СПОСОБ КОНТРОЛЯ ОБЩЕЙ ПРОЧНОСТИ КОРПУСА СУДНА В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
METHOD FOR MONITORING THE OVERALL STRENGTH OF THE HULL OF A VESSEL DURING OPERATION

Изобретение относится к области судостроения и может быть использовано при оценке прочности корпусов судов.
Известен способ контроля общих остаточных деформаций корпусов транспортных и/или стояночных средств (RU 2293957, МПК G01M 5/00, G01L 1/06, опубл. 20.02.2007 г.), включающий определение характеристик общей прочности корпуса, в частности моментов инерции и сопротивления, возможно только в отдельных выбранных сечениях, остаточных стрелок общей деформации корпуса, например продольной, в частности только в отдельных выбранных сечениях, при этом указанные данные остаточных стрелок общей деформации корпуса сравниваются с допускаемыми значениями, например, определяемыми с учетом планируемых условий и времени эксплуатации. При реализации данного способа определение характеристик общей прочности корпуса может вестись на основе определения его гибкой линии при известных вариантах загрузки, в частности типовых, с возможным учетом ряда факторов, в частности напряженного состояния элементов корпуса, относительных значений деформаций связей корпуса, планирования состояния корпуса на определенный срок службы, при этом в частности искомые значения характеристик могут быть получены в результате статистической обработки по ряду частных определений.
Данный способ обладает существенным недостатком, заключающимся в том, что он не позволяет оценить прочность корпуса в экстремальных условиях эксплуатации, в частности, в условиях захвата волной носовой оконечности судна, когда его кормовая оконечность может выходить из воды, что может иметь место в штормовых условиях на развитом встречном волнении (Бураковский Е.П., Бураковский П.Е. К вопросу об определении нагрузки, действующей на палубу судна в носовой оконечности при ее заливании на встречном волнении // Морские интеллектуальные технологии - 2018 - №4(42), т. 3 - С. 19-25). При этом выход кормовой оконечности судна из воды может происходить не только в условиях захвата волной носовой оконечности судна, но и вследствие продольной качки на сильном волнении (Барабанов Н.В. и др. Повреждение судовых конструкций. - Л.: Судостроение, 1977. - 400 с.).
тв
b
y
M
П
T
M
Известен способ оценки предельной прочности корпуса судна (Волков В.М. Прочность корабля: учебник - Нижний Новгород: НГТУ, 1994. - 260 с, с. 133-134), заключающийся в том, что производится вычисление расчетных нагрузок, определяющих продольную прочность судна, в состав которых включают изгибающие моменты М на тихой воде, волновые изгибающие моменты M, а также изгибающие моменты M, обусловленные ударами корпуса при бортовом и днищевом слеминге, определяется минимальный момент сопротивления эквивалентного бруса с учетом редуцирования W и предельный изгибающий момент для корпуса судна М = σW, а затем проверяется выполнение условия
Р
sw
w
1
где М - расчетный изгибающий момент, кН⋅м, в рассматриваемом сечении, равный максимуму абсолютной величины алгебраической суммы составляющих моментов M, M, и М, в данном сечении;
П
T
M
М = σW - предельный изгибающий момент для корпуса судна, кН⋅м;
T
σ - предел текучести материала, МПа;
M
W - минимальный момент сопротивления эквивалентного бруса, вычисленный с учетом редуцирования, МПа;
n - коэффициент запаса прочности по предельному моменту.
