Исследование остойчивости судна в условиях захвата волной носовой оконечности

СУДОСТРОЕНИЕ, СУДОРЕМОНТ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ ФЛОТА

DOI: 10.24143/2073-1574-2018-2-7-13 УДК 629.5.015.4

П. Е. Бураковский

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСТОЙЧИВОСТИ СУДНА В УСЛОВИЯХ ЗАХВАТА ВОЛНОЙ НОСОВОЙ ОКОНЕЧНОСТИ

Среди всех видов аварий судов мирового флота потеря остойчивости судна выделяется тяжестью своих последствий, поскольку нередко приводит к гибели экипажа. Одной из причин потери судами остойчивости является захват волной носовой оконечности судна во время шторма на встречном волнении. Исследуется степень опасности гидродинамических нагрузок, воздействующих на палубу судна в носовой оконечности в условиях её захвата волной. Проведено теоретическое исследование трансформации диаграммы статической остойчивости судна в процессе захвата волной носовой оконечности. В ходе исследования было выявлено, что характер изменения кривых восстанавливающего момента при росте гидродинамической нагрузки, действующей на носовую оконечность, зависит от водоизмещения судна. Исследовано влияние начальной поперечной метацентрической высоты на величину критической нагрузки, действующей на палубу судна в носовой оконечности и приводящей к его опрокидыванию. Показано, что смещение точки приложения равнодействующей гидродинамических сил от диаметральной плоскости судна приводит к существенному уменьшению критической нагрузки. Результаты проведённых исследований свидетельствуют о том, что при проектировании и эксплуатации судов, а также при нормировании их остойчивости, необходимо учитывать особенности поведения судна на развитом встречном волнении.

Ключевые слова: носовая оконечность судна, захват волной, потеря остойчивости, диаграмма статической остойчивости, метацентрическая высота.

Введение

Потеря остойчивости судна, приводящая к опрокидыванию, представляет серьезную угрозу для безопасности мореплавания, поскольку нередко вследствие быстрого развития аварийной ситуации гибнет экипаж [1-3]. По данным аварийной статистики ежегодно из-за потери остойчивости гибнут десятки судов различных размеров и водоизмещений.

Установить причины развития подобных аварий весьма затруднительно, т. к. ни свидетелей этих аварий, ни самих объектов, как правило, не остаётся. И только в отдельных случаях представляется возможным достоверно оценить ситуацию, приведшую к развитию аварии. Всесторонний анализ подобных аварий позволяет сделать правильные выводы, разработать меры, которые помогут избежать подобных катастроф в дальнейшем. Однако при расследовании большинства подобных трагедий их основной причиной чаще всего называют человеческий фактор, в то время как другие, более важные причины оказываются вне поля зрения.

«Опрокидывание представляет опасность не только для малых судов. Даже крупные морские транспортные суда не гарантированы от этой опасности... <...> Одними только методами статистических исследований невозможно решить все вопросы нормирования остойчивости. Основой нормирования остойчивости должно служить изучение физической сущности явлений, сопровождающих воздействие на судно внешних сил» [4, с. 191-192].

Одним из таких явлений является захват волной носовой оконечности судна во время шторма. Этой проблеме уже посвящен ряд работ [5-8], но она является более масштабной, чем представлялось ранее. Настоящая статья посвящена дальнейшему исследованию поведения судна в штормовом море. В статье анализируется степень опасности гидродинамических нагрузок, воздействующих на палубу судна в носовой оконечности в условиях её захвата волной.

Трансформация диаграммы статической остойчивости при захвате волной носовой оконечности судна

Экспериментальные исследования, результаты которых представлены в [9], подтвердили резкое падение поперечной метацентрической высоты при захвате волной носовой оконечности судна. При этом возникают гидродинамические нагрузки, которые действуют на палубу судна в носовой оконечности, и это обуславливает трансформацию диаграммы статической остойчивости судна. Было показано, что при гидродинамическом давлении на палубу в носовой оконечности диаграмма статической остойчивости значительно трансформируется и, при значениях Р « 0,135- D, где D - водоизмещение судна, судно переворачивается.

