Анализ расчета прочностных характеристик льда и локальной ледовой нагрузки на плавучие сооружения по методике РМРС

Сабина Идрисова

Анализ расчета прочностных характеристик льда и локальной ледовой нагрузки на плавучие сооружения по методике РМРС

Работа состоит из 35 страниц, 12 иллюстраций, 10 таблиц, 18 использованных источников, 4 приложений и 2 статей. В настоящей работе представлен расчет локальной ледовой нагрузки при взаимодействии ледового покрова с прямостенным бортом оффшорного сооружения по методике РМРС. В работе объектом исследования является самоподъемная установка (СПУ) «Ирбен», используемая для проведения грузоподъемных операций, строительные размеры элементов корпуса и данные для расчетов которой приняты из эксплуатационной документации Центрального научно-исследовательского института морского и речного флота. На основании результатов общего анализа прочности СПУ, в работе используется модернизированная геометрия узла колонны-понтон, результаты расчета которой были получены в ходе написания выпускной квалификационной работы бакалавра. Тогда задача заключалась в определении несущей способности понтонов и исследования применимости метода конечных элементов к проектированию морских нефтегазовых сооружений. Так как результаты сравнения аналитических расчетных схем при изгибе и численного анализа дали адекватные значения и модель себя оправдала, то было решено использовать данную СПУ для анализа рассматриваемой методики.

Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук

Исследования

Вуз: Санкт-Петербургский государственный морской технический университет (СПбГМТУ)

ID: 5b0833057966e104e9d85e6b

UUID: 9d120030-4262-0136-575c-525400005860

Язык: Русский

Опубликовано: больше 6 лет назад

Просмотры: 87

19.74

Сабина Идрисова

Санкт-Петербургский государственный морской технический университет (СПбГМТУ)

Комментировать 0

Рецензировать 2

Скачать - 2,2 МБ

Поделиться работой

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего образования Санкт-Петербургский государственный морской технический университет Кафедра океанотехники и морских технологий Анализ расчета прочностных характеристик льда и локальной ледовой нагрузки на плавучие сооружения по методике РМРС Выполнила: Идрисова С. гр. 1162 2018 1

Оглавление Реферат ............................................................................................................. 3 Ведение ............................................................................................................. 4 1. Первые результаты разработки Свидетельства о допустимых режимах плавания судна ................................................................................................. 5 2. Критерии оценки .......................................................................................... 7 3. Описание самоподъемной плавучей установки ......................................... 7 4. Механизм взаимодействия ледового покрова с прямостенным бортом ... 9 5. Физико-механические характеристики льда ............................................ 11 6. Расчет прочностных характеристик ледового образования, определяющих силовое воздействие льда на корпус ................................... 12 7. Экспериментальное исследование прочности льда на сжатие ................ 17 8. Выбор материала объекта и указание его свойств ................................... 19 9. Наложение на модель необходимых физических условий ...................... 20 нагрузок 10.Моделирование 21 11.Мероприятия по предотвращению неприемлемых последствий реализации проекта ........................................................................................ 23 Вывод .............................................................................................................. 25 Литература ...................................................................................................... 27 Приложение 1 ................................................................................................. 29 Графические материалы по СПУ «Ирбен» ........................................ 29 Приложение 2 ................................................................................................. 32 Геометрическая модель СПУ «Ирбен» ............................................... 32 Приложение 3 ................................................................................................. 33 Напряженно-деформированное состояние СПУ «Ирбен» ................ 33 Приложение 4 ................................................................................................. 34 Схема распределения плотности промысловых видов рыб ............... 34 2

Реферат Работа состоит из 35 страниц, 12 иллюстраций, 10 таблиц, 18 использованных источников, 4 приложений и 2 статей. В настоящей работе представлен расчет локальной ледовой нагрузки при взаимодействии ледового покрова с прямостенным бортом оффшорного сооружения в целях возможности дальнейшего применения методических рекомендаций по выполнению расчета допустимых режимов движения судна во льдах Российского Морского Регистра Судоходства (далее «РМРС») согласно НД №2-039901-003 далее «Методические рекомендации» [1]. Методические рекомендации служат для определения допустимой скорости непрерывного поступательного движения судна и допустимой толщины льда, при которых напряженно-деформированное состояние корпусных конструкций при взаимодействии судна со льдом не превышает установленного уровня. При этом перечисленные выше допустимые параметры должны определяться на основании кривой фактической прочности, которая должна быть построена для каждого конструктивного элемента поперечного сечения. В результате сложности комплексной оценки прочности корпуса в целом, а также получения единой картины напряжений и деформаций при контакте со льдом, для проведения анализа было решено использовать конечно-элементную модель реальной конструкции с набором [2], рассмотреть механизм взаимодействия прямостенного борта сооружения с ледовым образованием, и обозначив все исходные параметры, определить ледовую нагрузку [3]. Данная работа нацелена на дальнейшую разработку и алгоритмизацию задачи с определением допустимых скоростей движения судна во льдах, согласно запланированному маршруту в ледовых условиях. 3

