рег. номер 2.1.2/3046).
Отдельные результаты работы внедрены в учебный процесс в ГОУ ВПО «КнАГТУ» на кафедре «Кораблестроение»: по курсам «Конструкция корпуса корабля», «Проектирование судов различных типов», «Проектирование судов и САПР», «Компьютерные технологии в науке, технике и образовании»; в курсовых и дипломных проектах; были использованы в учебнике: Барабанов Н.В. «Конструкция корпуса морских судов» – 5-е издание.
Предмет защиты. Совокупность результатов научных исследований, включающих методики, модели и алгоритмы для решения научно-технических задач, имеющих важное народнохозяйственное значение.
На защиту выносятся:
- типовая параметрическая расчетная модель конструкции корпуса БЛКВ;
- численная модель расчета весовой нагрузки БЛКВ на основе типовой параметрической расчетной модели конструкции корпуса;
- математическая модель и методика определения главных размерений БЛКВ, основанная на принципе проектирования судна от параметров грузового штабеля;
- модель стандартизированного модуль-элемента (МЭ) для расчетов общей прочности БЛКВ по ММЭ;
- методика и соответствующая ей численная модель автоматизации расчетов общей прочности по ММЭ;
- результаты численных исследований по предлагаемым методикам;
- алгоритмы и компьютерные программы автоматизации начального проектирования БЛКВ.
Апробация работы. Результаты работы представлялись и обсуждались: на Дальневосточной НТК: «Опыт проектирования и модернизации судов для Дальневосточного бассейна с учётом их эксплуатации» (Владивосток, 1995); на международных НТК: «Проблемы прочности и эксплуатационной надежности судов» (Владивосток, 1996, 1999); «Кораблестроение и океанотехника. Проблемы и перспективы» (Владивосток, 1998); «МОРИНТЕХ-99» (Санкт-Петербург, 1999); «TEAM» (Владивосток, 2000); «Нелинейная динамика и прикладная синергетика» (Комсомольск-на-Амуре, 2003); «BEM&FEM – 2007» (Санкт-Петербург, 2007). Основные результаты работы докладывались также на профилирующих кафедрах ДВГТУ (1997-2009 гг.) и КнАГТУ (1995-2009 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 научных работ (7 в соавторстве), в том числе 17 статей. Зарегистрировано 2 программы для ЭВМ.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 202 страницах, содержащих 81 рисунок и 17 таблиц, а также списка литературы из 132 наименований и 16 страниц приложений.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы общая цель, задачи исследования и результаты выносимые на защиту.
В первой главе излагаются тенденции развития современных контейнеровозов и дан анализ эксплутационно-экономической эффективности БЛКВ. Проведен обзор методов проектирования контейнеровозов и расчетов общей прочности корпусов судов. Дается постановка задачи исследования.
Для современного этапа развития контейнеровозов характерно: увеличение скорости перевозок и увеличение удельного погрузочного объема перевозимого груза. При этом пришлось решать проблему увеличения контейнеровместимости с уменьшением объемов грузовых помещений. Эта проблема была решена увеличением доли палубного груза.
Увеличение количества ярусов контейнеров, перевозимых на крышках люковых закрытий, усложнило их раскрепление и повысило опасность проведения данных работ. Для удобства раскрепления палубных контейнеров стали применять найтовочные мостики и разборные палубные ячеистые конструкции.
Логическим решением вопроса повышения эффективности погрузочно-разгрузочных работ являлся отказ от использования люковых закрытий вообще, т.е. создание БЛКВ.
Идея возможности устранения люковых закрытий трюмов на контейнеровозах была выдвинута в 1985 компанией Advance Ship Design (ASD). Новая концепция ASD предполагала открытую конструкцию трюмов, отсутствие люковых закрытий, комингсов и систем крепления палубных контейнеров.
Первым классическим БЛКВ стал «Bell Pioneer», построенный по заказу компании «Bell Lines» в августе 1990 года.
В последующие годы для разных судоходных компаний было построено более 70 БЛКВ различных по архитектурно-конструктивному типу (АКТ) и контейнеровместимости (рис.1). Диапазон контейнеровместимости реализованных проектов БЛКВ достаточно широк: от фидерных (300-1500 TEU) до магистральных (более 4000 TEU).
Таблица 1. Основные технико-эксплутационные характеристики БЛКВ
| Название судна | "Bell Pioneer" | "Nedlloyd Asia" | "Atlantic Lady" | "Norasia Kiel" | Type 168 | “Rijnborg” |
| Год постройки | 1990 | 1991 | 1992 | 1994 | 2001 | 2007 |
| Число судов в серии | 5 | 5 | 2 | 4 | >45 | 1 |
| Контейнеровмести-мость, TEU | 300 | 3568 | 1472 | 2780 | 868 | 1700 |
| Дедвейт, т | 3900 | 36400 | 16160 | 35380 | 11409 | - |
| Длина, м максимальная между перпендик. | 114,5 106,0 | 266,0 253,0 | 173,62 160,0 | 242,0 229,5 | - 134,44 | 176 167 |
| Ширина, м | 16,92 | 32,24 | 28,8 | 32,24 | 22,5 | 23,7 |
| Высота борта, м | 12,52 | 23,35 | 16,8 | 23 | 11,3 | 14,25 |
| Осадка, м | 5,2 | 11,0 | 8,0 | 11,0 | 8,71 | 7,7 |
| Скорость экспл., уз. | 14,5 | 21,5 | 19,25 | 22,0 | 18,5 | 21 |
| Мощность ГД, кВт | 3280 | 30000 | 9830 | 27305 | 8400 | 2х7500 |
| Экипаж, чел. | 7(10) | 28 | 15(19) | 16 | - | 12 |
Следует отметить следующие преимущества БЛКВ, повышающие их эффективность:
- сокращение стояночного времени в портах под грузовыми операциями на 10-15% и увеличение рейсооборота судна;
- отсутствие затрат ручного труда берегового персонала и экипажа на крепление контейнеров, что обеспечивает реальное обеспечение техники безопасности при производстве грузовых работ;
- снижение количества палубной команды, что ведет к общему снижению численности экипажа;
- обеспечение сохранной и безопасной перевозки контейнеров;
- увеличение вместимости судна до 20%.
