Разработка расчетной динамической модели кранового судна большой грузоподъемности при обрыве груза

DOI: 10.2493 7/2542-2324-2019-2-S-I-63-66 УДК 629.563.5.001.57

H.C. Дьячук, Д.Ю. Несин, А.В. Пьянов, И.Л. Благовидова

АО «ЦКБ Коралл», Севастополь, Россия

РАЗРАБОТКА РАСЧЕТНОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ КРАНОВОГО СУДНА БОЛЬШОЙ ГРУЗОПОДЪЕМНОСТИ ПРИ ОБРЫВЕ ГРУЗА

Выполнено численное моделирование и анализ поведения кранового судна (КС) большой грузоподъемности при обрыве груза на гаках главного подъема. Оценка результатов численного моделирования показывает, что расхождение результатов расчетов численного моделирования с результатами, определенными по методике, изложенной в Правилах Российского морского регистра судоходства, составляет около 10 %. Предлагаемый метод позволяет определить динамику корпуса при действии изменяющихся во времени внешних сил и оценить опасные с точки зрения остойчивости и заливаемости движения корпуса КС. Выполненный анализ подтверждает необходимость дальнейших исследований поведения КС при обрыве груза на гаках главного подъема методами динамики корабля. Ключевые слова: крановое судно, обрыв груза, расчетная динамическая модель. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.

DOI: 10.24937/2542-2324-2019-2-S-I-63-66 UDC 629.563.5.001.57

I. Blagovidova, N. Dyachuk, D. Nesin, A. Pyanov

JSC "Central Design Office Korall", Sevastopol, Russia

DEVELOPMENT OF ANALYTICAL DYNAMIC MODEL FOR HEAVY-DUTY CRANE SHIP IN CARGO DROP CONDITIONS

This paper describes numerical simulation and behaviour analysis of heavy-duty crane ship in the conditions of cargo drop from main hooks. The assessment of numerical simulation results and their comparison versus the data obtained as per the procedure prescribed by the Rules of Russian Maritime Registry of Shipping has shown a deviation of -10% between them. The method suggested in this paper enables dynamic calculations of crane ship hull under time-variable external loads and assess its motions in terms of greenwatering and capsizing hazard. This analysis confirms the necessity of further studies on crane ship dynamics in the scenario of cargo drop from main hooks. Keywords: crane ship, cargo drop, analytical dynamic model. Authors declare lack of the possible conflicts of interests.

Актуальность темы

Relevance of the topic

В современной мировой практике наблюдается устойчивая тенденция к увеличению грузоподъемности плавкранов и крановых судов (КС).

Случаи аварий и гибели КС при работе с номинальном грузом в случае его обрыва, имевшие

место в течение последних лет, делают актуальным научный анализ некоторых положений об остойчивости судов данного типа. Можно предположить следующие возможные причины аварий:

сложный характер и высокий уровень внешних воздействий на КС, превосходящих нормативное значение;

Для цитирования: Благовидова И.Л., Дьячук Н.С., Несин Д.Ю., Пьянов А.В. Разработка расчетной динамической модели кранового судна большой грузоподъемности при обрыве груза. Труды Крыловского государственного научного центра. 2019; Специальный выпуск 2: 63-66.

For citations: Blagovidova I.L., Dyachuk N.S., Nesin D.Yu., Pyanov A.V. Development of analytical dynamic model for heavy-duty crane ship in cargo drop conditions. Transactions of the Kiylov State Research Center. 2019; Special Edition 2: 63-66 {in Russian).

Щ ФГУП «Крыловский государственный научный центр» 63

И.Л, Благовидова, U.C. Дьячук, Д.Ю. Несин, A.B. Пьянов.

Разработка расчетной динамической модели кранового судна большой грузоподъемности при обрыве груза

сложная динамика поведения кранового судна как реакция на внешнее воздействие; неквалифицированные действия экипажа в аварийной ситуации.

