Исследование характеристик остойчивости современных среднетоннажных рыболовных судов наливного типа

УДК 629.12.001.57

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ОСТОЙЧИВОСТИ СОВРЕМЕННЫХ СРЕДНЕТОННАЖНЫХ РЫБОЛОВНЫХ СУДОВ

НАЛИВНОГО ТИПА

Зыонг Ван Тхань

INVESTIGATION OF STABILITY CHARACTERISTICS OF MODERN MEDIUM-TONNAGE RSW-TYPE FISHING VESSELS

Duong Van Thanh

В данной статье рассмотрены вопросы обеспечения в процессе проектирования приемлемых характеристик одного из важнейших качеств среднетоннаж-ных наливных рыболовных судов - их остойчивости. Особенности формы обводов наливных рыболовных судов определяют их как отдельную характерную категорию таких судов. За основу работы приняты результаты исследования Ю. Л. Макова и К. Ч. Мая, в соответствии с которыми математические модели для аппликаты центра тяжести судна по всем критериям остойчивости имеют вид множественной линейной регрессии с параметрами, зависящими от геометрических характеристик судна. По итогам реконструирования характеристик наливных рыболовных судов на базе схем их общего расположения и с использованием программного пакета Maxsurf и его программного модуля Hydromax воссозданы теоретические чертежи всех означенных судов и получены расчетные значения кривых элементов теоретического чертежа. В результате выполненных статистических исследований получены практически значимые аналитические выражения для аппликат центра тяжести наливных рыболовных судов по частным критериям их остойчивости и их совокупности. В ходе исследования влияния поперечных размеров наливных рыболовных судов на их остойчивость определены зависимости, необходимые уже на ранних стадиях проектирования для аргументированного выбора значений характеристик уравнений остойчивости - начальной и относительной метацентрической высоты - с целью осуществления технико-экономического анализа и оптимизации характеристик технического задания на его проектирование. Последующее уточнение характеристик остойчивости может осуществляться в ходе практического проектирования судна с использованием разработанных статистических формул.

среднетоннажные рыболовные суда наливного типа (НРС), остойчивость НРС и ее критерии, критические значения метацентрической высоты судна (МЦВ) и аппликаты центра его тяжести (ЦТ), статистический анализ

This article addresses the issues of ensuring acceptable characteristics of stability- one of most important qualities of medium-tonnage RSW-type fishing vessels in the design process. The hull shape features of RSW-type fishing vessels define them as a special category of fishing vessels. This work is based on the results of the research by

Y. L. Makov and K. C. Mai, according to which the mathematical models for the center of gravity according to all stability criteria have the form of multiple linear regression with its parameters depending on the geometric characteristics of the vessel. Reconstruction of characteristics of RSW-type fishing vessels, which based on their general layout with the use of the software package Maxsurf and its module Hydromax has resulted in recreation of the line drawings of all the above vessels and obtaining of the values of the hydrostatic curves. By the result of the statistical studies, practically significant analytical expressions for the center of gravity of RSW-type fishing vessels have been obtained upon individual criteria of their stability and according to their combination. In the study carried on the effect of transverse dimensions of RSW-type fishing vessels on their stability, dependencies have been obtained that are necessary already at the early design stages for a well-reasoned choice of the values of the characteristics of the vessel stability equations- the initial metacentric height and its relative value. They are for the purpose of carrying out a feasibility analysis and optimization of the characteristics of its design specifications. Further adjustment of the stability characteristics of the vessel can be carried out during the practical design by using the developed statistical formulas.

medium-tonnage RSW- type fishing vessels, stability of RSW-type fishing vessels and its criteria, limiting values of the metacentric height of the vessel and its center of gravity, statistical analysis

ВВЕДЕНИЕ

Особенности современных среднетоннажных рыболовных судов наливного типа в части их размерений, формы обводов, энерговооруженности и пр., отмеченные по результатам статистического анализа их характеристик [1], определяют НРС как отдельную характерную категорию рыболовных судов. Очевидно, что проектирование этих судов предполагает всесторонний учет их особенностей. В данной статье рассмотрим вопросы обеспечения в процессе проектирования приемлемых характеристик одного из важнейших качеств НРС - их остойчивости.