Многие проектные и судостроительные компании ведут инициативные проектные проработки по БЛКВ, чтобы иметь в своем портфеле предложений проекты и таких типов судов.
Таким образом БЛКВ могут являться одним из перспективных типов контейнеровоза для пополнения отечественного флота. Однако отечественный опыт проектирования таких судов отсутствует.
Для решения поставленной задачи исследования были использованы элементы теории проектирования судов и особенностей проектирования контейнеровозов, изложенные в научных работах Ашика В.В., Бронникова А.В., Царева Б.А., Пашина В.М., Гайковича А.И., Семенова Ю.Н., Захарова А.С., Снопкова В.И., Логачева С.И., Дорина В.С., Солдатова В.Е., Сорокина В.И., Картава А.И., Клименко К.И., Холоши В.И., Антоненко В.С., Винокура Л.Б., Титова И.А., Четыркина А.Н., Мытника Н.А. и др.
За основу разработанной методики определения главных размерений БЛКВ была принята математическая модель проектирования, разработанная Гайковичем А.И. позволяющая использовать ее в оптимизационных процедурах на ранних стадиях проектирования. Она была переработана и адаптирована к особенностям проектирования БЛКВ.
Одной из особенностей предлагаемой методики определения главных размерений БЛКВ является включение в нее блока расчетов НДС от общего изгиба, кручения их совместного действия. Оценка совместного воздействия этих двух факторов возможна при использовании метода конечных элементов МКЭ. Однако, обладая преимуществом в точности расчета, МКЭ может быть применим только в качестве окончательного проверочного расчета прочности судна.
В качестве метода расчета НДС в процедуре начального проектирования БЛКВ был выбран ММЭ, разработанный Постновым В.А. и Таранухой Н.А.
ММЭ позволяет выявить основные особенности НДС при меньшей трудоемкости и его расчетные процедуры позволяют полностью их автоматизировать.
Во второй главе рассматриваются архитектурно-конструктивные особенности БЛКВ. Дано обоснование выбора АКТ расчетных вариантов БЛКВ. Рассматривается параметрическая расчетная модель конструкции корпуса БЛКВ.
Можно отметить следующие основные архитектурно-коструктивные особенности БЛКВ:
1. БЛКВ характеризуются отсутствием люковых закрытий, за исключением носовых трюмов, если там предусмотрена перевозка опасных грузов.
2. Корпуса БЛКВ оборудованы двойными бортами и двойным дном. Высота двойного дна у БЛКВ принимается минимально допустимой. В двойном дне днищевые стрингеры устанавливаются между каждыми рядами контейнеров. Двойные борта оборудуются подпалубными коридорами для прохода экипажа.
3. Контейнерные трюмы оборудуются вертикальными направляющими, позволяющими безнайтовно штабелировать контейнеры. В случаях перевозки контейнеров над двойными бортами ячеистые конструкции выше верхней палубы идут от борта, до борта.
4. Для обеспечения ярусности контейнеров более шести, а для прочных контейнеров более девяти, применяют стеллажные фиксаторы контейнеров.
5. Для предотвращения воздействия воды поступающей во время дождя или шторма, нижний ярус контейнеров опирается на тумбы, установленные на настиле второго дна.
6. У БЛКВ заметно стремление увеличения контейнеровместимости за счет расположения контейнеров над машинным отделением (МО). Минимальный размер жилой надстройки характеризуется низкой численностью экипажа.
В проведенном исследовании разрабатываемая модель начального проектирования БЛКВ ориентирована на суда контейнеровместимость 500-2500 TEU. В качестве расчетного принят следующий АКТ перспективного БЛКВ: одновинтовое гладкопалубное судно с бульбообраной носовой оконечностью и транцевой кормой; МО в корме; ходовая рубка и блок помещений экипажа в носовой части судна; грузовая часть судна с открытыми грузовыми трюмами расположена между надстройкой и МО; над МО и районом ахтерпика располагаются дополнительные грузовые трюмы.
Для автоматизации проектировочных расчетов и расчетов по определению НДС корпусных конструкций ММЭ необходимо иметь типовую конструкцию корпуса контейнеровоза в районе центральных грузовых трюмов. Главным требованием к такой типовой конструкции является возможность ее параметризации.