Ведение Актуальность работы обусловлена тем, что подобный расчет и детальное изучение рекомендованной методики РМРС необходимы для предоставления рекомендаций судоводителям при планировании морских операций и разработки Свидетельства о допустимых режимах плавания судна во льдах. Само свидетельство предназначено для снижения риска получения повреждений корпуса судна при взаимодействии со льдом. К примеру, в Наставлении по эксплуатации в полярных водах, Раздел 1 (Эксплуатационные возможности и ограничения) должен включать информацию о допустимых режимах движения судна во льдах, которая является результатом получения кривой допустимой скорости с предварительным анализом кривой фактической прочности конструкции, взаимодействующей со льдом [4]. При выполнении расчета по определению фактической прочности корпусных конструкций необходимо брать во внимание режим движения, район эксплуатации, ледовые условия и техническое состояние корпуса, что усложняет саму методику. В соответствии с Методическими рекомендациями был выбран режим движения в битых льдах, как наиболее распространённый режим эксплуатации судна. Так же в соответствии с данными рекомендациями, область применения ледовых Правил ограничивается четко определенной формой и конфигурацией носовой части корпуса, т.е. углы наклона ватерлинии, шпангоута и т.п. строго регламентируются (Рисунок 1). Все отклонения от требований являются предметом специального рассмотрения Регистра, что предполагает выполнение прямых расчетов с использованием численных методов. Рисунок 1 – Сценарий взаимодействия судна со льдом 4

В работе объектом исследования является самоподъемная установка (СПУ) «Ирбен», используемая для проведения грузоподъемных операций, строительные размеры элементов корпуса и данные для расчетов которой приняты из эксплуатационной документации Центрального научноисследовательского института морского и речного флота (Приложение 1). На основании результатов общего анализа прочности СПУ, в работе используется модернизированная геометрия узла колонны-понтон, результаты расчета которой представлены в [2, 5]. Тогда задача заключалась в определении несущей способности понтонов и исследования применимости метода конечных элементов к проектированию морских нефтегазовых сооружений. Так как результаты сравнения аналитических расчетных схем при изгибе и численного анализа дали адекватные значения и модель себя оправдала, то было решено использовать данную СПУ для определения ледовых нагрузок, (Приложение 2, 3). 1. Первые результаты разработки Свидетельства о допустимых режимах плавания судна Идея документа, который бы связывал ледовые качества судна с конкретными ледовыми условиями его плавания, сформировалась в ААНИИ в 80-х годах прошлого века. Ледовые паспорта использовались как для определения безопасных условий плавания конкретного судна в оперативном режиме, так и для решения задач, касающихся планирования работы транспортной системы в целом. В настоящее время от РМРС судовладельцу выдается «Свидетельство о допустимых режимах плавания». Выдача которого осуществляется по заявке судовладельца, на основании разработанного компетентной организацией для данного судна «Расчета допустимых режимов плавания». Данный расчет проходит проверку в Главном Управлении Регистра и получает штамп о согласовании. Компетентность организации также подтверждается РМРС, причем ЦНИИМФ включен в утвержденный регистром перечень компетентных организаций (Циркулярное письмо № 314-2.2-547ц от 19.12.2011). Пример результатов ледовой нагрузки, которые были получены в ААНИИ, представлен на Рисунке 2 [6]. При этом согласно Рисунку 2, необходимо обратить внимание на Case 1, так как понтон СПУ «Ирбен» имеет вертикальный борт. 5

При изучении разработанной регистром методики и опыта по разработке Свидетельства были выявлены ряд проблем и вопросов: 1. Для оценки фактической прочности листов наружной обшивки и балок основного набора борта судна, необходимо применение трехмерного конечно-элементного моделирования корпусных конструкций. 2. Необходим учет данных, полученных при проведении натурных ледовых испытаний. 3. Прочность балок не соизмерима с прочностью обшивки, и возможно результаты будут сильно отличаться. Учитывая, что при увеличении нагрузки большие деформации уже испытывает набор. Рисунок 2 – Результаты ледовой нагрузки Касательно первого вопроса, корпус судна деформируется упругопластически, поэтому модель должна быть разработана в пластинчатостержневой идеализации бортового перекрытия. Это не представляется сложным, при том, что есть возможность использования современных CAD систем. Если говорить об исходных данных, то источником могут служить Атласы и данные Росгидромета или карты Глобального банка цифровых данных по морскому льду. Но прежде чем определить фактическую прочность конструкции, необходимо определить зону контакта корпуса со льдом, которая изменяется со временем, что приводит к изменению интенсивности нагрузки. Поэтому в данной работе внимание уделяется механизму 6

взаимодействия льда с сооружением и учету физико-механических характеристик льда. Контактное взаимодействие между льдиной и корпусом судна основывалась частично на рекомендациях В.А. Лобанова. Имеющиеся у автора данные численного эксперимента показывают, что при малых скоростях соударения (в пределах малого хода судна) в большей степени повреждается обшивка судна. С ростом скорости (средний и полный ход) экстремальные повреждения переходят к набору. При этом уровень максимальных пластических деформаций рамного набора многократно превосходит эту величину у обшивки [7]. Также численный расчет показывает, что максимальное контактное усилие в процессе удара не всегда пропорционально массам судна и льдин, как и величина ледовых сил не всегда пропорциональна уровню повреждений судна. 2. Критерии оценки Основным достоинством численного моделирования является возможность оценки повреждений судна. Расчетные зависимости базируются на следующих критериях конструктивной прочности [8]: 1. Ледовое повреждение рассматривается как результат единичного воздействия ледовой нагрузки. 2. Расчетная ледовая нагрузка соответствует предельному состоянию конструкции при ограниченной пластической деформации. 3. Единичное ледовое повреждение вероятностью 7% рассматривается как нормальная практика эксплуатации. 4. Ледовая нагрузка определяется исходя из равной вероятности повреждения для различных подкрепленных зон. 5. В части предельной прочности расчетная нагрузка не должна превышать предельную несущую способность конструкции. Для оценки напряженно-деформированного состояния корпусной конструкции был выбран критерий текучести материала. 3. Описание самоподъемной плавучей установки В работе объектом исследования является СПУ «Ирбен», предназначенная для проведения грузоподъемных операций. Строительные размеры элементов корпуса и данные для расчетов которой перечислены в Таблице 1. 7