Представляется важным исследовать влияние поперечной метацентрической высоты на поведение судна в условиях захвата волной его носовой оконечности. В настоящей работе для этого была использована компьютерная программа, позволяющая рассчитывать характеристики остойчивости судна для различных условий его загрузки на основании данных теоретического чертежа. Для различных значений начальной поперечной метацентрической высоты были построены диаграммы статической остойчивости в условиях захвата волной носовой оконечности судна при изменении величины гидродинамической нагрузки. На рис. 1 и 2 показана трансформация диаграммы статической остойчивости для двух значений поперечной метацентрической высоты (й0) при различных водоизмещениях судна (П). Из рисунков видно, что в зависимости от условий загрузки судна трансформация диаграмм статической остойчивости происходит по-разному.

Рис. 1. Трансформация диаграммы статической остойчивости в условиях захвата волной носовой оконечности судна при И0 = 0,25 м и D = 4 352 т: Р - гидродинамическая нагрузка, действующая на палубу судна в носовой оконечности; А - точка касания диаграммы статической остойчивости и оси х

Рис. 2. Трансформация диаграммы статической остойчивости в условиях захвата волной носовой оконечности судна при Н0 = 0,5 м и D = 8 000 т

При Б = 4 352 т с увеличением нагрузки, действующей на носовую оконечность судна в условиях захвата волной, начальная поперечная метацентрическая высота становится отрицательной. Однако, начиная с некоторого угла крена, восстанавливающий момент возрастает и достигает положительных значений, если величина гидродинамической силы, действующей на носовую оконечность, не превышает некоторого значения Ркрит. В этом случае критической

силой Ркрит считалась сила, при действии которой вершина диаграмм статической остойчивости

(точка А) достигала нулевых значений. Это значение является предельным значением гидродинамической силы, при котором обеспечивается статическая остойчивость судна в условиях захвата волной. Для обеспечения динамической остойчивости необходимо, чтобы площадь, ограниченная кривой восстанавливающего момента и осью абсцисс при значениях 0 от 0 до первого пересечения с осью абсцисс (отрицательная область диаграммы), была равна площади при значениях 0, изменяющихся от первого до второго пересечения кривой восстанавливающего момента с указанной осью (положительная область диаграммы). Значение нагрузки, при которой

наблюдается равенство указанных площадей, обозначим Ркрит. Вопрос о её определении будет

подробно рассмотрен ниже.

При Б = 8 000 т увеличение гидродинамической силы приводит к тому, что начальная поперечная метацентрическая высота становится отрицательной, а кривая восстанавливающего момента превращается в монотонно убывающую, и в этом случае можно считать, что Ркрит = Ркрит.

На основании анализа графиков, аналогичных представленным на рис. 1 и построенных для различных значений поперечной метацентрической высоты, можно сделать вывод о том, что её повышение увеличивает критическую нагрузку Ркрит, ведущую к перевороту судна. Нетрудно оценить этот эффект и количественно (рис. 3) для водоизмещения Б = 4 352 т.

Рис. 3. Зависимость критической силы от поперечной метацентрической высоты при Б = 4 352 т

Видно, что критическая сила практически прямо пропорционально зависит от метацен-трической высоты. Подобная зависимость может быть получена и для Ркрит.

На основании диаграмм, подобных представленной на рис. 2, могут быть построены графики изменения критического значения гидродинамической силы в зависимости от начальной поперечной метацентрической высоты для водоизмещения Б = 8 000 т, аналогичные рис. 3.

Влияние смещения равнодействующей гидродинамических сил на остойчивость судна

Следует отметить, что опрокидывание судна может произойти и при меньших значениях нагрузки, чем это следует из рис. 3, т. к. гидродинамическое давление приложено не строго в диаметральной плоскости, вследствие чего одновременно с давлением на палубу в носовой оконечности оно создаёт и кренящий момент

Мкр = р • в, О)

где Р - гидродинамическая сила, действующая на носовую оконечность; е - отстояние равнодействующей всех сил гидродинамического давления Р от диаметральной плоскости.