Под параметризацией типовой расчетной конструкции корпуса будем понимать наделение конструкции свойством однозначно формироваться в зависимости от ряда переменных (параметров).
В качестве переменных (параметров) модели выступают: количество контейнеров по ширине 
и количество ярусов контейнеров 
; величины зазоров между боковыми стенками контейнеров 
и между торцом контейнеров и ячеистой конструкцией 
; габаритные размеры ячеистой конструкции по длине судна 
; главные размерения судна и коэффициенты полнот.
На основании анализа конструкций корпусов современных контейнеровозов была разработана типовая расчетная конструкция корпуса БЛКВ (рис.2), которая формализирует следующие характеристики:
- конструктивный тип центральной грузовой зоны;
- габаритные размеры двойных бортов и двойного дна;
- систему набора и размеры шпаций;
- конструктивное оформление продольного сечения в пролете контейнера: в том числе расстановку флоров (их типы) и переборок; конструктивное оформление флоров (параметры вырезов и подкрепляющих ребер); конструктивное оформление днищевых стрингеров и их расстановку, в зависимости от четности рядов контейнеров и их количества по ширине трюма. Так же в типовой конструкции формализуются и другие конструктивные особенности корпуса БЛКВ (двойные борта, подпалубный коридор, скуловой район).
Рис. 2. Типовая конструкция корпуса БЛКВ с типовыми подконструкциями в
районе среднего грузового трюма: а)продольное сечение; б) поперечное сечение
Параметрическая расчетная модель конструкции корпуса БЛКВ основана на формировании общей конструкции корпуса из отдельных типовых подконструкций (рис.2), количество и тип которых зависит от геометрических параметров перевозимого груза, что позволяет определять в первую очередь:
- количество, расположение и тип конструктивных элементов и их габаритные размеры;
- основные геометрические параметры конструктивных связей в соответствии с Правилами Российского Морского Регистра Судоходства (Правил МРС).
В третьей главе рассматриваются вопросы особенностей начального проектирования БЛКВ. Приведены аналитические зависимости и рекомендации для определения главных размерений судна в зависимости от геометрических характеристик пакета контейнерного груза. Приводится вид уравнения нагрузки в функции от главных размерений для БЛКВ.
Для разработки методики проектирования БЛКВ, которая бы позволяла получать их основные проектные элементы, необходимо рассмотреть особенности проектирования БЛКВ применительно к принятому в качестве расчетного АКТ.
Определение длины судна. Контейнерный груз на БЛКВ можно рассматривать как единый грузовой пакет, который характеризуется своими габаритами и полнотой. Поэтому определение начальных значений длины судна между перпендикулярами L и ширины B, логичнее производить исходя из габаритных размеров перевозимого груза.
Контейнерный груз на судах рассматриваемого АКТ располагается в двух зонах складирования: центральные грузовые трюмы - 
и грузовые трюмы расположенные над машинным отделением - 
(рис. 3).
Контейнерный пакет (рис. 4) первой грузовой зоны характеризуется длиной 
, шириной 
и высотой 
., а также коэффициентом полноты груза 
. Пакет контейнеров, расположенных над МО, характеризуется длиной 
, шириной 
, равной ширине центрального пакета, и объемами вычетов требуемых для размещения воздухо-дымоходов или других судовых устройств.
| Рис. 3. Расчетный АКТ БЛКВ | Рис. 4. Общая схема контейнерного пакета. |
Объем перевозимого контейнерного груза можно определить по формуле
, (1)
где K - заданная контейнеровместимость судна; 
- габаритные размеры стандартного контейнера TEU.
В тоже время, суммарный объем контейнеров расположенных в первой и второй грузовых зонах, можно рассчитать как
, (2)
где 
- габариты дымовой трубы; 
- высота кормового штабеля; 
- определяются следующим образом
. (3)
Длину между перпендикулярами 
(рис.3) можно расписать как
. (4)
Длины форпика и ахтерпика: 
; 
.
Длина надстройки Lн принимается постоянной.
В отличие от принятой практики определения габаритов машинного отделения в зависимости от значения мощности ГД, длину Lмo и высоту hмo МО БЛКВ предлагается определять в зависимости от длины между перпендикулярами:
; 
.
Длина центральных трюмов 
определяется в зависимости от lгр с учетом габаритных размеров блоков ячеистых конструкций lяч : 
.
Длина штабеля 
, расположенного над МО, рассчитывается из условия расположения контейнеров между носовой переборкой МО и кормовым перпендикуляром: 
.
Подставив (3), (4) в уравнение (2) и заменив коэффициенты зазоров k1 и k2 на обратные a1 и a2, а также выразив площадь дымохода через kт , получаем уравнение объема перевозимого контейнерного груза в виде
. (5)
Длина судна, при заданных значениях 
и 
, определяется при совместном решении уравнений (1) и (5). Вследствие того, что в выражении (5) некоторые величины принимались некратными габаритам TEU, то на втором этапе производится корректировка значения L согласно распределению контейнерного груза.
Ширина БЛКВ однозначно определяется как
, (6)
где 
- ширина двойного борта;
– величина зазоров между стенками контейнеров и внутренним бортом.
Определение высоты надводного борта. Учет заливаемости судна.
Для БЛКВ следует отметить отсутствие прямого влияния геометрических параметров груза на величину высоты борта Н.