Таблица 1 – Основные характеристики платформы Название платформы Дата и место постройки Регистровый номер Порт приписки Флаг Тип Класс Район плавания Длина наибольшая, м Ширина, м Высота борта, м Водоизмещение, т Предел текучести материала корпуса, МПа ИРБЕН 2010 Россия 040760 Большой порт Санкт-Петербург Российская Федерация Самоподъемная платформа (KE) * R3 Ограниченный R3 24,37 17,03 2,4 611,79 355 На Рисунке 3 представлен общий вид платформы в эксплуатационном режиме. СПУ представляет собой сложное пространственное сооружение, основными элементами которого являются: десять понтонов, установленные на четыре цилиндрические колонны; спуско-подъемное устройство и верхнее строение. В геометрической модели СПУ «Ирбен» помимо корпуса понтон и колонн были учтены балки продольного и поперечного набора, кницы и ребра жесткости в соответствии с представленными чертежами конструкции. Конструкция понтона СПУ приведена в Приложении 1 на Рисунке 2. Рисунок 3 – Общий вид СПУ 8

Конфигурация узла понтон-колонна была упрощена на основании имеющихся чертежей Приложение 1 на Рисунке 3 и использована в работе [2, 5]. 4. Механизм взаимодействия ледового покрова с прямостенным бортом Когда вертикальной силы воздействия корпуса на кромку ледового поля не хватает для разрушения ее изгибом, реализуется сценарий взаимодействия прямостенного борта со льдом. Для этого сценария принимается схема разрушения льда смятием вследствие горизонтального нагружения борта, параллельно поверхности ледового покрова. Со стороны нижней и верхней кромок льда происходит скол льда в сторону свободной поверхности. Смятие льда происходит на ширине (0,65-0,6) толщины льда, которая принимается как эффективная зона контакта (Рисунок 4) [2]. Для определения параметров зоны контакта и определения интегральной ледовой нагрузки необходимо использовать энергетическое уравнение. В данном случае предельная нагрузка ограничена импульсом, который является произведением массы и скорости удара, так называемый Limit momentum (предельный импульс): предельное состояние, характеризующееся возникновением ледовой нагрузка из-за удара об свободно плавающую льдину. Рисунок 4 – Схема взаимодействия ледового покрова с прямостенным бортом 9

Нагрузка может быть определена путем приравнивания кинетической энергии движения льдины к энергии ее смятия [9]. Кинетическая энергия движения льдины (1): 𝑚 ∙ 𝑣2 (1) 𝐾𝐸 = 2 где: 𝑚 − эффективная масса, кг; 𝑣 − скорость взаимодействия льда и судна, м/с. Энергия смятия льдины (2): 𝜉𝑖𝑐𝑒 𝐼𝐸 = ∫ 𝐹 𝑑𝜉𝑖𝑐𝑒 (2) 0 где: 𝜉𝑖𝑐𝑒 − локальная координата глубины внедрения борта в ледовое образование, м; 𝐹 − ледовая сила, МН. Очень сложно спроектировать сооружение, которое эффективно и полностью разрушает лед изгибом. Для льда значительной толщины смятие представляет собой предельный процесс, определяющий максимальную ледовую нагрузку. Смятие представляет собой комбинацию нескольких процессов (Рисунок 5) [9]. Рисунок 5 – Модели взаимодействия Для проверки прочности корпуса определяются следующие параметры локальной нагрузки, необходимые:  значение ледовой силы, действующей по нормали к поверхности корпуса;  размеры зоны контакта корпуса со льдом, т.е. высота и длина приложения ледовой нагрузки;  среднее ледовое давление по зоне контакта;  параметры ледовой нагрузки на элемент корпуса, соответствующий шпации (ледовая сила, среднее контактное давление); 10

 среднее ледовое давление по площади контакта для элемента корпуса. Результаты определения параметров локальной нагрузки могут быть непосредственно использованы для определения требуемой толщины наружной обшивки. 5. Физико-механические характеристики льда Т.к. характеристики ледовых условий изменяются во времени и пространстве, расчет должен выполняться для нескольких условий эксплуатации судна. В данной работе исследуется один режим с постоянными характеристиками льда. Характерные размеры льдины определяются в соответствии с градациями битого льда, основными источниками информации служат Ледовые карты и данные многолетних наблюдений (Таблица 4) [10]. Таблица 4 – Сравнение характеристик морей (S. Løset, 1999) Продолжение таблицы 4 11

За район эксплуатации было взято море Баренцево:  месяц – апрель;  скорость движения, 3 уз.;  тип ледового покрова (тип льда) – однолетний;  толщина ровного льда для района эксплуатации: 1,65 м (для ровного льда рекомендуется принимать толщину снежного покрова равную 0,2 м). 6. Расчет прочностных характеристик ледового образования, определяющих силовое воздействие льда на корпус Важнейшим элементом методики является определение прочности льда на смятие или контактного ледового давления. Прочность льда на смятие определяется на основе гидродинамической модели вытеснения ледового порошка при взаимодействии кромки ледового поля с элементом корпуса судна, предложенной Д.Е. Хейсиным и В.А. Курдюмовым. Методика и краткий пример расчета представлены ниже и состоят из двух разделов: 1. Расчет прочностных характеристик ледового образования, определяющих силовое воздействие льда на корпус, который состоит из следующих подпунктов (Таблица 5). 1.1. Определение распределения температуры. Распределение температуры по толщине ледового покрова определяется изменением среднемесячных и минимальных температур окружающего воздуха и описывается гиперболой (аппроксимируется полиномом (3) по Рисунку 6 согласно результатам расчета из Таблицы 5), пояснения к формулам приведены в Таблице 6. 3 2 𝑇(ℎ̅) = 12 ∙ ̅̅̅̅̅ 𝜉𝑖𝑐𝑒 − 37 ∙ ̅̅̅̅̅ 𝜉𝑖𝑐𝑒 + 45 ∙ ̅̅̅̅̅ 𝜉𝑖𝑐𝑒 − 21 1.2. 1.3. (3) Определение средней солености морского льда, %o. Определение пористости льда по объему жидкой и газовой фаз. 12