По действующим Правилам Российского Регистра морского судоходства (РМС) остойчивость судна считается обеспеченной, если для всех случаев нагрузки судна, регламентируемых РМС, удовлетворяются частные критерии остойчивости, значения которых применительно к НРС представлены в табл. 1.

Таблица 1. Критерии остойчивости НРС

Table . Stability criteria of the RSW-type fishing vessel

№ п/п Наименование Критериальные значения

1 Начальная метацентрическая высота (МЦВ) h >0,35 м

2 Угол максимума ДСО 9 >30о max >30

3 Максимальное плечо ДСО lmax >0,2 м

4 Угол заката ДСО 9v >60о

5 Критерий погоды K > 1

6 Плечо ДДО при крене 9=30° ld30 > 0.055 мрад

7 Плечо ДДО при крене 9=40о "Td40 > 0.09 мрад

Разность плеч ДДО при крене 0=30 и 0=40 1аз0,40>0.03 мрад

8

Известно также, что обобщение требований к остойчивости судна может быть представлено в виде неравенств

или к=2т-2§>ккг

или уравнений

2§кг-АЬ или к^кг+ДИ,

где Zg, 2т=2е+г и ^ м, - соответственно, фактические значения аппликат центра тяжести судна (ЦТ), его метацентра, центра величины (ЦВ), а также мета-центрического радиуса и метацентрической высоты (МЦВ) при соответствующем случае нагрузки судна, а Zgkг=min(Zgkгi) и hkг=max(hkгi) - совокупные критические значения ЦТ и МЦВ, при которых один из частных критериев остойчивости (табл. 1) выполняется без избытка и недостатка, а остальные - с избытком. Величина Дh выступает в роли запаса остойчивости, т. е. параметра, значение которого принимается при проектировании судна. Заметим, что значения Zgkг и hkг (равно как и значения Zm, Zc и г) не зависят от фактического положения ЦТ судна и могут точно быть рассчитаны при наличии теоретического чертежа (ТЧ), поскольку определяются его геометрией. Соответственно, обеспечивается возможность установить взаимосвязь значений указанных характеристик корпуса судна и его ТЧ (включая значения Zgkг и ее производных Zkг=Zgkг/H, Икг, Иькг=ккг/Б).

Отметим, что исследования влияния характеристик формы судов на их остойчивость осуществлялись неоднократно, однако в силу исключительного разнообразия форм обводов у судов разных классов и назначений полученные результаты не являются универсальными. Очевидно, что для нового поколения среднетоннажных НРС также требуется специальное рассмотрение. За основу данной работы примем результаты исследования Ю. Л. Макова и К. Ч. Мая [2], в соответствии с которыми математические модели для Zgkгi по всем критериям остойчивости (табл. 1) имеют вид множественной линейной регрессии с параметрами Xi (табл. 2), зависящими от геометрических характеристик судна:

Zgkгi =ася+ анХ1 + а^Х2+ aзiXз+ а^,

где аоь ан, ая, а^, a4i - свободные члены и коэффициенты регрессии Zgkгi для означенных в табл. 1 критериев остойчивости.

Таблица 2. Параметры регрессии

Table 2. Regression parameters

X=aT a+ö X= a'ß ' 2 12öT a'k ' aß ('a-1) X a k*äi ß (H/T) ö 1 3 (1+a)(2a-ö) aH ö X4 , г ksdl a+ö

Здесь Ьр, Б, Н - длина, ширина и высота борта судна, м; ё, а и - коэффициенты общей полноты, полноты конструктивной ватерлинии (КВл) судна и седловатости палубы.

СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ZGкR ДЛЯ НРС И ЕГО РЕЗУЛЬТАТЫ Для определения указанных коэффициентов регрессии и последующего статистического анализа этих и других характеристик остойчивости были выполнены работы по реконструированию одиннадцати современных НРС

водоизмещением D от 600 до 3600 т и длиной L от 24 до 60 м. Таблица 3. Характеристики реконструированных НРС Table 3. Characteristics of reconstructed RSW-type fishing vessels

№ п/п Суда D Lp В Н Т Bh=B/H Ht=H/T Bt=B/T Ô а Ksdl

1 Sildaskjaer 626 23,6 8,5 5,98 4,40 1,421 1,359 1,932 0,692 0,858 1,012

2 Solvaerskjaer 966,3 28,7 9,3 6,20 4,90 1,492 1,265 1,888 0,725 0,893 1,029

3 Julianne III 1745 33,3 12,0 7,80 6,63 1,538 1,176 1,810 0,643 0,889 1,037

4 Silva Nova 1456 36,0 10,0 7,30 6,00 1,370 1,217 1,667 0,658 0,872 1,033

5 Norafjell 1510 38,4 10,0 7,00 5,80 1,429 1,207 1,724 0,661 0,881 1,060

6 Clipperton 2052 46,3 10,0 7,15 6,30 1,399 1,135 1,587 0,687 0,868 1,024

7 Veronica 3010 49,8 12,0 7,60 7,07 1,579 1,075 1,697 0,695 0,882 1,094

8 Paula 3001 51,6 12,0 8,00 7,00 1,500 1,143 1,714 0,675 0,878 1,089

9 Libas 2441 55,0 11,6 7,00 6,00 1,657 1,167 1,933 0,622 0,850 1,200

10 SvanaugElise 3308 56,4 13,0 8,60 6,90 1,512 1,246 1,884 0,638 0,825 1,071

11 Hargun 3582 60,0 12,6 8,40 6,90 1,500 1,217 1,826 0,670 0,867 1,079

В результате реконструирования на базе схем общего расположения судов и с использованием программного пакета Maxsurf и его программного модуля Hydromax воссозданы теоретические чертежи всех означенных судов и получены расчетные значения гидростатических кривых для девяти осадок каждого судна (итого 99 вариантов расчетов). В ходе статистической обработки этих данных для критериев остойчивости определены и в табл. 4 представлены значения коэффициентов регрессии уравнения (3). Исключением стал критерий погоды, поскольку выполненные контрольные расчеты показали, что для данного класса судов этот

критерий не является определяющим. В табл. 4 представлены также значения по-«-» 2 казателей статистического анализа (коэффициентов детерминации R , среднеквадратичных отклонений а и коэффициентов вариации 5У), которые свидетельствуют о практической значимости полученных регрессий.

Таблица 4. Коэффициенты регрессии уравнения

Коэффициенты регрессии Частные критерии остойчивости

h 0 max lmax 0v ld30 ld40 ld30,40

ao 0,2868 0,914 0,612 0,605 0,441 0,5253 0,689

a1 0,9242 -0,015 0,2538 -0,086 0,6594 0,4668 0,2137

a2 0,9831 1,1881 1,0158 0,753 1,3606 1,361 1,355

a3 - -0,1616 -0,091 -0,106 -0,1050 -0,114 -0,184

a4 - 0,8161 0,5975 0,9975 0,1581 0,3482 0,5988

R2 0,964 0,929 0,958 0,930 0,972 0,969 0,960

G 0,134 0,187 0,143 0,184 0,119 0,122 0,137

Sv% 2,35 3,2 2,57 3,3 2,22 2,24 2,52

Таким образом, критическая аппликата ЦТ для НРС может быть представлена выражением

Zgkr=min (Zgkri), где z (hn)=0,2868+0,9242X, +0.9831X,;

&кр 0 1 2

z (в

2кр[ m

z (l

2.™ \ ma

J=0,914-0,015X1 +1,1881X2-0,1616X3 +0,8161X4; ;) =0,612+0,2538X+ +1,0158X2-0,091X+0,5975X4; 0,605-0,086Xj +0,753X2-0,106X3 +0,9975X4; z (ld30) =0,441 +0,6594X+ +1,3606X2-0,1050X+0,1581X4;

(Qv)=

z_

flrn) =

0,5253+0,4668X1 +1,361X2-0,114X3 +0,3482X4;

2кр '

zgK( (ld(30,40)) =0,689+0,2137X,+1,355X2-0,184X+ +0,5988X4.