В Правилах Российского морского регистра судоходства безопасность в рабочем положении КС устанавливается удовлетворением «критерию погоды». Критерий погоды задает динамический угол крена судна, возникающего в результате действия нормативного кренящего момента определенного значения, не превышающего угла, при котором кромка палубы входит в воду или середина скулы на мидель-шпангоуте выходит из воды, и не превышающего угла заливания [1]. Также нормируются параметры диаграммы статической остойчивости [1].

В отношении обрыва груза в Правилах РС тоже устанавливаются требования о не превышении динамического угла крена (от совместного действия обрыва груза, ветра и качки), угла заливания или угла опрокидывания судна. Предельное значение динамического угла крена при этом определяется заранее при помощи приближенного геометрического построения, которое не вполне обосновано. В случае сильного воздействия внешних сил или сильной реакции судна будет невозможно осуществить такое построение по причине дополнительно возникающих при крене побочного угла дифферента и вертикального перемещения корпуса.

В случае обрыва груза для выяснения возможности аварии необходимо проводить исследование динамики судна при сложном внезапном воздействии внешних сил в результате обрыва груза. Физическое моделирование поведения КС в различных ситуациях позволяет, при сравнительно небольшом объеме исходной информации, получить относительно достоверную оценку остойчивости. Но практически некоторые элементы и процессы воспроизвести на модели не удается, в таком случае прибегают к имитации, что ведет к увеличению погрешностей [2^1].

При том, что грузовые операции с номинальным грузом у КС большой грузоподъемности выполняются достаточно редко, применение принципа гарантии безопасности в этом случае имеет один важный аспект - гибель кранового плавучего сооружения, обеспечивающего работы, может иметь побочные последствия, потери от которых несоизмеримо велики по сравнению со стоимостью самого судна [5, 6]. Этим обоснована актуальность вопросов, связанных с научным анализом поведения плавкранов и крановых судов при обрыве груза.

Цель работы Purpose of study

Целями настоящей статьи являются:

численное моделирование в программном комплексе Anchored Structures поведения кранового судна большой грузоподъемности при сложном и внезапном воздействии внешних сил, в результате обрыва груза, т.е. когда нагрузка судна изменяется за относительно малый промежуток времени; сопоставление результатов численного моделирования с результатами, определенными по методике, изложенной в Правилах Российского морского регистра судоходства [1].

Методы исследования Methods of research

Описание поведения КС базируется на подходах и математических моделях динамики судна (качка корабля). Методически решение задач динамики корабля основывается на решении системы дифференциальных уравнений движения; определении сил, действующих на корпус и верхнее строение КС с учетом раскачивания груза на гаке главного подъема; интегрировании уравнений движения и анализе полученных результатов.

Для бортовой качки КС плоское движение полюса <9(0, Zo) и угловое колебание КС вокруг оси 0,1'описывается системой уравнений [2]

дi f'Í0 -ё{>,. cos9 + ZG sin9) чЛ

g [+(ef (rGsine+zGcose) J = - A] (y,a,r, v),

Д

g i+(é)2(TG cosQ + Z0 sine) = -A1+/511(y,a,r,y),

A f-iin Pg sin 6 + zo cos e)

g l+Co {YG C0S 9 + ZG sm 9)

+e(,/XT+jyy) =

= Aj (lG cosü • Z,; sine) +Mxn (y,a,r,y).

Решение поставленной задачи выполнялось с помощью математического моделирования обрыва груза в программном комплексе Anchored Structures [7], который предназначен для статического и дина-

64

Труды Крыловского государственного научного центра. Специальный выпуск 2, 2019

Рис. 1. Общий вид трехмерной модели кранового судна «Волгарь» в программном комплексе Anchored Structures

Fig. 1. General view of Volgar crâne ship in Anchored Structures software package