В общем случае значение высоты борта судна Н определяется как
. (7)
Осадка судна Т, входящая в (7), определяется в процессе решения уравнения нагрузки. Поэтому, на значение высоты борта Н в большей степени будет влиять значение высоты надводного борта F. Величина F является независимой и может принимать свои значения в достаточно широком диапазоне. Поэтому, на начальных стадиях проектирования высоту надводного борта F следует выделять в оптимизируемые параметры ММП, с подбором ее значения по экстремуму целевой функции. При этом следует учитывать возможный диапазон изменения F.
Минимально допустимое значение высоты надводного борта Fmin определяется требованием к непотопляемости судна и должно соответствовать значению минимального надводного борта 
(рис.5) согласно Правил о грузовой марке.
Верхнее значение Fmax искусственно ограничено – борт судна полностью закрывает контейнерный груз. Это ограничение удобнее накладывать на
(8)
где 
- высота опорной тумбы на настиле второго дна; 
- габаритная высота промежуточных опорных фиксаторов.
| Рис. 5. Схема определения диапазона F | Рис. 6. Схема определения Fmin из условия заливаемости трюмов. |
На промежуточные значения F накладываются ограничения по непотопляемости, заливаемости, остойчивости, качке и прочности.
Вопросы заливаемости грузовых трюмов делятся на три составляющие: заливаемость от брызгообразования; заливаемость от сильного дождя; заливаемость от волн во время сильного шторма. С первыми двумя видами заливания борятся с конструктивными мерами.
Значение F напрямую влияет на третий вид заливания - заливаемость грузовых трюмов от наката волны во время шторма. В статической постановке (рис. 6) можно принять, что попадание забортной воды в трюм судна возможно в случае, когда гребень «короткой» волны, на которую судно, расположенное к ней лагом, не успевает отреагировать, будет находиться выше верхней палубы:
(9)
где kv - коэффициент запаса надводного борта; hkv - высота «короткой» волны, за которую можно принять высоту волны 3 %-й обеспеченности в заданном районе эксплуатации, м; - амплитуда бортовой качки судна, град.
В любом случае, окончательное определение значений размеров грузового пакета (т.е. длины и ширины судна) и высоты надводного борта происходит в процессе решения задачи оптимизации главных размерений, с учетом диапазона ее допустимых значений и ограничений, накладываемых на нее.
Определение осадки судна. Особенности уравнения нагрузки
Уравнение нагрузки для БЛКВ будем рассматривать в виде уравнения масс
. (10)
Уравнение масс в ММП БЛКВ с целью определения значения осадки Т, целесообразно решать в функции главных размерений, решение которого производится итерационным способом по специальному алгоритму. Так как при каждой итерации задается значение Т, то становится возможным выделение ряда составляющих нагрузки в отдельную группу и определение их значений на основе непосредственного расчета в самом процессе решения уравнения. Поэтому главная особенность уравнения масс для БЛКВ заключается в представлении части составляющих массы металлического корпуса и его оборудования, мощности ГД и соответственно его массы, массы запасов топлива и масла в виде функционала от осадки судна на основе расчетного моделирования.
Под расчетным моделированием при определении массы корпуса судна будем понимать совокупность структурного и расчетного проектирования корпусных конструкций для определения значения составляющей нагрузки 
методом ее детализации на отдельные элементарные составляющие
, (11)
где j – номер конструктивного элемента; 
– масса j-го конструктивного элемента; 
– количество однотипных конструктивных элементов.
Масса элементарной составляющей 
определяется на основе значений габаритных и характеристических размеров конструктивной связи. Характеристический размер определяется на основе расчетного проектирования в соответствии с требованиями нормативных документов (Правила МРС и нормы прочности). Габаритные размеры конструктивных элементов и количество однотипных элементов определяются в процессе структурного проектирования на основе параметрической модели корпуса судна или отдельной корпусной конструкции.
С учетом сказанного, уравнение (10) можно записать как
; (12)
где 
– сумма масс, определяемая в процессе расчетного моделирования.
При определении Dnop в уравнении нагрузки для БЛКВ, была использована методика формирования уравнения масс для УСС (Ашик В.В., Гайкович А.И, Захаров А.С.). Данная методика была откорректирована в части задания значений измерителей, перевода кубических модулей по статьям оборудования корпуса под степень 2/3, а также определения массы энергетической установки (ЭУ) (Мытник Н.А.).
В уравнении (12) методом расчетного моделирования рассчитываются следующие составляющие статей «металлический корпус» и «оборудование корпуса»: 
- масса продольных связей в составе эквивалентного бруса; 
- масса поперечных переборок; 
- масса местных конструкций; Ротр – масса оборудования трюмов (ячеистые конструкции и опорные тумбы).
Составляющие 
и 
рассматриваются как суммарная масса и рассчитываются с помощью диаграммы Байлса
. (13)
Значение погонной массы 
вычисляется на основании массы расчетной секции 
имеющей габариты lсекц (пролет одного контейнера TEU и ячеистой конструкции). Масса 
определяется в процессе расчетного моделирования согласно (11) на основе типовой параметрической расчетной конструкции.
Массы поперечных переборок 
рассчитываются на основе значений погонной массы и суммарной площади переборок.