Представленные на рис. 3 значения Ркрит, при которых диаграмма статической остойчивости касается оси абсцисс в точке А, соответствуют опрокидыванию судна при его статическом накренении под действием бесконечно малого внешнего момента для водоизмещения D = 4 352 т. При водоизмещении D = 8 000 т и отрицательной начальной поперечной метацен-трической высоте восстанавливающий момент практически монотонно убывает с увеличением угла крена, что соответствует опрокидыванию судна под действием малых возмущающих сил. При этом точка касания диаграммы и оси абсцисс, аналогичная точке А, в этом случае отсутствует. В реальной ситуации при захвате волной носовой оконечности судна равнодействующая сил давления будет приложена к палубе в носовой оконечности не строго в диаметральной плоскости, а на некотором расстоянии е от неё.

Обозначим через МОКР величину опрокидывающего кренящего момента, вычисляемого по формуле (1), которая соответствует опрокидыванию судна в случае статического нагружения. Кренящий момент, приводящий к опрокидыванию судна в случае статического нагружения (МОКР), соответствует горизонтальной прямой, касательной к диаграмме статической остойчивости для данного усилия, действующего на носовую оконечность судна при её захвате волной (рис. 4, 5).

Рис. 4. Влияние смещения равнодействующей гидродинамических сил от диаметральной плоскости на её критическую величину при D = 4 352 т

Рис. 5. Влияние смещения равнодействующей гидродинамических сил от диаметральной плоскости на её критическую величину при D = 8 000 т

Так, на рис. 4 соответствующие построения выполнены для Р = 0,09  D, а на рис. 5 - для Р = 0,1  D. Тогда величина предельного смещения е равнодействующей сил давления, при превышении которой судно опрокинется, может быть определена из условия

МГЛ

е = -

Р

где Ре - значение гидродинамической силы, вызывающей опрокидывание судна при отклонении точки её приложения на величину е от диаметральной плоскости при статическом приложении.

При рассмотрении динамической остойчивости судна, первоначально находящегося в прямом положении, предельное значение кренящего момента М*ОКР, при превышении которого судно опрокинется, можно найти из равенства заштрихованных площадей на рис. 4 и 5. В этом случае предельно допустимое смещение точки приложения гидродинамической силы от диаметральной плоскости:

е» = Мокр

Р*

где Ре* - значение гидродинамической силы, вызывающей опрокидывание судна при отклонении

точки её приложения на величину е от диаметральной плоскости при динамическом приложении.

Таким образом, по формулам (2) и (3) могут быть определены значения допускаемого смещения равнодействующей гидродинамических сил для их различной величины. Соответствующие графические зависимости представлены на рис. 6.

Р. =р./Р„.

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2

В = 16 м ^ = 0,75 м В = 4 352 т

0,1

0,2

0,3

0,4 Ё-&/В

р = р / р

1,0 0,8 0,6 0,4 0.Д

В = 16 м К = 0,75 м В = 4 352 т

0.5 0.10 0.15 0.20 0.25 Е*=Е*/

Рис. 6. Зависимость предельного значения гидродинамической силы от её смещения относительно диаметральной плоскости при обеспечении: статической остойчивости для D = 4 352 т

а

б

Таким образом, фактическое усилие, при котором судно может потерять поперечную остойчивость, может быть существенно меньше того, что представлено на рис. 3. Исследование статической остойчивости судна показало, в частности, что при водоизмещении D = 4 352 т и при ё = 0,25 (рис. 6) к опрокидыванию судна приведёт нагрузка, составляющая примерно половину от определённой по графику, представленному на рис. 3. Для водоизмещения D = 8 000 т при таком же смещении равнодействующей от диаметральной плоскости эта нагрузка составляет менее 0,4 • P.