2. Прочностные характеристики ледового покрова определяются суммарной пористостью льда (объемом жидкой и газовой фаз). Рисунок 6 – Распределение температуры по толщине ледового покрова Таблица 5 – Расчет прочностных характеристик льда 𝜉𝑖𝑐𝑒 0 0,165 0,33 0,495 0,66 0,825 0,99 1,155 1,32 1,485 1,65 ̅̅̅̅̅ 𝜉𝑖𝑐𝑒 𝑇 𝑆𝐼𝐹𝑌 𝐹1(𝑇) 𝐹2(𝑇) 𝑣𝑎 𝑣𝑏 𝑣 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 -21 -16,858 -13,384 -10,506 -8,152 -6,25 -4,728 -3,514 -2,536 -1,722 -1 7,483696 7,492175 7,543983 7,661701 7,845272 8,072005 8,296573 8,451013 8,444727 8,164481 7,474406 284,073440 243,386762 206,897508 172,974368 141,587379 113,214289 88,246863 66,724184 48,262267 32,084849 17,089040 0,305713 0,276927 0,250613 0,225626 0,202097 0,180546 0,161400 0,144782 0,130455 0,117853 0,106136 0,007409 0,007843 0,008407 0,009194 0,010302 0,011843 0,013960 0,016871 0,021000 0,027590 0,042708 0,024237 0,028320 0,033545 0,040750 0,050977 0,065595 0,086494 0,116523 0,160978 0,234108 0,402390 0,031646 0,036163 0,041952 0,049945 0,061279 0,077437 0,100454 0,133394 0,181978 0,261699 0,445098 13

Продолжение таблицы 5 𝐹𝑌 (𝜎𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑠 )𝐻 10,097443 10,097078 10,096611 10,095965 10,095050 10,093745 10,091887 10,089228 10,085307 10,078877 10,064100 𝑝0 9,610325 9,610117 9,609850 9,609481 9,608959 9,608213 9,607152 9,605633 9,603393 9,599719 9,591272 Таблица 6 – Расчет прочностных характеристик льда Название параметра 1 Расстояние от верхней поверхности льда, м Приведенная толщина эквивалентного снежно-ледового покрова, м Нормированное расстояние от верхней поверхности льда Температура на верхней границе снежноледового покрова, °С Температура в середине приведенной толщины льда, °С Температура на нижней границе снежноледового покрова, °С Вспомогательная точка для построения гиперболы, °С Температура, °С Средняя соленость однолетнего морского льда по его толщине, ‰ Формула 2 𝜉𝑖𝑐𝑒 ℎ(𝑖𝑐𝑒)𝑒𝑞 = ℎ𝑖𝑐𝑒 + 5 ∙ ℎ𝑠𝑛𝑜𝑤 ̅̅̅̅̅ 𝜉𝑖𝑐𝑒 = 𝜉𝑖𝑐𝑒 ℎ𝑖𝑐𝑒 ̅̅̅̅̅ 𝑇(𝜉 𝑖𝑐𝑒 = 0) ̅̅̅̅̅ 𝑇(𝜉 𝑖𝑐𝑒 = 0.5) = 0.5 ∙ 𝑇𝑎𝑣𝑒𝑟 ̅̅̅̅̅ 𝑇(𝜉 𝑖𝑐𝑒 = 1) = 𝑇0 ̅̅̅̅̅ 𝑇(𝜉 𝑖𝑐𝑒 = 0.75) = 0.5 ∙ (0.4 ∙ 𝑇𝑎𝑣𝑒𝑟 − 1) ̅̅̅̅̅ 𝑇(𝜉 𝑖𝑐𝑒 ) 91.603 (𝑆𝐼𝐹𝑌 )𝑎𝑣𝑒𝑟 (4.606 + ) ℎ𝑖𝑐𝑒 𝑆𝐼𝐹𝑌 = (𝑆𝐼𝐹𝑌 )𝑎𝑣𝑒𝑟 ∙ 4 3 −0.2239 ∙ ̅̅̅̅̅ 𝜉𝑖𝑐𝑒 + 3.1592 ∙ ̅̅̅̅̅ 𝜉𝑖𝑐𝑒 − Распределение солености, поперек ледового покрова для однолетнего морского льда в ∙( ) 4 3 зимне-весеннюю навигацию, ‰ −1.6035 ∙ ̅̅̅̅̅ 𝜉𝑖𝑐𝑒 − 1.3336 ∙ ̅̅̅̅̅ 𝜉𝑖𝑐𝑒 + 1.45 Плотность льда, т/м3 0.92 𝐹1(𝑇) = −4.732 − (2.245 ∙ 10) ∙ 𝑇 Функция от температуры, °С −(6.397 ∙ 10−1 ) ∙ 𝑇 2 −(1.074 ∙ 10−2 ) ∙ 𝑇 3 14