Суммарная масса ячеистых конструкций 
определяется через единичный вес данных конструкций 
, приходящийся на один контейнер: 
.
Решение уравнения (12) относительно осадки T позволяет определить искомую высоту борта 
.
В четвертой главе приведены основные зависимости ММЭ применительно к расчетам прочности БЛКВ на начальных стадиях проектирования. Рассматриваются принципы и методика автоматизации расчетов прочности корпуса контейнеровоза по ММЭ.
В предложенной в исследовании математической модели определения главных размерений БЛКВ при решении уравнения нагрузки используется расчетное моделирование. Это позволяет провести достаточно точное определение составляющих масс. Однако, такой подход требует проверки НДС корпуса судна уже на ранних стадиях, что усложняет задачу.
В ММЭ в качестве расчетной модели реального судового корпуса принимается произвольно нагруженная непризматическая тонкостенная складчатая оболочка, которая разбивается по длине поперечными сечениями на отдельные пространственные модуль-элементы (МЭ) (рис. 7).
Если расчетные процедуры в ММЭ, стандартизированы и автоматизированы, то процедуры, связанные с вводом-выводом и преобразованием данных для полной автоматизации расчетов, потребовали разработки новых методик и специальных алгоритмов. В первую очередь это касалось общих процедур для конечно-элементных методов: определение геометрии МЭ; дискретизации корпуса судна на МЭ; формирование матрицы индексов (МИ); формирование топологии и назначение конструктивных размеров для отдельных МЭ.
Принципы автоматизации разбиения корпуса судна на МЭ. Автоматизация разбиения корпуса БЛКВ на МЭ строится на основе параметрической расчетной конструкции корпуса. Так, у БЛКВ расчетного АКТ четко выделяются три функциональных района (рис. 7): район ходовой рубки и блока помещений экипажа (блок надстроек); район грузовых отсеков центральной грузовой зоны; район МО.
Носовая и кормовая оконечность из процесса дискретизации исключаются. Корпусные секции судна в районах блока надстроек и МО включаются в общую схему расчета с целью учета затухания депланационных перемещений и разбиваются на 3-4 непризматических МЭ.
Грузовой район формируется из отдельных секций, кратных длине одного контейнера и имеющих типовое конструктивное оформление. Одна типовая секция моделируется восемью МЭ.
Таким образом, общее количество МЭ 
, на которое разбивается корпус контейнеровоза можно определить по формуле
, (14)
где 
и 
- соответственно, количество МЭ, моделирующих районы расположения блока надстроек и МО.
На основе данных о количестве МЭ, габаритных характеристиках функциональных районов судна и схемы дискретизации типовой секции автоматически формируется массив распределения типов МЭ по длине судна и рассчитывается массив абсцисс их сечений.
Автоматизированное формирование общей матрицы индексов. Как можно заметить для расчетного АКТ БЛКВ выделено девять типовых МЭ (см. рис. 7в). Деление на типы основано на конструктивных особенностях отдельного МЭ и наборе закреплений по обобщенным перемещениям для него.
Исходя из принятых условий закреплений, за каждым типовым МЭ закрепляется индивидуальный вектор индексов обобщенных перемещений. Это позволило автоматизировать формирование общей матрицы индексов на основе данных о количестве МЭ и их типе. В процессе циклического перебора МЭ в зависимости от их типа формируется общая матрица индексов всей системы. При этом, для исключения вырождения системы уравнений, вводятся граничные условия с целью устранения перемещений корпуса как жесткого целого. В этом случае для МЭ в районе закрепления стандартный набор векторов-индексов заменяется граничным набором векторов-индексов.
Универсальный МЭ. Формирование топологии, определение геометрии и назначение конструктивных размеров производится на основе использования универсального МЭ.
Универсальный МЭ с сечением, представляющим собой «решетку» (рис. 8), очень эффективен при моделировании корпусов БЛКВ. Число ячеек решетки по ширине и высоте фиксировано характерным сочетанием максимальных значений 
и 
для рассматриваемого АКТ БЛКВ.
Центральные ячейки сетки МЭ позволяют моделировать корпусные конструкции в районе расположения контейнеров. Сечение модифицируется по ширине и по высоте в зависимости от значений 
и 
. Лишние стержни ячеек сетки удаляются из модели за счет обнуления их толщин и моментов инерции.
Боковые ячейки моделируют конструкцию двойных бортов. Для того, чтобы уровень верхней палубы не был жестко связан с уровнем рамных балок блока ячеистых конструкций боковые ячейки сетки имеют дополнительное разбиение.
Автоматизация формирования общей матрицы жесткости. Расчет коэффициентов общей матрицы жесткости (МЖ) корпуса БЛКВ основывается на расчете МЖ отдельных МЭ и общей матрицы индексов. Основную сложность для автоматизации расчетов коэффициентов МЖ МЭ представляют процедуры расчета геометрических характеристик сечений МЭ.
Использование универсального МЭ и типовой конструкции корпуса БЛКВ позволило достаточно эффективно решить проблему автоматизации определения геометрических характеристик сечений МЭ (рис. 9). Разработанные подходы и алгоритмы позволили автоматизировать расчеты НДС по ММЭ, что позволяет использовать ММЭ в задачах начального проектирования судов различных типов.