В качестве дополнительной проверки значимости полученных регрессионных зависимостей проведена и в табл. 5 представлена сопоставительная оценка расчетных (фактических) и статистических значений Zgkr для всех 11 НРС при их расчетном водоизмещении. Расчеты показали их приемлемую разницу, не превышающую 3%. Исключением являются два судна (5 и 7), характеризующиеся минимальными значениями надводного борта и отношения H/T. Для этих судов погрешность расчетов достигает 6%, но она направлена в безопасную сторону. В любом случае при действующих правилах РМС для НРС со значениями H/T<1,1 следует обращать особое внимание на их остойчивость с учетом обеспечения частного критерия 0 max (табл. 5).

Таблица 5. Расчетные и статистические значения Zgkr для НРС полного водоизмещения

Table 5. Calculated and statistical values of Zgkr for RSW-type fishing vessels at full displacement

№ п/п Суда Расчетные значения ZgKpi по Maxsurf Статистические значения ZgKpi по (4) t ч s

d SD > "CS 8 -4s 8 OS8 s-üb d SD 35 > 8 -Is 8 OS8 s-üb

1 Sildaskjaer 3,936 4,038 4,224 4,601 4,953 3,879 4,362 4,002 4,073 4,217 4,231 4,490 3,968 4,272 3,88 3,97 -2,29

2 Solvaerskjaer 4,445 4,506 4,638 4,601 4,953 4,393 4,601 4,392 4,437 4,547 4,530 4,772 4,359 4,501 4,39 4,36 0,77

3 Julianne III 6,157 6,166 6,227 6,197 6,367 6,106 6,062 6,094 6,107 6,173 6,058 6,295 6,029 5,913 6,06 5,91 2,46

4 Silva Nova 5,006 5,085 5,242 5,244 5,548 4,951 5,401 4,989 5,040 5,159 5,173 5,382 5,026 5,208 4,95 4,99 -0,76

5 Norafjell 4,929 4,883 4,872 4,865 4,735 4,938 4,754 5,000 5,050 5,169 5,162 5,386 5,006 5,172 4,74 5,00 -5,59

6 Clipperton 4,904 4,906 4,906 4,919 5,072 4,898 4,994 4,870 4,886 4,959 4,974 5,131 4,963 4,946 4,90 4,87 0,57

7 Veronica 5,728 5,643 5,579 5,579 5,295 5,832 5,517 5,748 5,738 5,777 5,743 5,903 5,808 5,625 5,30 5,63 -6,24

8 Paula 5,895 5,899 5,955 5,912 6,062 5,890 5,961 5,816 5,840 5,923 5,918 6,105 5,866 5,886 5,89 5,82 1,25

9 Libas 5,577 5,666 5,835 5,840 6,152 5,517 5,843 5,684 5,740 5,863 5,825 6,091 5,622 5,807 5,52 5,62 1,91

10 Svanaug Elise 6,192 6,266 6,415 6,380 6,727 6,119 6,347 6,002 6,054 6,173 6,196 6,418 6,024 6,225 6,12 6,00 1,91

11 Hargun 6,094 6,140 6,251 6,211 6,583 6,043 6,160 5,978 6,021 6,129 6,137 6,354 5,999 6,140 6,04 5,98 1,07

Представление о роли частных критериев остойчивости Zgkri в формировании совокупного критерия Zgkr дают графики, рассчитанные для НРС Julian III (D=1745 т) и приведенные на рис. 1. Они, в частности, свидетельствуют о том, что при водоизмещении судна 1050<D<1300 т определяющим критерием является Цзо, при 1300<D<1650r - h, а при D>1650 т - 0у.