у
Существенным недостатком данного способа является то, что он не позволяет оценить прочность корпуса в экстремальных условиях эксплуатации, например, при захвате волной носовой оконечности судна, когда на палубу судна в носовой оконечности действуют значительные гидродинамические нагрузки, а кормовая оконечность корпуса судна может выходить из воды (Бураковский Е.П., Бураковский П.Е. К вопросу об определении нагрузки, действующей на палубу судна в носовой оконечности при ее заливании на встречном волнении // Морские интеллектуальные технологии - 2018 - №4(42), т. 3 - С. 19-25). В этом случае невозможно выделить указанные выше составляющие изгибающего момента, что делает оценку общей прочности корпуса судна необъективной, причем расчет по данному способу может приводить к ошибке в опасную сторону, что недопустимо. Такое положение может иметь место из-за того, что динамическая составляющая изгибающего момента, вызываемая захватом волной носовой оконечности судна, может быть существенно выше изгибающего момента М, обусловленного днищевым и бортовым слемингом, определяемого при оценке общей прочности корпуса судна согласно данному способу. Кроме того, данный способ не позволяет оценить общую прочность судна с учетом эксплуатационных дефектов, в частности при наличии коррозионного износа связей, участвующих в обеспечении общей прочности судна.
Известен способ оценки общей прочности судна, заключающийся в определении остаточного момента сопротивления поперечного сечения корпуса для палубы (днища), который осуществляется при средних остаточных толщинах связей в пределах выбранного кольцевого сечения корпуса протяженностью, ограниченной длиной одного листа вдоль судна и выполняется для наиболее конструктивно ослабленных и наиболее изношенных сечений с учетом выполненного ремонта (Приложения к правилам классификационных освидетельствований судов в эксплуатации / Российский Морской Регистр Судоходства. - СПб.: РМРС, 2020. - 123 с, с. 23-68).
Недостатком данного способа является то, что при определении предельно допускаемого момента сопротивления используются подходы, изложенные в (Волков В.М. Прочность корабля: учебник. - Нижний Новгород: НГТУ, 1994. - 260 с., с. 133-134), т.е. выделяется изгибающий момент на тихой воде, волновой изгибающий момент и динамический изгибающий момент от ударов волн в развал бортов, однако в экстремальных условиях эксплуатации, связанных с захватом волной носовой оконечности судна, выделить эти составляющие не представляется возможным. Это не позволяет объективно оценить общую прочность корпуса судна с учетом реальных условий эксплуатации.
В качестве ближайшего аналога принят способ оценки общей прочности корпуса судна, заключающийся в том, что предельно возможные значения изгибающего момента в корпусе судна на миделе определяются в условиях захвата волной носовой оконечности, рассматривая кормовую оконечность корпуса судна как балку, загруженную только весовой нагрузкой с учетом сил инерции, при этом для теоретических шпаций, вышедших из воды не полностью, учитываются действующие на них силы поддержания (Бураковский П.Е. К вопросу об определении максимальных изгибающих моментов в задачах нормирования общей прочности корпусов судов // Труды Крыловского государственного научного центра. - 2020 - Специальный выпуск 1. - С. 18-23).
Существенным недостатком данного способа оценки общей прочности корпуса судна является то, что он не учитывает фактическое состояние корпуса судна, а также реальные условия плавания судна. Поэтому данный способ позволяет лишь оценить предельные значения изгибающих моментов, действующих в корпусе судна, и не позволяет объективно оценить степень опасности нарушения общей прочности корпуса судна в реальных условиях эксплуатации.
Изобретение решает задачу повышения объективности оценки общей прочности корпуса судна в реальных условиях эксплуатации, в том числе в условиях захвата носовой оконечности судна волной, за счет учета фактического технического состояния корпуса судна, состояния моря, фактических условий загрузки судна и его динамики на волнении.