Рис. 2. Бортовая качка плавкрана при моделировании обрыва груза массой 550 т

Fig. 2. Crane ship rolling: 550 t cargo drop scenario

1

0

и

a-0*5

я

u — 1 s & 1'5

§ "2 £ -2,5 -3 -3,5

Время, с

—1 реализация -*-2 реализация —3 реализация —4 реализация

1 0

• -1 «

в _1 ç & 1,5

§ "2 £ -2,5 -3 -3,5

Рис. 3. Бортовая качка плавкрана при моделировании обрыва груза массой 700 т

Fig. 3. Crane ship rolling: 700 t cargo drop

Время, с

— 1 реализация —2 реализация 3 реализация — 4 реализация

1 реализация -•-

Время, с 2 реализация

3 реализация — 4 реализация

Рис. 4. Бортовая качка плавкрана при моделировании обрыва груза массой 850 т

Fig. 4. Crane ship rolling: 850 t cargo drop scenario

Рис. 5. Бортовая качка плавкрана при моделировании обрыва груза массой 1000 т

Время, с

—1 реализация —2 реализация — 3 реализация

PC

Fig. 5. Crane ship rolling: 1000 t cargo drop scenario

Рис. 6. Сравнение результатов расчета по Правилам и численного моделирования

Fig. 6. Numerical simulation data vs calculation results obtained as per RS procedure

2

550 650 750

—♦— Правила PC

850 950

Моделирование

I.L. Blagovidova, N.S. Dyachuk, D.Yu. Nesin, A.V. Pyanov. Development of analytical dynamic model for heavy-duty crane ship in cargo drop conditions

мического анализа свободно плавающих, заякоренных или стационарных морских сооружений, имеет сертификат PC. Для изучения поведения КС с грузом на гаке и в момент обрыва груза в программном комплексе Anchored Structures была создана трехмерная геометрическая модель КС «Волгарь» [8]. Общий вид трехмерной модели показан на рис. 1 (см. вклейку). Заданы его основные элементы, имеющие значение для корректного моделирования: водоизмещение, положение центра тяжести и осадка сооружения, моменты инерции масс. Для имитации удержания КС в точке выполнения грузовых операций в модель была включена система удержания, параметры которой приняты в соответствии с характеристиками реально установленного на КС «Волгарь» оборудования.

При моделировании нагрузки от ветра и течения вычислялись в зависимости от заданных эпюр скорости ветра и течения, известной надводной площади парусности и подводной площади диаметрали, а также заданных коэффициентов сопротивления. Волновые нагрузки вычислялись по дифракционной теории. В качестве расчетного принят спектр волнения JONSWAP, который рекомендован ISO 19901-1 «Нефтяная и газовая промышленность. Сооружения нефтегазопромысловые морские. Проектирование и эксплуатация с учетом гидрометеорологических условий» и Правилами PC [1].

Выполнение грузовых операций допускается при следующих параметрах гидрометеоусловий, принятых в качестве расчетных при анализе поведения КС:

скорость ветра - до 12 м/с (6 баллов);

высота волнения h 3о/о - до 1,25 м (3 балла).

В качестве основных результатов математического моделирования КС с грузом на гаках были получены параметры остойчивости и характер колебаний КС и груза.

Для анализа поведения КС при обрыве груза были сформированы четыре расчетные ситуации, которые включали в себя варианты обрыва грузов массой от 550 до 1000 т, поднимаемых на двух гаках одного борта (несимметричный подъем с откренивающим балластом). Вариант обрыва грузов массой свыше 1000 т, поднимаемых на четырех гаках, маловероятен и не соответствует расчетной схеме Правил PC из-за отсутствия кренящего момента после обрыва, в связи с чем он не рассматривался в настоящей работе.

Для моделирования обрыва груза была задействована временная диаграмма. С ее помощью задавались нагрузки и моменты от действия веса груза во времени по всем шести степеням свободы. По завершении переходного периода (периода развивающегося волнения) нагрузка от действия груза пропа-

дала, т.е. происходил обрыв груза. Вслед за этим резко изменялись крен и дифферент КС, максимальные значения которых фиксировались (рис. 2-5, см. вклейку) и сравнивались со значениями, полученными в результате расчета по основной методике, изложенной в Правилах PC.