В пятой главе рассматривается ММП БЛКВ на начальных стадиях проектирования. Приводятся результаты тестовых и практических расчетов. Дается анализ работоспособности разработанных методик и моделей.
За основу предлагаемой ММП БЛКВ были взяты работы Гайковича А.И., посвященные вопросам оптимизации элементов и характеристик контейнеровозов и проектирования сложных технических систем.
Основными исходными данными в ММП БЛКВ являются: K – контейнеровместимость; mср – средняя масса TEU; vэкс – эксплутационная скорость; R – дальность плавания; Aзэ – автономность; nэ – численность экипажа.
В качестве основных ограничений ММП на начальных стадиях проектирования БЛКВ могут быть приняты следующие:
I. Ограничения главных размерений, определяемые навигационными требованиями и условиями постройки: BBmax, TTmax.
II. Ограничения из опыта проектирования: 
.
III. Ограничения, связанные с кратностью размерам контейнера: длина 
и ширина 
грузовых трюмов контейнеровоза с учетом зазоров и габаритов ячеистых конструкций должны быть кратны размерам контейнера TEU.
IV. Ограничения, накладываемые на значение высоты надводного борта:
.
V. Ограничения, принятые в расчетах контейнеровместимости:
- ордината яруса контейнеров с учетом всех зазоров и промежутков в заданном сечении должна быть меньше ординаты шпангоута на соответствующей ватерлинии на конструктивно заданную величину;
- использование ячеистых конструкций требует, чтобы количество контейнеров по ширине судна в каждом ярусе отличалось друг от друга на четное число.
VI. Ограничение по заливаемости: должно выполняться условие попадания в трюм минимального количества забортной воды во время шторма.
VII. Ограничение по обеспечению требуемой грузовместимости: контейнеровместимость должна быть не менее заданной: 
.
VIII. Ограничения по статической и динамической остойчивости.
IX. Ограничения по качке: период собственных колебаний судна на нерегулярном волнении 
должен быть больше минимально допустимого.
X. Ограничения по прочности: нормальные 
и касательные 
напряжения в связях корпуса должны быть не более допускаемых.
XI. Ограничение по жесткости корпуса: при кручении и при изгибе корпуса БЛКВ не должно происходить заклинивания и повреждения контейнеров от ячеистых направляющих.
Кроме указанных ограничений, в математическую модель проектирования могут вводиться и другие (дополнительные) ограничения, в том числе АКТ БЛКВ, тип ЭУ и т.п.
Последовательность решения задачи определения главных размерений БЛК представлена в виде блок-схемы на рис. 10.
Длина и ширина БЛКВ определяется исходя из решения уравнения вместимости грузовых трюмов судна с учетом принятых АКТ, типа энергетической установки и конструкции корпуса. По результатам вычислений производится проверка ограничений 1-2.
По результатам определения Т в блоке «Решение уравнения нагрузки» производится проверка контейнеровместимости (ограничение VII).
Рис. 10. Функциональная блок-схема определения главных размерений БЛКВ
Рис. 11. Функциональная блок-схема решения уравнения нагрузки
На основе данных, полученных на предыдущем этапе, рассчитываются параметры статической и динамической остойчивости. Аппликата ЦТ судна определяется на основе данных распределения контейнеров и данных по статьям нагрузки корпуса. Метацентрический радиус и аппликата центра величины определяются на основе расчета гидростатических характеристик теоретического чертежа.
На конечном этапе проводятся расчеты НДС корпуса БЛКВ и проверка ограничений по прочности и жесткости корпуса. При невыполнении принятых ограничений производится корректировка проектных элементов.
Алгоритм решения уравнения нагрузки в функции главных размерений для БЛКВ приведен на рис. 11. На первом этапе вычисляются оптимальные характеристики формы корпуса и рассчитывается F. На втором этапе с помощью аффинных перестроений генерируется расчетный теоретический чертеж. Определение мощности ЭУ производится прямым расчетом полного сопротивления корпуса и пропульсивного коэффициента. Полный коэффициент сопротивления определялся в соответствии с методикой МКОБ для серии быстроходных судов. На основе расчета мощности ЭУ определялись масса статьи «Энерго-пропульсивная установка» и масса запасов топлива и смазочных материалов. В результате выполнения блока «Расчет уравнения нагрузки» получаем основные проектные элементы, такие как осадка и высота борта БЛКВ, мощность ЭУ, теоретический чертеж, размеры корпусных конструкций на основе расчетного моделирования, массы отдельных составляющих водоизмещения БЛКВ.
Разработанная методика и соответствующая ей математическая модель определения главных размерений БЛКВ позволяет реализовывать ММП БЛКВ в оптимизационном проектировании.
В этом случае задача проектирования БЛКВ формулируется как экстремальная задача математического программирования: для выбранного АКТ БЛКВ и вектора параметров задания на проектирование C(c1,…,cq), определить такой вектор искомых характеристик судна (вектор оптимизируемых переменных) X(x1,…,xn), при которых функция критерия эффективности Z достигает своего экстремального значения
, (15)
при этом должны выполняться ограничительные и функциональные требований к проектируемому судну.