Продолжение таблицы 6 1 Функция от температуры, °С Относительный объем газовой фазы, ppt Относительный объем жидкой фазы, ppt Относительная суммарная пористость льда, ppt Максимальное значение прочности однолетнего льда на одноосное сжатие при горизонтальном нагружении, МПа Прочность льда на смятие Среднеинтегральная прочность льда на смятие, МПа 2 𝐹2(𝑇) = 8.903 ∙ 10−2 −(1.763 ∙ 10−2 ) ∙ 𝑇 −(5.330 ∙ 10−4 ) ∙ 𝑇 2 −(8.801 ∙ 10−6 ) ∙ 𝑇 3 𝑣𝑎 = (𝜌 ∙ 𝑆𝑖 )𝐹2(𝑇)/𝐹1(𝑇) 𝑣𝑏 = (𝜌 ∙ 𝑆𝑖 )/𝐹1(𝑇) 𝑣 = 𝑣𝑎 + 𝑣𝑏 𝐹𝑌 (𝜎𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑠 )𝐻 = 10.1 ∙ 𝑒 −0.008∙𝑣 0.6 𝐹𝑌 𝑝0 = 2.4 ∙ (𝜎𝑐𝑜𝑚𝑝𝑟𝑠 )𝐻 1 𝑝0 (𝑏) = ∙ ∫ 𝑝0 (𝜉𝑖𝑐𝑒 ) 𝑑𝜉𝑖𝑐𝑒 𝑏 𝑏 − высота зоны контакта обшивки с ледовым покровом вдоль 𝜉𝑖𝑐𝑒 2. Назначение ледовой нагрузки применительно к заданным параметрам эксплуатации. Значение прочности льда на смятие определяется в функции от прочности на одноосное сжатие. Для расчета параметров ледовой нагрузки, распределение среднеитегрального давления в зависимости от расстояния от верхней поверхности льда аппроксимируется полиномом (4) по Рисунку 7 согласно результатам расчета из Таблицы 5. 𝑝0 (𝜉𝑖𝑐𝑒 ) = −0,0143 ∙ 𝜉𝑖𝑐𝑒 5 + 0,0472 ∙ 𝜉𝑖𝑐𝑒 4 − 0,0568 ∙ 𝜉𝑖𝑐𝑒 3 + 0,0259 ∙ 𝜉𝑖𝑐𝑒 2 − 0,0053 ∙ 𝜉𝑖𝑐𝑒 + 9,6104 (4) 15

Рисунок 7 – Распределение среднеитегрального давления по толщине льда Таблица 7 – Назначение ледовой нагрузки Название параметра 1 Угол наклона шпангоута, измеренный по нормали к наружной обшивке, град Высота ледовой нагрузки по элементу корпуса, м Угол раствора льдины, град Локальная координата глубины внедрения борта в ледовое образование 𝜉 определяется численно, м Масштабный коэффициент Характерная длина контакта, м Формула 2 Значение 3 𝛽 0 𝑏= 0.65 ∙ ℎ𝑖𝑐𝑒 cos 𝛽 𝜑 1.0725 160 𝐶1 𝐶2 ∙𝜉 ( ∙ 𝐶2 ∙ 𝜉 − 1) + 1] + 2 = [𝑒 𝐶2 𝑚 ∙ (𝑉 ∙ 0.5144 ∙ sin 𝛼 )2 +𝐶3 ∙ 𝜉 2 − 2 𝐶1 = 1.0209 ∙ 𝑝(ℎ𝑖𝑐𝑒 ) ∙ ℎ𝑖𝑐𝑒 tan 𝜑/2 ∙ cos 𝛽 𝐶2 = −1.005 ∙ 𝑝(ℎ𝑖𝑐𝑒 ) ∙ tan 𝜑/2 𝐶3 = 0.1395 ∙ 𝑝(ℎ𝑖𝑐𝑒 ) ∙ ℎ𝑖𝑐𝑒 tan 𝜑/2 ∙ cos 𝛽 −2∙𝑥 tan ( 𝜑 2) 𝑘𝑠𝑐𝑎𝑙𝑒 (𝑥) = 0.7853 ∙ 𝑒 1.99 + 0.2146 𝑤 = 2 ∙ 𝜉 ∙ tan 𝜑/2 0,126 1.429 16

Продолжение таблицы 7 1 Cреднеинтегральное давление по высоте зоны контакта, МПа Интегральная сила, МН Размер шпации, м Нормальная сила в пересчете на шпацию, МН Среднее нормальное давление по площади контакта для элемента корпуса, МПа 2 3 𝑝(𝑏) (определяется по (4)) 9.6066 𝐹 = 𝑝(𝑏) ∙ 𝑤 ∙ 𝑏 ∙ 𝑘𝑠𝑐𝑎𝑙𝑒 (𝑤) 𝑆𝑝𝑎𝑐𝑒 𝐹𝑠𝑝𝑎𝑐𝑒 = 𝑝(𝑏) ∙ 𝑏 ∙ ∙ 𝑆𝑝𝑎𝑐𝑒 ∙ 𝑘𝑠𝑐𝑎𝑙𝑒 (𝑆𝑝𝑎𝑐𝑒) 3.16 1.22 𝑝𝑠𝑝𝑎𝑐𝑒 = 𝐹𝑠𝑝𝑎𝑐𝑒 𝑏 ∙ 𝑆𝑝𝑎𝑐𝑒 2,70 2,0687 7. Экспериментальное исследование прочности льда на сжатие В данной работе для сравнения представлены физико-механические характеристики льда, полученные после лабораторных и полевых испытаний в университете UNIS (осень, 2017 год) при поддержке проекта SITRA под руководством профессора А.В. Марченко [11]. Зависимость прочностных характеристик льда от пористости, температуры и солености определяет неравномерность распределения его свойств поперек ледового покрова, что необходимо учитывать при определении ледового давления на корпус судна. Физико-механические характеристики образцов льда были рассчитаны с использованием зависимостей [11], приведённых в Таблице 8. Прочность на сжатие была проанализирована (Timco & Frederking, 1990) для диапазона пористости от 0.1 < νt < 0.15 при скорости ε̇ = 10−3 s −1 и уравнений Timco & Weeks, 2010. Эти отношения также используются в ISO 19906. Таблица 8 – Формулы, использованные при определении Название параметра Плотность рассола, кг/м3 1 Функция от температуры, °С Функция от температуры, °С Формула 𝜌𝑏 = 1 + 0.0008 ⋅ 𝑆𝑏 2 𝐹1 = −4.732 − 22.45 ⋅ 𝑇 − 0.6397 ⋅ 𝑇 2 − 0.01074 ⋅ 𝑇3 𝐹2 = 0.08903 − 0.01763 ⋅ 𝑇 − 0.00533 ⋅ 𝑇 2 − 88.01 ⋅ 10−7 ⋅ 𝑇 3 17