Выполненный анализ включает в себя определение параметров остойчивости и характер колебаний, которые совершает КС при обрыве груза на гаках главного подъема с учетом воздействия внешних сил.

На основании полученных результатов выполнен анализ достаточности требований графического метода, изложенного в Правилах Российского морского регистра судоходства, в части определения опрокидывающего момента, возникающего при обрыве груза (таблица, рис. 6, см. вклейку).

Выводы

findings

По результатам исследования можно сделать следующие выводы:

1. Выполнено численное моделирование и анализ поведения КС большой грузоподъемности при обрыве груза на гаках главного подъема.

2. Предлагаемый метод позволяет определить динамику корпуса при действии изменяющихся во времени внешних сил и оценить опасные с точки зрения остойчивости и заливаемости движения корпуса КС. Становится возможным смоделировать такие расчетные ситуации, которые недоступны для исследования по методам статики.

3. При воздействии динамически приложенного кренящего момента наряду с креном возникает вертикальное перемещение корпуса, значительное по сравнению с осадкой и имеющее динамический характер.

4. Оценка результатов численного моделирования показывает, что расхождение результатов расче-

Результаты расчета по Правилам PC и численного моделирования

Numerical simulation data vs calculation results obtained as per RS procedure

Масса груза, т Значение динамического угла крена, град Разница результатов, %

По Правилам PC По результатам численного моделирования

550 2,7 3,0 10

700 3,1 3,3 8

850 3,5 3,9 10

1000 4Д 4,5 9

ФГУП «Крыловский государственный научный центр»

65

И.Л, Благовидова, Н.С. Дьячук, Д.Ю. Несин, A.B. Пьянов.

Разработка расчетной динамической модели кранового судна большой грузоподъемности при обрыве груза

тов численного моделирования с результатами, определенными по методике, изложенной в Правилах Российского морского регистра судоходства составляет около 10 %. что подтверждает необходимость дальнейших исследований поведения КС при обрыве груза на гаках главного подъема методами динамики корабля.

Библиографический список

1. Правила классификации и постройки морских судов. Часть IV. Остойчивость. СПб.: РМРС, 2019. 91 с.

2. Зтьковстш-Горобатеико В.Г. Обеспечение остойчивости при проектировании плавучих кранов. Дис. ... канд. техн. наук: 05.08.03. Севастополь: Севастопольский приборостроительный университет, 1984. 267 с.

3. Ганшкевич А.Ю., Ельчаттов ДА. Расчетно-экспе-риментальный метод исследования динамики грузоподъемных кранов // Материалы международной науч-но-технической конференции ИНСТРОИМЕХ. Казань, 2015. С. 56-61.

4. Балаиюв М.Г. Модельные исследования качки полупогружных плавучих кранов в рабочем положении // Сборник докладов Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения Р.Е. Алексеева. Севастополь, 2016. С. 22-26.

5. Швачунов А.С., Дорохов Н.Ю., Периг А.В., Стадник АН. Моделирование поведения груза после обрыва одной из ветвей каната крана мостового типа // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. 2014. № 65-66. С. 185-188.

6. Колесник В А., Халтуринский А.Н. Обоснование оценки безопасности процессов управления плавучим краном // Морской вестник. 2009. № 1(29). С. 66-67.

7. Большее А.С. Михаленко Е.Б., Фролов СА. Математическое моделирование поведения морских плавучих сооружений //Трубы СПбГТУ. 2007. № 508. С. 252-274.

8. Синелыциков А.В., Панасенко Н.Н. Динамика плавучего крана «Волгарь» на волнении моря / А.В. Синель-щиков, // Вестник Астраханского государственного технического университета. 2016. № 3. С. 32—42.

References

9. 1 .Rules for Classification and Construction of Sea-Going Ships. Part IV. Stability, St. Petersburg, Russian Maritime Registry of Shipping, 2019.

10. 2.V. Zinkovsly-Gorobatenko. Stability of floating cranes: design solutions. Cand. Sc. Theses. 05.08.03. Sevastopol Instrumentation University, 1984,267 pp. (in Russian).

11. ЗА. Ganshkevich, D. Elchaninov. Analytical & experimental method for dynamic stadies of cargo-lifting cranes // Materials of international scientific & technical conference INSTROYMECH. Kazan, 2015, pp. 56-61 (in Russian)..

12. AM. Balashov. Model stadies on motions of semi-submersible floating cranes in working position // Compendium of papers, All-Russian scientific & practical conference commemorating 100*' anniversary of R.E. Alexeev. Sevastopol, 2016, pp. 22-26 (in Russian).

13. 5.4 Slwadnmov, N. Dorokhov,. 1. Peng, A. Stadnik. Simulation of cargo behavior after breakage in one of gantry crane rope wires // Bulletin of Kharkiv Natinonal Automobile and Highway University, 2014, Nos. 65-66, pp. 185-188 (in Russian).

14. 6.V. Kolesnik, A. Khalturinsky. .Tustifiication for floating crane control safety assessment // Morsko\' Vestnik, 2009, No. 1(29), pp. 66-67 (in Russia).

15. 1 A- Bolshev, Ye. Mikhalenko, S. Frolov. Mathematical simulation of behariour for marine floating structures// Proceedings of St. Petersburg State Institute of Technology, 2007, No. 508, pp. 252-274 (in Russian).

16. 8.A. Sinelshikov, N. Panasenko. Dynamics of Volgar floating crane in sea waves // Vestnik of Astrakhan State Technical University, Marine Engineering & Technologies, 2016, No. 3, pp. 32-42

Сведения об авторах

Дьячук Надежда Станиславовна, инженер АО «ЦКБ Коралл». Адрес: 299028, Россия, Севастополь, ул. Репина, 1. Тел.: +7 978 700-33-49. E-mail: nadusha960iS>gmail.com. Несин Даниил Юрьевич, начальник сектора АО «ЦКБ Коралл». Адрес: 299028, Россия, Севастополь, ул.. Репина, 1. Тел,: +7 978 828-50-38. E-mail: DffliielNesiniSimail.ra. Пьяное Андрей Владимирович, начальник сектора АО «ПКБ Коралл». Адрес: 299028, Россия, Севастополь, ул. Репина, 1. Тел.: +7 978 766-98-92. E-mail: office i/cdbcorall.m. Епаговидова Ирина Львовна, заместитель начальника отдела АО «ЦКБ Коралл». Адрес: 299028, Россия, Севастополь, ул. Репина, 1. Тел.: +7 978 736-15-50. E-mail: officefScdbcorall.ru.

About the authors

Dyachuk, Nadezhda S.,=Engineer, JSC "Central Design Office Korair, address: 1, Repina st., Sevastopol, Russia, post code 299028, tel.: +7 978 700-3349. E-mail: mdiisha960(.gmail.com. Nesin, Daniil Yu,, Head of Sector, JSC "Central Design Office Korair, address: 1, Repina st., Sevastopol, Russia, post code 299028, tel.: +7 978 828-50-38. E-mail: DffliieNesiii@mail.ru. Pyanov, Anchvy V., Head of Sector, JSC "Central Design Office Korair, address: 1, Repina st., Sevastopol, Russia, post code 299028, tel.: +7 978 766-98-92. E-mail: officeiSicdbcorall.ra. Blagovidova, Irina L., Deputy Head of Department, JSC "Central Design Office Korair, address: 1, Repina st., Sevastopol, Russia, post code 299028, tel.: +7 978 736-15-50. E-mail: of-fice(a!cdbcorall.m.

Поступила / Received: 23.07.19 Принята в печать / Accepted: 30.08.19 © Коляектив авторов, 2019

66

Труды Крыловского государственного научного центра. Специальный выпуск 2, 2019