Для получения необходимого технического результата в способе контроля общей прочности корпуса судна в процессе эксплуатации, включающем определение изгибающего момента в корпусе судна в условиях захвата волной носовой оконечности, причем кормовая оконечность корпуса судна рассматривается как балка, загруженная только весовой нагрузкой с учетом сил инерции, при этом для теоретических шпаций, вышедших из воды не полностью, учитываются действующие на них силы поддержания, предлагается определять остаточный предельный момент сопротивления и предельный момент для наиболее конструктивно ослабленных и наиболее изношенных сечений на основании замера остаточных толщин связей. Предлагается замерять период бортовой качки, кажущийся период волны, курсовой угол, скорость судна на волнении, скорость кажущегося ветра, осадки судна носом и кормой и прогнозировать параметры морского волнения известным способом. Далее предлагается моделировать качку судна с учетом возможности захвата волной носовой оконечности и рассчитывать нагрузку на палубу при обтекании, определять длину вышедшей из воды кормовой оконечности, рассчитывать силы поддержания для теоретических шпаций, не полностью вышедших из воды, и строить эпюру изгибающего момента на прогнозируемом морском волнении. Затем предлагается определить отношение предельного момента и изгибающего момента на прогнозируемом морском волнении в наиболее конструктивно ослабленных и наиболее изношенных сечениях, а также в сечениях с наибольшим изгибающим моментом, после чего сделать заключение о прочности судна на прогнозируемом морском волнении.
В заявляемом способе предлагается длину выходящей из воды части корпуса определять на основании моделирования динамики судна на волнении, а при оценке допустимости возникающего изгибающего момента учитывать фактическое техническое состояние корпуса судна.
В предлагаемом способе для определения расчетного значения изгибающего момента, действующего в сечениях корпуса судна, осуществляется моделирование качки судна на волнении с учетом возникновения захвата волной носовой оконечности, при этом параметры волнения прогнозируется известными способами. По результатам моделирования определяется длина выходящей из воды части корпуса и уменьшение сил поддержания в теоретических шпациях, не полностью вышедших из воды. При оценке допустимости возникающего изгибающего момента используется фактический момент сопротивления поперечных сечений корпуса судна, определяемый по результатам замеров остаточных толщин его элементов.
На прилагаемых чертежах изображено:
на фиг. 1 - судно на развитом встречном волнении в условиях погружения в воду носовой оконечности и выхода из воды кормовой оконечности согласно (Watanabe Iwao, Ohtsubo Hideomi. Analysis of the accident of the MV Nakhodka. Part 1. Estimation of wave loads // Marine Science and technology. - Springer, 1998. - Vol. 3, No 4. - P. 171-180);
на фиг. 2 - расчетная схема судна, представленного на фиг.1;
на фиг. 3 - расчетная схема для оценки общей прочности корпуса судна согласно ближайшему аналогу;
на фиг. 4 - зависимость изгибающего момента в корпусе судна от числа вышедших из воды шпаций согласно (Бураковский П.Е. К вопросу об определении максимальных изгибающих моментов в задачах нормирования общей прочности корпусов судов // Труды Крыловского государственного научного центра - 2020 - Специальный выпуск 1. - С. 18-23).
На чертежах приняты следующие обозначения:
L - длина корпуса судна;
в
q - весовая нагрузка, действующая на кормовую оконечность судна;
зн
q - нагрузка, действующая на носовую оконечность судна в условиях ее захвата волной;
П
М - предельный момент для корпуса судна;
max
M - наибольший изгибающий момент на миделе;
k
N - число шпаций, вышедших из воды с кормы.
Способ оценки общей прочности корпуса судна осуществляется следующим образом. В экстремальных условиях эксплуатации на развитом встречном волнении возможно погружение носовой оконечности судна в волну (фиг. 1) и выход из воды кормовой оконечности корпуса судна (Watanabe Iwao, Ohtsubo Hideomi. Analysis of the accident of the MV Nakhodka. Part 1. Estimation of wave loads // Marine Science and technology. - Springer, 1998. - Vol. 3, No 4. - P. 171-180.). При этом носовая оконечность обтекается потоком жидкости, что приводит к генерации значительных гидродинамических нагрузок на палубе судна. Под действием приложенной к палубе гидродинамической силы в корпусе судна возникает дополнительный изгибающий момент, величина которого может оказаться достаточной для разрушения корпуса. Указанная гидродинамическая сила также будет приводить к росту дифферента судна на нос, при этом возможен выход кормовой оконечности судна из воды. Это приводит к исчезновению сил поддержания в этом районе корпуса, в результате чего кормовая оконечность находится под действием только весовой нагрузки (фиг. 2). Для определения выходящей из воды длины корпуса судна необходимо осуществлять моделирование его поведения на встречном волнении с учетом возможности захвата волной носовой оконечности согласно [Бураковский Е.П., Бураковский П.Е. К вопросу об определении нагрузки, действующей на палубу судна в носовой оконечности при ее заливании на встречном волнении // Морские интеллектуальные технологии - 2018 - №4(42), т. 3 - С. 19-25].