Продолжение таблицы 8 1 2 Содержание рассола, ppt Плотность воздуха, кг/м3 Прочность на сжатие при горизонтальном нагружении, МПа Прочность на сжатие при вертикальном нагружении, МПа 𝜈𝑏 = 𝜈𝑎𝑖𝑟 𝜌𝑖 ⋅ 𝑆𝑖 , 𝑇 > −1.9℃ 𝜌𝑏 ⋅ 𝑆𝑏 𝜌𝑖 ⋅ 𝑆𝑖 , −1.9℃ > 𝑇 > −22.9℃ { 𝐹1 𝜌𝑖 𝜌𝑖 1− + 𝜈𝑏 ⋅ ( − 1) , 𝑇 > −1.9℃ 𝜌𝑝,𝑖 𝜌𝑝,𝑖 = 𝜌𝑖 𝐹2 1− + 𝜌𝑖 ⋅ 𝑆𝑖 ⋅ , −1.9℃ > 𝑇 > −22.9℃ 𝜌𝑝,𝑖 𝐹1 { 𝜎𝑐ℎ = 37𝜖̇ 0.22 (1 − √ 𝑣𝑡 ) 0.27 𝜎𝑐𝑣 = 160𝜖̇ 0.22 (1 − √ 𝑣𝑡 ) 0.2 Всего было проведено четыре испытания морского льда на одноосное сжатие с использованием машины Knekkis и Kompis. Результаты представлены на Рисунке 8. Рисунок 8 – Результаты эксперимента на одноосное сжатие морского льда 18

Из кривых напряжений и деформаций видно, что C1 ведет себя как хрупкий материал, в то время как три других: C2-4 являются более пластичными. Сравнивая результаты эксперимента с Рисунком 9 в условиях сжатия, напряжение увеличивается со скоростью деформации до 10-4 с-1 и соответствуют зоне вязко-хрупкого перехода. Рисунок 9 – Напряжения и скорость деформации (Weeks, 2010) Наблюдаемые максимальные напряжения от 4 до 6,5 МПа хорошо согласуются со значениями, представленными на Рисунке 9. 8. Выбор материала объекта и указание его свойств Согласно исходным данным материал корпуса и колонн СПУ – сталь марки S355 J2 G3. Стойкая к атмосферным воздействиям конструкционная сталь (S) с минимальным пределом текучести 355 МПа. Расчетный предел текучести материала в зависимости от нормативного предела текучести следует определять по Таблице 9 и 10 [12]. 19

Таблица 9 – Марки стали, приведенные в проекте Толщина, мм ≤ 12,5 12,5 ≤ 25,5 > 25,5 Марка стали AH DH EH Таблица 10 – Расчетный предел текучести материала Для задания материала в ANSYS используется отдельный модуль управления материалами, связанный с блоком анализа и представленный элементом Engineering Data. 9. Наложение на модель необходимых физических условий После задания толщин и выбора материалов в блоке Mechanical была выполнена настройка свойства контактов отражающих реальные свойства данной сборной конструкции, элементы которой, контактируя между собой, перемещаются друг относительно друга под действием сил и деформируют друг друга. При этом, [13, 14]:  в сборке контактируют все тела и при импортировании и чтении сборок препроцессором с учетом этого автоматически создаются контакты между деталями;  контакт «поверхность–поверхность» (Surface-to-surface) разрешает неэквивалентные сетки на поверхностях контактирующих тел; Наиболее распространенным является идеальный контакт (bonded), подразумевающий полную склейку двух контактирующих объектов и работу их как единого целого без разделения. Таким образом на границе различных геометрических объектов узлы объединяются, что не требуется определение контактных условий на границе. 20

10. Моделирование нагрузок Для оценки качества анализа к понтону прилагаются следующие нагрузки: - вес понтона СПУ; - ледовая нагрузка. При оценке контактных усилий льда имеет место перераспределение давлений, характер которого усложняется с увеличением скоростей и масс судна и льдины, что обусловлено пластическими деформационными процессами в корпусных конструкциях. Об этом свидетельствуют результаты натурных испытаний, проведенные в 2010 году для научноисследовательского судна R/V Lance (van Mijenfjorden, Svalbard) класса ICE-1A. Результаты измерений иллюстрируют распределение давления в районе носовой оконечности при увеличении тяги в сплоченном льду (Рисунок 10) [Troms Offshore, 2010]. График измеренного давления как функции от времени представлен на рисунке 10. Из рисунка видно, что уровень напряжений изменяется, когда тяга увеличивается, а затем остается относительно постоянной. При этом резкое падение давления для датчика 6, 8 и увеличение для датчика 1, скорее всего свидетельствует о том, что пятно контакта распространяется не равномерно и соответственно изменяется длина и ширина интенсивности нагрузки, обшивка и балки набора по-разному откликаются на нагрузки [15]. Рисунок 10 – Результаты испытаний научно-исследовательского судна R/V Lance 21