Исследование динамической остойчивости судна при D = 8 000 т показало, что при ё * = 0,25 фактическая критическая сила, ведущая к опрокидыванию судна при обеспечении динамической остойчивости, составляет около 0,3 • P^. Для судна с водоизмещением D = 4 352 т (рис. 6, б) при том же смещении равнодействующей динамическая остойчивость обеспечивается при нагрузке, составляющей примерно 0,5 • P^ .

Следует отметить, что при малых метацентрических высотах фактическое усилие, при котором судно теряет поперечную остойчивость, составляет весьма малые значения, находящиеся на уровне погрешности определения водоизмещения судов.

Заключение

Результаты представленных исследований свидетельствуют о необходимости учёта особенностей поведения судна на развитом встречном волнении при проектировании и эксплуатации судов, а также при нормировании их остойчивости. В связи с этим весьма актуальной является разработка конструктивных мероприятий, повышающих безопасность судна при возникновении угрозы захвата волной его носовой оконечности.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Watanabe I., Ohtsubo H. Analysis of the accident of the MV Nakhodka. Part 1. Estimation of wave loads // Marine Science and technology. Springer. 1998. Vol. 3. No. 4. Pp. 171-180.

2. Yao T., Sumi Y., Takemoto H., Kumano A., Sueoka H., Ohtsubo H. Analysis of the accident of the MV Nakhodka. Part 2. Estimation of the structural strength // Marine Science and technology. Springer. 1998. Vol. 3. No. 4. Pp. 181-193.

3. Paik J. K., Faulkner D. Reassessment of the M. V. Derbyshire sinking with the focus on hull-girder collapse // Marine Technology. 2003. Vol. 40. No. 4. Pp. 258-269.

4. Аксютин Л. Р., Благовещенский С. Н. Аварии судов от потери остойчивости. Л.: Судостроение, 1975. 200 с.

5. Бураковский Е. П., Бураковский П. Е., Нечаев Ю. И., Прохнич В. П. Управление и принятие решений при контроле эксплуатационной прочности судна на основе современной теории катастроф // Морские интеллектуальные технологии. 2013. № 1 (19). С. 7-14.

6. Бураковский Е. П., Бураковский П. Е., Нечаев Ю. И., Прохнич В. П. Проблемы контроля динамики судна в экстремальных ситуациях на основе методов современной теории катастроф // Морской вестник. 2013. № 1 (45). С. 89-95.

7. Бураковский Е. П., Бураковский П. Е. Некоторые проблемы обеспечения общей прочности судов в чрезвычайных ситуациях // Тр. Крылов. гос. науч. центра. 2014. Вып. 82 (366). С. 21-30.

8. Бураковский Е. П., Бураковский П. Е. Сценарии гибели нефтерудовоза MV «Derbyshire» // Морские интеллектуальные технологии. 2017. № 3 (37). Т. 1. С. 17-22.

9. Бураковский Е. П., Бураковский П. Е. К вопросу о сценарии гибели судов во время шторма вследствие захвата волной их носовой оконечности // Морские интеллектуальные технологии. 2017. № 4 (38). Т. 2. С. 27-33.

Статья поступила в редакцию 05.03.2018

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ

Бураковский Павел Евгеньевич — Россия, 236016, Калининград; Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота Калининградского государственного технического университета; канд. техн. наук; доцент кафедры безопасности мореплавания; paul_b@mail.ru.

P. E. Burakovskiy

ANALYSIS OF SHIP STABILITY IN CONDITIONS OF WAVE RUN-UP OF THE SHIP BOW

Abstract. Among all types of wrecking in the world shipping, stability loss stands out for the severity of its consequences, because it is often accompanied by the death of the crew. One of the reasons for the stability loss is wave run-up of the ship bow during the storm in a head sea. The article analyzes the level of danger of hydrodynamic loads acting on the deck at the bow in conditions of its wave run-up. Theoretical study has been undertaken on the transformation of the statical stability diagram during the wave run-up of the ship bow. It was found out that that the nature of change in the curves of the anti-tipping moment with the increase in the hydrodynamic load acting on the bow is dependent on the ship displacement. There has been investigated the effect of the initial transverse metacentric height on the value of critical load acting on the ship deck at the bow which causes its capsizing. It can be seen that displacement of the application point of the resultant hydrodynamic forces from the midship line leads to a significant decrease of the critical load. The results of the undertaken studies testify to the need to take into account ship behavior in the developed head sea at the stage of design and regulation of ship stability, as well as during ship operation.

Key words: ship bow, wave run-up, stability loss, statical stability diagram, metacentric height.

REFERENCES

1. Watanabe I., Ohtsubo H. Analysis of the accident of the MV Nakhodka. Part 1. Estimation of wave loads. Marine Science and technology. Springer, 1998, vol. 3, no. 4, pp. 171-180.

2. Yao T., Sumi Y., Takemoto H., Kumano A., Sueoka H., Ohtsubo H. Analysis of the accident of the MV Nakhodka. Part 2. Estimation of the structural strength. Marine Science and technology. Springer. 1998, vol. 3, no. 4, pp. 181-193.

3. Paik J. K., Faulkner D. Reassessment of the M. V. Derbyshire sinking with the focus on hull-girder collapse. Marine Technology, 2003, vol. 40, no. 4, pp. 258-269.

4. Aksiutin L. R., Blagoveshchenskii S. N. Avarii sudov otpoteri ostoichivosti [Ship wrecking as a result of stability loss]. Leningrad, Sudostroenie Publ., 1975. 200 p.

5. Burakovskii E. P., Burakovskii P. E., Nechaev Iu. I., Prokhnich V. P. Upravlenie i priniatie reshenii pri kontrole ekspluatatsionnoi prochnosti sudna na osnove sovremennoi teorii katastrof [Management and decision taking under control of operational strength of a ship in terms of modern theory of disasters]. Morskie intel-lektual'nye tekhnologii, 2013, no. 1 (19), pp. 7-14.

6. Burakovskii E. P., Burakovskii P. E., Nechaev Iu. I., Prokhnich V. P. Problemy kontrolia dinamiki sudna v ekstremal'nykh situatsiiakh na osnove metodov sovremennoi teorii katastrof [Problems of ship's dynamic control in emergency situations with reference to the modern theory of disasters]. Morskoi vestnik, 2013, no. 1 (45), pp. 89-95.

7. Burakovskii E. P., Burakovskii P. E. Nekotorye problemy obespecheniia obshchei prochnosti sudov v chrezvychainykh situatsiiakh [Special problems of ensuring overall strength of ships in emergency situations]. Trudy Krylovskogo gosudarstvennogo nauchnogo tsentra, 2014, vol. 82 (366), pp. 21-30.

8. Burakovskii E. P., Burakovskii P. E. Stsenarii gibeli nefte-rudovoza MV «Derbyshire» [Scenarios of OBO ship "Derbyshire" wreckage]. Morskie intellektual'nye tekhnologii, 2017, no. 3 (37), vol. 1, pp. 17-22.

9. Burakovskii E. P., Burakovskii P. E. K voprosu o stsenarii gibeli sudov vo vremia shtorma vsledstvie zakhvata volnoi ikh nosovoi okonechnosti [To the problem of the scenario of ship wreckage in the storm because of wave run up of the ship bow]. Morskie intellektual'nye tekhnologii, 2017, no. 4 (38), vol. 2, pp. 27-33.

The article submitted to the editors 05.03.2018

INFORMATION ABOUT THE AUTHOR

Burakovskiy Pavel Evgenievich — Russia, 236016, Kaliningrad; Baltic State Academy of Fishing Fleet of Kaliningrad State Technical University; Candidate of Technical Sciences; Assistant Professor of Maritime Safety Department; paul_b@mail.ru.