В данной работе получены также статистические значения поправочных коэффициентов уравнения остойчивости по Л. Эйлеру, из которых менее ста-

бильным оказывается коэффициент кг:

кс=1.0462±0.0291 (5у=0,027) и кг=1.1028±0.0551 (5у=0,049). (5) В результате взаимосвязь между 2§кт и Ик для НРС может быть представлена в виде:

Ик^с+г^кг =1,0462Та/

N

6,70 6,60 6,50 6,40 6,30 6,20 6,10 6,00

5,90

1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800

ld30 9max

* ld40

♦ h0

ld(30,40) 6v

lmax ZgKP

Рис. 1. Критическое значение Zgkri НРС Julian III Fig. 1. Limiting value of Zgkri for RSW-type fishing vessel Julian III

О влиянии поперечных размеров НРС на их остойчивость

Получение практически значимых зависимостей (4) и (6) дает возможность исследовать влияние соотношений поперечных размеров НРС на величину Zgkr, а также других показателей остойчивости судна: Zkr=Zgkr/H, hkr и hßkr=hkr/B. Соответствующий анализ выполнен на базе данных одного из НРС - Julianne Ш (см. табл. 3).

Подстановка выражений (4) в (6) позволила получить зависимости показателей остойчивости от характеристик формы корпуса этого судна, представленных в табл. 3. Далее размеры судна при его неизменном водоизмещении и длине были аффинно преобразованы в рамках диапазонов 1,39<Bh<1,66 и 1,06<Ht<1,36, характерных для всей группы рассмотренных судов. Для этих вариаций поперечных размеров судна по формулам (4) рассчитаны Zgkr и другие показатели остойчивости, которые представлены на графиках рис. 2-5 в зависимости от соотношений Bh и Ht.

Графики на рис. 2 показывают, что на всем диапазоне соотношений B/H для НРС с малым надводным бортом (H/T<1,15) значения абсолютной величины Zgkr определяются фактически только соотношением H/T, а значимость соотношения B/H возрастает при более высоких значениях H/T. По графикам на рис. 4 относительная аппликата ЦТ судна в расчетном случае нагрузки изменяется в достаточно узких пределах (Zkr =0,7...0,8), что обусловлено низкими значениями коэффициента погрузочной кубатуры груза (рыба в воде, v~1 м /т), характерными для НРС. При этом Zkr может быть оценена аналитически по формуле

^кг=0,52БЬ-0.05Н1±0,02 при

Рис. 2. Zgkr=f(Bh,Ht) при ¿=0.643 и а=0.889

И§. 2. 2§кг=Г(БЬ,№) аг ¿=0.643 апё а=0.889

8У=0,03 №

1 зз-

1.3 1 271 24: 21 1 13] 151.12] 091 05-

Ькг

1 I г

39 1 42 1.44 1.47 15 1.52 1.55 1.5В 1 61 1 63 1 I

Рис. 3. Ук=(ВУ,т) при ¿=0.643 и а=0.889

И§. 3. Укг=ДВУ,Ш) аг ¿=0.643 апё а=0.889

Рис. 4. Скг=ДВУ,Ш) при ¿=0.643 и а=0.889

И§. 4. ^НВКШ) аг ¿=0.643 апё а=0.889

Рис. 5. УВк=(ВУ,т) при ¿=0.643 и а=0.889

И§. 5. Увк=(ВУ,Ш) аг ¿=0.643 апё а=0.889

Для оценки влияния поперечных размеров судна на остойчивость НРС наиболее информативными представляются идентичные по своему виду графики Икг и ИБкг (рис. 3 и 5). В аналитическом виде они представляются выражениями:

Икг = 0.2767БЬ-0.0323Н±0.0628 при 5У=0.17

и

ЬБкг=0.021БЬ+0.0015Н1±0.0074 при 5У=0.22.

Отметим, что характер полученных графиков и аналитических зависимостей не изменился и при выполнении расчетов с вариацией коэффициентов полноты судна, что связано с достаточно узким диапазоном их значений, используемых для НРС (см. табл. 3).

Далее для расчетных случаев нагрузки НРС было выполнено сопоставление значений hkr и hBkr, полученных расчетным путем (по Maxsurf) и с использованием аналитических зависимостей (8) и (9). Из данного анализа исключено судно с минимальным надводным бортом (Ht= 1.075), поскольку, как отмечено ранее, такие суда (Ht< 1.1) требуют особого подхода в расчетах остойчивости. В целом анализ показал удовлетворительную сходимость результатов расчетов и характерную стабильность значений hkr и hBkr, полученных и расчетным путем (по Maxsurf):

hkr =0,374±0,061 (5у=0.16) и hBkr =0,035±0,008 (5у=0.23),

и по статистическим формулам (8) и (9):

hkr =0,371±0,022 (5у=0.06) и hBkr =0,033±0,016 (5v=0.05).

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Результаты выполненного исследования ориентированы на ранние стадии проектирования, посвященные разработке концепции проекта современного среднетоннажного НРС и осуществления технико-экономического анализа и оптимизации характеристик технического задания на его проектирование ([3]). Использование полученных формул (8) или (9) позволяет в математической модели НРС осуществлять аргументированный выбор значения МЦВ h или ее относительной величины hB, обеспечивающих в первом приближении остойчивость проектируемого судна. Последующее уточнение характеристик остойчивости может осуществляться в ходе практического проектирования судна с применением разработанных статистических формул (4). Итоговая проверка соответствия остойчивости НРС требованиям классификационных правил (РМС) осуществляется с использованием действующих редакторов Maxsurf, Dialog-Statika и других, а также по результатам кренования судна.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Иванов, В. П. Анализ характеристик современных малотоннажных и наливных рыболовных судов для задач их проектирования / В. П. Иванов, С. Д. Дудин, В. Т. Зыонг. - Санкт-Петербург: Морские интеллектуальные технологии, 2017. - № 3 (37). - Т. 1. - С. 48-56.

2. Май, К. Ч. Регрессионные формулы для вычисления критических возвышений центра тяжести маломерных рыболовных судов Вьетнама / К. Ч. Май, Ю. Л. Маков. - Санкт-Петербург: Морской вестник, 2010. - № 2 (34). -С. 85-88.

3. Иванов, В. П. Технико-экономические основы создания рыболовных судов: учебник / В. П. Иванов. - Калининград: Изд-во БГАРФ, 2010. - 275 с.

REFERENCES

1. Ivanov V. P., Dudin S. D., Duong V. T. Analiz kharakteristik sovremennykh malotonnazhnykh i nalivnykh rybolovnykh sudov dlya zadach ikh proektirovaniya [Analysis of characteristics of modern small tonnage fishing vessels and RSW-type fishing vessels for the purposes of preliminary design]. Saint-Petersburg, Morskie intellektual'nye tekhnologii, 2017, no. 3(37), vol. 1, pp. 48-56.

2. May K. C., Makov U. L Regressionnye formuly dlya vychisleniya kriticheskikh vozvysheniy tsentra tyazhesti malomernykh rybolovnykh sudov V'etnama [Regression formulas for calculating limiting center of gravity height of small fishing boats in Vietnam]. Saint-Petersburg, Morskoy vestnik, 2010, no. 2(34), pp. 85-88.

3. Ivanov V. P. Tekhniko-ekonomicheskie osnovy sozdaniya rybolovnykh sudov: uchebnik [Technical and economic basis for the design of fishing vessels: textbook]. Kaliningrad, BGARF, 2010, 275 p.

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ

Зыонг Ван Тхань - Калининградский государственный технический университет;

аспирант кафедры кораблестроения; E-mail: duongvthanh@gmail.com

Zyong Van Than' - Kaliningrad State Technical University; Post-graduate student; department of shipbuilding; E-mail: duongvthanh@gmail.com