Форма контактной зоны в традиционных методиках является основным аргументом при расчете таких параметров соударения как сила, глубина смятия кромки льда, время соударения, прогиб льдины. В зависимости от вида контактной кромки льда (угловой или закругленной) эта зона имеет вид треугольника или эллиптического сегмента. На практике контактное пятно имеет произвольную форму. Приложение локальной ледовой нагрузки производится на малой контактной площади и согласно многим ледовым испытаниям (Wells et al., 2011). На рисунке 11представлены результаты взаимодействия льдины с корпусом СПУ, полученные методом конечных элементов, где видно, что величина максимальных деформаций в 110,7 мм практически соответствуют локальной координате глубины внедрения борта в ледовое образование, полученное в результате расчета по методике РМРС (Таблица 7). Рисунок 11 – Картина относительных деформаций 22

Картина напряжений понтонной сборки по Мизесу в районе приложения нагрузки характеризуется высокой концентрацией для балок набора, при этом уровень максимальных пластических деформаций рамного набора многократно превосходит эту величину у обшивки. Зоны концентраций носит явно выраженный локальный характер и представлены на рисунке в виде небольших пятен. Такая ситуация наблюдается в местах сопряжения отдельных элементов конструкции между собой. Максимальная величина пиковых напряжений является результатом возникновения сингулярности. 11. Мероприятия по предотвращению неприемлемых последствий реализации проекта На основании результатов Оценки воздействия на окружающую среду (ОС) проекта СПУ «Ирбен», мероприятия по снижению воздействия на ОС должны включать [16]: 1. Оптимизацию режима водозабора и использования морских вод, в т.ч. применение рыбозащитных устройств (РЗУ), функциональная эффективность которых составляет 75-90 %, а минимальный размер защищаемых рыб – 12 мм. 2. Проведение подводных исследований непосредственно в районе установки СПУ для получения визуальных данных о распределении рыб. 3. Перспективным методом на сегодняшний день является биоэлектронная телеметрические система экологического мониторинга акваторий, которая включает [17]:  экологический мониторинг поверхностных вод;  контроль сброса очищенных сточных вод. Мониторинг антропогенного воздействия на окружающую среду производится непрерывно и в реальном времени. Поведение и состояние здоровья биосенсоров отслеживается путем измерения частоты сердечных сокращений и движения створок. Данные от живых биосенсоров и передаются в реальном времени в Экспертный ситуационный центр. Система может включать в качестве биосенсоров различные живые организмы. Необходимо помнить, что кроме организации безопасной эксплуатации нефтегазовых платформ и установок на акваториях России спустя несколько десятилетий потребуется обеспечить ликвидацию построенной инфраструктуры. 23

В рыбохозяйственном плане интересны проекты и работы, нацеленные на использование стационарных сооружений в море в качестве искусственных рифов, что служит одним из эффективных способов повышения биопродуктивности прибрежных вод. Такого рода исследования ведутся на шельфе США, Великобритании, Норвегии, Италии и Мексики, где рыболовство и марикультура вынуждены сосуществовать с морским нефтегазовым промыслом и испытывать их воздействие и после завершения добычи углеводородов. Установлено, что численность и биомасса ихтиофауны в радиусе до 100 м от платформ может в десятки и сотни раз превышать аналогичные показатели для прилегающих открытых вод [18]. В Северном море норвежские специалисты провели комплексные ихтиологические исследования в районах расположения двух крупных нефтяных платформ. Результаты этих исследований, основанные на подводных наблюдениях, показали четкую тенденцию к нарастанию плотности запасов и уловов рыб по мере приближения к платформам (Приложение 6 рис.1). Так отработанные нефтяные платформы позволяют повысить эффективность рыбного промысла за счет формирования более плотных скоплений рыб. При условии выполнения работ в соответствии с проектными решениями и выполнении предусмотренных природоохранных мероприятий, намечаемая деятельность не окажет необратимого воздействия на окружающую среду, не повлечет существенных изменений экологической обстановки, и не приведет к нарушению естественного гидрологического и гидрохимического режима. 24

Вывод Методика РМРС по определению прочностных характеристик ледовых образований и локальной ледовой нагрузки позволяет оценивать местную прочность конструкций судов и плавучих сооружений, форма корпуса которых отличается от регламентируемой Правилами PC. Данный факт очень важен при разработке документа о допустимых режимах движения судна во льдах, при расчете которого учитывается, что зона контакта корпуса судна со льдом ограничивается районом носовой оконечности и имеет ненулевые значения углов наклона борта в районе ватерлинии, соответствующей расчетной осадке. Также, при горизонтальном нагружении, когда осуществляется сценарий взаимодействия ледового образования с прямостенным бортом, характерной чертой прочности льда на смятие является масштабный эффект от площади контакта. Данная особенность связана со случайностью разрушения элементов льда вдоль зоны контакта. Поэтому для оценки интегральной силы необходимо использовать методы, основанные на экспериментальных данных. Если сравнивать полученные результаты расчета, приведенные в Таблице 5 и оценку локальной ледовой нагрузки, полученную рядом испытаний на Рисунке 12 (Taylor et al., 2009; Li et al., 2010), то заметна явная сходимость в зависимостях прочности льда на смятие от площади контакта. Рисунок 12 – Ледовое давление и площадь контакта (Kujala and Arughadhoss, 2011) 25