В ММП БЛК основными оптимизируемыми параметрами (характеристиками) судна являются: L – длина; B – ширина; H – высота борта; nкр –число контейнеров по ширине трюма; nя – число ярусов контейнеров в грузовом штабеле, K – контейнеровместимость; vэкс – эксплутационная скорость. В зависимости от типа решаемой задачи в качестве оптимизируемых параметров могут быть приняты и другие характеристики судна.
В качестве критерия эффективности в ММП может быть использован любой экономический показатель (прибыль, рентабельность, срок окупаемости и т. п.).
В качестве алгоритма оптимизации в ММП БЛКВ предлагается использовать соответствующий алгоритм случайного поиска, реализованный в задачах проектирования классических контейнеровозов (Гайкович А.И.).
Для реализации методики определения главных размерений БЛКВ с целью ее использования в ММП БЛКВ был разработан соответствующий программный комплекс и проведены тестовые расчеты. Программа написана на языке Pascal в среде визуального объектно-ориентированного программирования Delphi. Для проверки адекватности расчетной модели был выбран БЛКВ «Atlantic Lady». Результаты сопоставления приведены в таблице 2.
Полученные главные размерения в расчете по разработанной математической модели определения главных размерений БЛКВ согласуются с характеристиками контейнеровоза-аналога.
С целью реализации алгоритмов автоматизации расчетов НДС корпуса БЛКВ ММЭ был разработан комплекс программ и проведены тестовые расчеты.
Для этого рассматривался вариант постановки корпуса контейнеровоза на вершину синусоидальной двумерной волны. Принятая схема расчета позволяла в качестве сопоставительной методики рассматривать корпус БЛКВ как нагруженную вертикальной нагрузкой в характерных сечениях балку, жестко защемленную в районе миделевого сечения, где изгибающий момент принимал свое максимальное значение. Это соответствует следующей расчетной схеме – консольная балка, нагруженная сосредоточенной силой (рис. 12), для которой известно теоретическое решение. То, что значения прогибов в сопоставительной справочной методике, оказались несколько большими, является вполне естественным: расчетная модель ММЭ в силу заложенных ограничений является несколько более жесткой, чем реальная балка.
Для демонстрации автоматизированной схемы формирования расчетной модели ММЭ были проведены расчеты реального корпуса БЛКВ на туже самую нагрузку. При этом учитывалось изменение реального сечения корпуса по длине и наличие в расчетной схеме таких дополнительных жесткостей, как ячеистые конструкции и район носовой надстройки.
Полученные при расчете ММЭ результаты позволяют наглядно представить НДС корпуса в целом или любого его участка. Для примера на рис.13 приведен фрагмент деформации корпуса в пределах одного отсека (район сечений МЭ №32-37).
Из рисунка видно, что характер деформаций соответствует общей физике деформации корпуса при изгибе. Следует отметить, что внесенные в расчетную модель дополнительные перемещения, соответствующие завалу бортов, позволяют наряду с оценкой деформаций корпуса как жесткого целого отлеживать деформации и внутри грузовых отсеков.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В ходе проведенного диссертационного исследования получены следующие результаты:
1. Выявлены основные архитектурно-конструктивные особенности БЛКВ. Дано обоснование рациональной схемы общего расположения и архитектурно-конструктивной схемы перспективного БЛКВ для отечественного контейнерного флота.
2. Разработана параметрическая расчетная модель конструкции корпуса БЛКВ основанная на формировании общей конструкции корпуса из отдельных типовых подконструкций, количество и тип которых зависит от параметров перевозимого груза.
3. На основе статистического анализа проектных характеристик современных судов имеющих ограничения размеров МО по условиям грузообработки, получены стабильные зависимости определения габаритов МО. Предложена математическая модель определения длины БЛКВ на основе решения уравнения вместимости судна.
4. Предложены зависимости для определения F, которые играют роль ограничений в ММП БЛКВ по условиям заливаемости.
5. Предложен вид уравнения нагрузки в функции от главных размерений для БЛКВ. Основной особенностью уравнения является использование расчетного моделирования при определении отдельных статей нагрузки.
6. Разработана методика и соответствующая ей математическая модель определения главных размерений БЛКВ на начальных стадиях проектирования. В разработанной математической модели реализован принцип определения размерений от параметров груза и использования процедур расчетного моделирования. Разработанная методика позволяет использовать процедуры проверки общей прочности на начальных стадиях проектирования.
7. Разработана методика автоматизации расчетов НДС ММЭ, основанная на использовании универсального МЭ и типовой конструкции корпуса БЛКВ, с целью ее использования в ММП БЛКВ
8. Разработаны программные продукты, реализующие разработанные методики. Программы написаны на языке Pascal в среде объектно-ориентированного программирования Delphi. Принцип реализации – процедурно-модульный, что позволяет эффективно их дополнять и модифицировать.
Разработанная математическая модель определения главных размерений БЛКВ предназначена для использования в исследовательском оптимизационном проектировании контейнеровозов данного типа.
Основные положения проведенного исследования нашли отражение в следующих публикациях
Публикация в издании перечня ВАК
1. Морские безлюковые контейнеровозы: тенденции развития и особенности проектирования // Научный инф. сборник «Транспорт: наука, техника, управление» ВИНИТИ РАН 2008, №2, С. 12-20. (соавтор Тарануха Н.А.).
Статьи в сборниках научных трудов:
2. Анализ концепции безлюкового контейнеровоза // Вестник КнАГТУ. Выпуск 1. Транспорт. Сборник 2. Сборник науч. трудов - Комсомольск-на-Амуре: КнАГТУ, 1995, С. 17-22.
3. Безлюковые контейнеровозы // Материалы 12 Дальневосточной НТК «Учет особенностей Дальневосточного бассейна при проектировании и модернизации судов» - Владивосток: ДВГТУ, 1995, С. 26-28.
4. Проблемы прочности в исследовательском проектировании безлюковых контейнеровозов // Труды международной конференции «Проблемы прочности и эксплуатационной надежности судов» - Владивосток: ДВГТУ, 1996, С. 221-224.
5. Особенности математической модели проектирования безлюковых контейнеровозов // Технические науки. Материалы 26-й науч.-техн. конф. КнАГТУ (Комсомольск-на-Амуре, 4-26 апреля 1996 г.) Часть 1. - Комсомольск-на-Амуре: КнАГТУ, 1997, С. 91-97.
6. Методика определения главных размерений безлюковых контейнеровозов // Материалы международной конференции SOPP-98 «Кораблестроение и океанотехника. Проблемы и перспективы», - Владивосток: ДВГТУ, 1998, С. 35-38.
7. Рациональные численные модели анализа прочности и мореходности судна // Материалы междунар. конф. МОРИНТЕХ-99. - Санкт-Петербург, 1999. (соавторы Журбин О.В., Каменских И.В., Тарануха Н.А., Чижиумов С.Д.)
8. Применение метода модуль-элементов на начальных стадиях проектирования безлюкового контейнеровоза // Труды международной конференции «Проблемы прочности и эксплуатационной надежности судов» - Владивосток: ДВГТУ, 1999, С. 306-313.
9. Technique of designing of hatchless containership // The Fourteenth Asian Technical Exchange and Advisory Meeting on Marine Structures. 18-21 September 2000. Far Eastern State Technical University, RUSSIA. p.98-104.
10. Определение длины безлюкового контейнеровоза от габаритов перевозимого груза // Вестник КнАГТУ. Выпуск 2. «Прогрессивные технологии в машиностроении». Сборник 1. Часть 3. Сборник науч. трудов - Комсомольск-на-Амуре: КнАГТУ, 2000, С. 155-160.
11. Разработка новых средств повышения эффективности и надёжности судов на основе численного моделирования их гидродинамики и прочности // Материалы отчётной конф.-выставки подпрограммы 205 «Транспорт» науч.-тех. прог. Минобразования РФ «Научные исследования ВШ по приоритетным направлениям науки и техники». – М.: МАИ, 2001, С. 240 – 242. (соавторы Тарануха Н.А., Чижиумов С.Д., Журбин О.В.)
12. Автоматизация расчетов прочности методом модуль-элементов // Материалы международной научной конференции «Нелинейная динамика и прикладная синергетика». Ч.2: - Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2003, С.36-40. (соавтор Тарануха Н.А.)
13. Типовая расчетная конструкция корпуса безлюковых контейнеровозов // Вестник ГОУВПО «КнАГТУ». Вып. 4. Сб. 2. «Наука на службе технического прогресса»: В 2 ч. Ч. 2. Сб. науч. тр. - Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2004, С. 18-22.
14. Особенности определения высоты надводного борта безлюковых контейнеровозов // Вестник ГОУВПО «КнАГТУ». Вып. 5: В 3 ч. Ч. 1: Сб. науч. тр. - Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2005, С. 119-121.
15. Учет заливаемости безлюковых контейнеровозов на начальных стадиях проектирования // Вестник ГОУВПО «КнАГТУ». Вып. 5: В 3 ч. Ч. 1: Сб. науч. тр. - Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2005, С. 122-126.
16. Автоматизация расчетов общей прочности судов методом модуль-элементов // Материалы XXII Международной конференции «Математическое моделирование в механике деформированных тел и конструкций. Метод граничных и конечных элементов»- «BEM&FEM-2007». – Санкт-Петербург, 2007. (соавторы Тарануха Н.А., Чижиумов С.Д., Гринкруг Л.С.)
17. Расчет нагрузки в математических моделях проектирования универсальных сухогрузных судов и контейнеровозов // Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии и материалы. Инновации и инвестиции в промышленности Дальнего Востока»: в 3 ч. Ч. 2 :– Комсомльск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2007, С. 106-113. (соавтор Мытник Н.А.)
Свидетельства о регистрации программ для ЭВМ:
18. Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ «Волновые нагрузки на корпус судна» № 2007612331 от 04.06.2007 г.
19. Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ «Module Element Method For Hatchless Containership» № 2007612332 от 04.06.2007 г. (соавтор Тарануха Н.А.)
Бурменский Андрей Дмитриевич
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЛАВНЫХ РАЗМЕРЕНИЙ
БЕЗЛЮКОВЫХ КОНТЕЙНЕРОВОЗОВ НА НАЧАЛЬНЫХ
СТАДИЯХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Автореферат
Подписано в печать 07.05.2009
Формат 60х84/16. Бумага писчая. Печать офсетная.
Усл.печ.л. 1,40. Уч.-изд.л. 1,35. Тираж 100. Заказ 22418
Полиграфическая лаборатория ГОУВПО «КнАГТУ»
681013, Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27