При реализации предлагаемого способа при помощи датчиков осуществляется измерение курсового угла волны, кажущегося периода волны, осадки носом и кормой, скорости судна на волнении, скорости кажущегося ветра, а также периода бортовой качки судна. По данным измерений осадок носом и кормой на основании теоретического чертежа судна рассчитываются координаты центра величины, площадь и абсцисса центра тяжести ватерлинии, а также на основании анализа качки судна определяется значение поперечной метацентрической высоты и положение центра тяжести. Данные параметры используются для моделирования динамики судна на волнении в соответствии с [Бураковский Е.П., Бураковский П.Е. К вопросу об определении нагрузки, действующей на палубу судна в носовой оконечности при ее заливании на встречном волнении // Морские интеллектуальные технологии. - 2018. - №4(42), т. 3. - С. 19-25].
На основании данных измерения волнения и с использованием метеопрогноза выполняется прогнозирование параметров морского волнения для того района Мирового океана, где находится судно.
Для прогнозирования параметров морского волнения может использоваться, например, устройство измерения и прогнозирования параметров морского волнения (Патент на полезную модель №139053, МПК G01S 13/58, опубл. 10.04.2014 г.), позволяющее прогнозировать параметры морского волнения, как в краткосрочном, так и в долгосрочном режиме.
Режим краткосрочного прогнозирования основан на анализе выборки данных по диапазону времени, задаваемому через блок управления. Елубина прогнозирования в этом случае составляет не более двух часов.
Режим долгосрочного прогнозирования реализуется при использовании данных от блока приема данных метеопрогноза, в качестве которого может быть использован, например, навигационный телекс с цифровым интерфейсом. В этом случае, прогноз параметров морского волнения осуществляется на основе анализа знаний с использованием продукционной системы. Диапазон глубины прогноза при использовании данного режима увеличивается до двадцати четырех часов. Значение глубины прогноза устанавливается оператором через блок управления. Затем для полученных в результате прогнозирования параметров морского волнения осуществляется моделирование качки судна с учетом возможности возникновения захвата волной носовой оконечности [Бураковский Е.П., Бураковский П.Е. К вопросу об определении нагрузки, действующей на палубу судна в носовой оконечности при ее заливании на встречном волнении // Морские интеллектуальные технологии. - 2018. - №4(42), т. 3. - С. 19-25].
По результатам моделирования определяется длина выходящей из воды кормовой оконечности и ускорения судна при вертикальной и килевой качке.
При оценке общей прочности судна согласно ближайшему аналогу можно оценить предельно возможные значения изгибающего момента в корпусе судна в условиях захвата волной его носовой оконечности из условия, что под действием указанной гидродинамической силы вследствие роста дифферента кормовая оконечность судна вышла из воды. В этом случае часть корпуса от заданного сечения в корму находится под действием только весовых нагрузок, так как силы поддержания на этом участке корпуса отсутствуют. Тогда, рассматривая кормовую оконечность корпуса судна как балку, жестко защемленную в заданном сечении и загруженную только весовой нагрузкой (фиг. 3), можно определить предельную величину расчетного изгибающего момента.
Однако при расчете общей прочности судна согласно ближайшему аналогу не представляется возможным оценить прочность судна в конкретных условиях эксплуатации, так как в зависимости от состояния моря кормовая оконечность судна может выходить из воды на разную длину, что приведет к существенному изменению наибольшего изгибающего момента в корпусе судна (фиг. 4). При этом будут отличаться и ускорения судна при качке, что также может быть учтено при реализации предлагаемого способа контроля общей прочности судна в процессе эксплуатации.
тв
b
у
Следует заметить, что в условиях захвата волной носовой оконечности судна выделить три компонента изгибающего момента (изгибающий момент на тихой воде М, волновой изгибающий момент M и изгибающие моменты М, обусловленные ударом волн в развал бортов) согласно схеме, традиционно используемой при расчете общей продольной прочности корпусов судов, не представляется возможным. Это обусловлено тем, что носовая оконечность полностью погружена в воду, кормовая оконечность может выходить из воды, волнение имеет нерегулярный характер, а судно может находиться на гребне и подошве волны со значительным дифферентом. Кроме того, на носовую оконечность корпуса судна действует гидродинамическая сила, вызванная ее обтеканием потоком жидкости, и величина этой силы может быть весьма существенной (Бураковский Е.П., Бураковский П.Е. К вопросу об определении нагрузки, действующей на палубу судна в носовой оконечности при ее заливании на встречном волнении // Морские интеллектуальные технологии - 2018 - №4(42), т. 3. - С. 19-25), что не учитывается при оценке прочности корпуса судна в рамках традиционных подходов.
При использовании ближайшего аналога не учитываются реальные условия эксплуатации судна, а также изменение технического состояния его корпуса. Поэтому при определении предельно возможных значений изгибающего момента в корпусе судна на миделе в условиях захвата волной носовой оконечности из рассмотрения кормовой оконечности корпуса судна как балки, загруженной только весовой нагрузкой, могут быть получены завышенные значения изгибающего момента, что потребует чрезмерного повышения металлоемкости корпуса. Это вызвано тем обстоятельством, что в том районе Мирового океана, где должно эксплуатироваться данное судно, не наблюдаются ветро-волновые режимы, приводящие к выходу значительной части длины корпуса из воды с кормы при захвате волной носовой оконечности. Длина выходящей из воды кормовой части судна должна для конкретных условий эксплуатации, вариантов загрузки судна и скорости хода определяться из рассмотрения качки судна в условиях возможности возникновения захвата волной его носовой оконечности на встречном волнении.
Кроме того, при использовании ближайшего аналога отсутствует контроль изменения момента сопротивления корпуса судна в процессе эксплуатации, что может привести к ошибке в опасную сторону при оценке прочности корпуса судна при использовании данного способа.
Пример осуществления способа.
В качестве примера реализации предлагаемого способа оценки общей прочности корпуса судна рассмотрим оценку общей продольной прочности танкера проекта 573, длиной 188 м.
тв
b
у
Для данного судна при оценке прочности корпуса согласно традиционным подходам (Волков В.М. Прочность корабля: учебник - Нижний Новгород: НГТУ, 1994. - 260 с, с. 133-134) в качестве расчетных можно принять следующие значения изгибающих моментов: изгибающий момент на тихой воде М = -393960 кН⋅м, волновой изгибающий момент M = -1444912 кН⋅м и обусловленный ударом волн в развал бортов изгибающий момент М = -221700 кН⋅м.
Р
тв
b
у
6
В этом случае М = |М+M+М| = 393960 кН⋅м+1444912 кН⋅м+221700 кН⋅м ≈ 2,06⋅10 кН⋅м. Соотношение (1) в данном случае имеет вид
Р
где М - расчетный изгибающий момент в заданном поперечном сечении корпуса, к⋅Нм;
П
М - предельный изгибающий момент для корпуса судна, кН⋅м.
Таким образом, при использовании традиционных подходов можно считать, что общая прочность данного судна обеспечена.
Р
Теперь выполним оценку прочности корпуса судна с использованием ближайшего аналога. Предельно возможные значения изгибающего момента в корпусе судна на миделе определяются в условиях захвата волной носовой оконечности (Бураковский П.Е. К вопросу об определении максимальных изгибающих моментов в задачах нормирования общей прочности корпусов судов // Труды Крыловского государственного научного центра - 2020 - Специальный выпуск 1. - С. 18-23, рис. 2). Расчетное значение изгибающего момента М при реализации ближайшего аналога
Р
П
6
6
М ≈ 2М = 2⋅3,4⋅10 ≈ 6,8⋅10 кН⋅м,
П
где М - предельный момент для корпуса судна, кН⋅м.
В этом случае
поэтому можно считать, что прочность данного судна в условиях захвата волной носовой оконечности обеспечена не будет.
Видно, что ближайший аналог, учитывающий дополнительные изгибающие моменты при захвате волной носовой оконечности, дает существенно большие значения для расчетного изгибающего момента по сравнению с традиционно применяемыми подходами, однако при его реализации не учитываются реальные характеристики морского волнения, в условиях которого будет эксплуатироваться данное судно, а также его фактическое техническое состояние.
Теперь оценим прочность данного судна с использованием предлагаемого способа контроля общей прочности корпуса судна в процессе эксплуатации. Пусть по результатам моделирования качки судна на прогнозируемом волнении в первом районе Мирового океана возможет выход из воды 3 теоретических шпаций с кормы, а во втором - 6 теоретических шпаций. Тогда в первом случае
Р
П
6
6
М ≈ 1,4 М = 1,4⋅3,4⋅10 ≈ 4,76⋅10 кН⋅м,
а во втором случае
Р
П
6
6
М ≈ 1,8М = 1,8⋅3,4⋅10 ≈ 6,12⋅10 кН⋅м.
Используя условие (1) имеем
а для второго случая
Таким образом, в обоих случаях прочность конструкции не будет удовлетворять рассмотренным условиям эксплуатации, однако необходимая степень увеличения предельного момента для корпуса судна будет существенно различаться.
П
Оценим прочность того же судна с учетом износа связей. Пусть по результатам замера толщин и определения фактического предельного момента сопротивления оказалось, что он уменьшился на 30% по сравнению с построечным значением, соответственно на ту же величину уменьшился и предельный момент для корпуса судна М. Тогда для рассмотренных выше двух случаев состояния моря будем иметь:
П
Видно, что для различных условий эксплуатации для обеспечения продольной прочности корпуса судна необходимо увеличивать предельный момент М на различную величину.
Следует заметить, что если момент сопротивления выбирается с использованием ближайшего аналога, то прочность корпуса судна в условиях захвата волной носовой оконечности может оказаться как избыточной, так и недостаточной, т.е. ближайший аналог не может быть использован для объективного контроля общей прочности корпуса судна в процессе эксплуатации. С целью объективного контроля общей прочности судна в процессе эксплуатации необходимо осуществлять оценку параметров реального морского волнения, в условиях которого судно будет эксплуатироваться, а также его степень износа связей корпуса, участвующих в обеспечении общей прочности. При оценке общей прочности корпуса судна согласно ближайшему аналогу предельный момент сопротивления может быть дополнительно увеличен с тем, чтобы компенсировать влияние износа конструкций на основании данных о средних скоростях износа корпусных конструкций. Однако это приведет к еще большему избытку прочности, и, следовательно, излишней металлоемкости конструкции.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет проконтролировать прочность корпуса судна в конкретных условиях эксплуатации с учетом фактического технического состояния корпуса судна, в отличие от ближайшего аналога, в том числе в условиях захвата носовой оконечности судна волной, когда возможен выход из воды кормовой оконечности судна, что позволяет обеспечить требуемую прочность корпуса судна как в процессе эксплуатации путем выбора безопасного маршрута движения судна с учетом прогнозирования параметров морского волнения, так и при проектировании и постройке. Поэтому реализация предлагаемого способа контроля общей прочности корпуса судна в процессе эксплуатации будет способствовать повышению безопасности мореплавания.