Кроме того, на сегодняшний день в комплексе возможно выполнение прямых расчетов с использованием численных методов, что является актуальным при анализе напряженно-деформированного состояния корпусных конструкций. Так, например, с увеличением скорости и толщины льда, процесс смятия нижней кромки ледового покрова становится превалирующим, что приводит к росту высоты смятия льда и увеличению ледовой нагрузки на набор корпуса. Таким образом, по результатам подобных комплексных расчетов и анализа в соответствии с получаемыми нагрузками, возможно назначение ледовых усилений частей судна, имеющих форму, отличную от требований РС к носовым обводам. 26

Литература 1. Методические рекомендации по выполнению расчета допустимых режимов движения судна во льдах. НД №2-039901-003 (проект-2015), г. Санкт-Петербург, 2015. – 37 стр. 2. С. Идрисова. «Использование метода конечных элементов при проектировании морских инженерных сооружений». МОРСКИЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ. Научный журнал № 2 (36) T.1 2017, ISSN № 2073-7173. 3. Сборник нормативно-методических материалов РМРС. Книга двадцать пятая. НД № 2-139902-030. г. Санкт-Петербург, 2017. – 62 стр. 4. Руководство по применению положений Международного кодекса для судов, эксплуатирующихся в полярных водах (Полярного кодекса). – СПб: РМРС, 2017. – 28 с. 5. С. Идрисова. Анализ напряженно-деформированного состояния самоподъемной плавучей установки. Эксплуатация морского транспорта. 2017, №3. г. Новороссийск. 6. В.А. Лихоманов, А.В. Чернов. Использование Свидетельства о допустимых режимах плавания судна при планировании морских операций. Научно-практический семинар «Анализ гидрометеорологических процессов в арктических морях и гидрометеорологическое обеспечение морских операций в Арктике в 2016 г.» ФГБУ «ААНИИ», 5 апреля 2017 г. 7. В.А.Лобанов. «Оценка местной ледовой прочности корпуса судна численными методами». Дифференциальные уравнения и процессы управления, № 3, 2010. Нижний Новгород – 9 стр. 8. М.С. Бойко. О разработке требований РС к расчету допустимых режимов движения судна во льдах. Круглый стол: «Полярный кодекс: что нужно знать?», НЕВА-2015, 24.09.2015, г. Санкт-Петербург. 9. Sea Ice Engineering 2017 – Notes/theory and application. Claude Daley. Memorial University of Newfoundland , p. 235. 10. S. Løset et al./Cold Regions Science and Technology 29 (1999) 201–214. 11. Kari Noer Lilli, Amanda Ryan, Thue Nøhr Geil, Sabina Idrissova. Ice Mechanics Experimental Report / AT-332/832 / Physical Environmental Loads on Arctic Coastal and Offshore Structures , 2017. 12. Fall 2017ABS. Rules for building and classing steel vessels, 2011. P. 257. 27

13. DNV-OS-C101: “Design of Offshore Steel Structures, General (LRFD Method)”, April 2016. P. 96. 14. Design Modeler Help, ANSYS Release 11.0, January 2007. P. 286. 15. Troms Offshore, 2010RV Lance, http://www.tromsoffshore.no/en/fleet/rv-lance/ 16. Пинаев В.Е. Воздействие на морские воды при бурении скважин с морской платформы – опыт подготовки раздела проектной документации. // «Науковедение», 6 (25), ноябрь – декабрь 2014. С. 2 – 12. 17. Донченко В.К. Географические информационные системы для поддержки принятия решений в задачах экологической безопасности. // «Региональная экология»: СПб, № 4 (30), 2010, С.17 – 23. 18. Капков В.И. Биоремедиация морских прибрежных экосистем: использование искусственных рифов. // Вестник МГТУ, том 19, № 1/2, 2016 г. С. 286–295. 28

Приложение 1 Графические материалы по СПУ «Ирбен» Рисунок 1 – Общее расположение СПУ «Ирбен» 29

Рисунок 2 – Конструкция контейнера СПУ «Ирбен» 30

Рисунок 3 – Конструкция узла понтон-колонна СПУ «Ирбен» 31

Приложение 2 Геометрическая модель СПУ «Ирбен» Рисунок 1 – Понтонная сборка СПУ «Ирбен» Рисунок 2 – Четверть понтонной сборки СПУ «Ирбен» 32

Приложение 3 Напряженно-деформированное состояние СПУ «Ирбен» Рисунок 5 – Картина эквивалентных нормальных напряжений, возникающих в модели, разработанной по второму варианту узла понтон-колонна Рисунок 1 -Картина относительных деформаций понтона 33

Приложение 4 Схема распределения плотности промысловых видов рыб Рис. 1. Схема распределения плотности промысловых видов рыб (а) и интенсивности уловов (б) в зависимости от расстояния от отработанной нефтяной платформы в норвежском секторе Северного моря (1999 г.) 34

Рецензии:

Авторизуйтесь, чтобы добавить рецензию

Рецензия от Сабина Идрисова

Идрисова Сабина в период с 04.07.16 по 19.08.16 проходила производственную практику в отделе конструктивной надежности и защиты судов от коррозии АО «ЦНИИМФ», по результатам которой, для Идрисовой С. было разработано задание на научно-исследовательскую работу с использованием программного обеспечения ANSYS. На протяжении 2016-2017 года, Идрисова С. показала способность к самостоятельной анали...

Анализ расчета прочностных характеристик льда и локальной ледовой нагрузки на плавучие сооружения по методике РМРС

Сабина Идрисова

Поделиться работой

Рецензии:

Рецензия от Сабина Идрисова

Рецензия от Сабина Идрисова

Отзывы: