Сравнительный анализ расчетных результатов трех программ по остойчивости и непотопляемости для морского буксира с азимутными поворотными колонками



  1. Введение - „Кому это нужно?”

Я поделился со знакомым судостроительным инженером, что будеть очень интересно, если для одной компьютерной модели судна вычислить остойчивость и непотопляемость с помощью нескольких программ. Лично мне было бы очень любопытно узнать какие результаты получатся и насколько они будуть различаться. Сразу последовал совсем логичный вопрос: „А кому это нужно?”. Попробую ответить совершенно честно:

Я сделал все это не с коммерческой целью, также и не стремился сделать какую-нибудь рекламу программному продукту.

Моя главная цель - это показать молодым студентам и молодым судостроительным инженерам как выполнять подобные расчеты.

Если я помог по крайней мере 10 человекам, я буду считать, что мой труд не пропал зря.



  1. Автор компьютерной модели буксира и расположения танков является молодой инженер из Бразилии Fellipe Verissimo. Модель, выполненная в программе “Delftship Professional”, является вариантом его дипломного проекта. Если быть критичным к модели, заметим отсутствие подруливающего устройства в носовой части, которое очень характерное для таких буксиров.



  1. Главные размерения и характеристики буксира:

Тип: Буксир для морской буксировки с азимутными кормовыми поворотными колонками с гребными винтами в насадках

L bp=34m; L корпус=34,436m; B=11,2m; H min=5,6m; H мидель=6,247m; H max=7,337m

Конструктивная осадка T= 4m

Район плавания - Неограниченный, без ледового усиления

Мощность главных двигателей: 2 x 2000kW=4000kW

Эксплуатационная скорость-13 узлов; Тяга на гаке -около 70t

Расположение гака: X=14m от КП; Y=0 и Z=7,8m от ОП

Критические точки заливания- вентиляционные отверстия дымоходов левого и правого борта для обеспечения циркуляции воздуха в МО:

X=15,8m от КП; Y=± 3,5m от ДП и Z=10,7m от ОП

Буксир приспособлен также для спасательных операций и для пожаротушения в открытом море или в порту.

Кроме морской буксировки его можно эксплуатировать и как портовой буксир.

Экипаж- 12 человек

Корпус из судостроительной стали.

Определение веса и координат ЦТ судна порожнем - по прототипным данным :

D порожнем=651,08t; Xg порожнем =17,958m; Yg порожнем =0 и Zg порожнем =4,556m

Например: Для проекта 21110 “Портовой буксир-кантовчик мощностью 3960kW и дедвейтом 195t” из книги “ Справочник по нагрузке масс морских судов”-2007г - Киреев, Мацкевич и Рязанцев, стр. 130 видно что Zgпорожнем =4,74m при LКВЛ = 35m; BКВЛ =12,6m и HВП=6,2m. Водоизмещение порожнем для прототипа без твердого балласта Dпор = 717t с ледовым усилением класс ЛУ5.

Или Zgпорожнем / HВП = 4,74 / 6,2 =0,76

В нашем случае Zgпорожнем / Hмидель = 4,556/ 6,247 = 0,73

Из последующих расчетов в программе Maxsurf Stability видно, что эта величина для Zgпорожнем принята правильно.

Для судна с 100% запасов и топлива / Полное водоизмещение / в разделе “Limiting KG” от Инфомации об остойчивости на Maxsurf мы увидим Zgmax = 4,512 m при Zg =3,952m. Для судна с 10% запасов и топлива и балластом в ахтерпике Zgmax=5,14m при Zg fluid =4,841m..

Из аварийных случаев самая меньшая величина для Zg max получается для Случая 16 в программе Dialog-Static:

Zg max = 4,96m при Zg =3,938m

Для всех аварийных случаев Zg max получается в пределах 4,96 - 6,03m.

Данные о судне - порожнем служат основной базой для сравнения трех компьютерных программ.

У каждой из трех программ есть собственный алгоритм для математического описания поверхности корпуса. Из - за этого одни и те же корпусные цистерны, ограниченные наружной обшивкой, имеют разные максимальные объемы, вычисленные тремя программами, несмотря на то, что местоположение стенок и платформ у цистерн одинаковое. Хотя разницы и незначительные, это автоматически означает различный максимальный дедвейт и различное полное водоизмещение, вычисленное тремя разными программами, для случая нагрузки с 100% запасов. Тоже самое получается и при 10% запасов.



  1. Компьютерные программы в которых выполнены расчеты:

Компьютерную модель из Delftship Professional передаем как IGES файл в программу Maxsurf Modeler Advanced, после чего уже можно формировать цистерны и выполнять расчеты остойчивости и непотопляемости в программе Maxsurf Stability Enterprise v.20.00.02.31 от 17 декабря 2013 (новая версия заменяющая Hydromax).

Тем же способом надо действовать с IGES файлом в программе Sea Solution, после чего модель надо открывать в Sea Hydro v.6.10 от 02.11.2009, формируются цистерны и выполняются расчеты.Это очень гибкая и быстродействующая программа. Есть и недостаток- отсутствие функций для графического показа результатов. Но естественно, каждая программа продолжает развиваться и обновляться.

Особенное положение с третьей программой- Dialog-Static v.Win.02/2009/. Она принимает только IGES файлы из программы ProEngeneer. Коммуникация осуществляется самым легким способом через AutoCAD 3D файл, с размерностью в mm, с поперечными сечениями модели только одного борта при симметричной конструкции, обязательно полилиниями. Программа Dialog-Static не принимает сплайновые линии от AutoCAD. Несмотря на то, что программа разработана для исключительно большого числа типов судов и на наличие вероятностного расчета индекса деления судна на отсеки, в ней есть функции, которые наверно в будущем будут изменены и дополнены. Пример - зачем дополнительно вводить палубную линию и линию ДП при уже заданных поперечных сечениях модели. Логично было бы если бы программа сама извлекала данные из основной базы.

Кроме того, необходима актуализация двух программ Sea Hydro и Dialog-Static по новым Российским Правилам РМРС-2014.

Но, прежде чем делать какие либо сравнения расчетов остойчивости и непотопляемости, необходимо сравнить максимальные объемы и координаты ЦТ этих объемов для всех цистерн, оформленные в трех программах. Только когда убедимся, что разницы несущественные / а это было очень точно проверено /, можно преступать к следующему этапу.



  1. Информация об остойчивости и непотопляемости судна оформлена в программе Maxsurf Stability

    1. Использованные критерии для остойчивости и непотопляемости

      1. Для остойчивости

        1. Основной критерий

IMO- MSC.267(85) Код остойчивости неповрежденного судна

Part A- Обязательные критерии

267(85)Ch2- Основные критерии

        1. Дополнительный критерий при циркуляции

Part A- 267(85)Ch3- Специальные критерии для определенных типов судов

3.1 Пассажирские суда

3.1.2 Циркуляция: угол равновесия

5.1.1.3 Дополнительный критерий - внезапное действие на судно натянутого буксирного каната

По австралийским правилам RAN A015866 Неповрежденные суда

4.4.7 Натяжение буксирного каната

5.1.2 Для непотопляемости

IMO- SOLAS, II - 1/8

    1. В Информации об остойчивости и непотопляемости вместо Силуэта надо показывать Общее расположение судна. Но, я думаю, надо уважать авторские права создателей прототипов, которые были использованы при разработке дипломного проекта, для этого и публикуем только Силуэт.

    2. Калибровка танков

Выполнена только для ровного киля.

    1. Случаи нагрузки для неповрежденного судна по Правилам РМРС- 2014

По Правилам обязательны следующие 2 случая:

      1. Полное водоизмещение / Судно с 100% запасов и топлива /

5.4.2 Судно с 10% запасов и топлива

Полное водоизмещение получается на ровный киль, но при 10% запасов и топлива имеем неприятный дифферент, для этого будем рассматривать случай с 10% запасов и топлива с дополнительно принятым жидким балластом в ахтерпике для удифферентовки на ровный киль.

    1. Аварийные случаи нагрузки по Правилам РМРС- 2014

Обязательны следующие случаи для буксиров:

      1. Авария форпика

      2. Авария ахтерпика

Кроме того рекомендуется и проверка при аварии МО.

В оригинальном дипломном проекте отсутствуют расчеты непотопляемости.

Выбранное местоположение поперечных переборок обеспечивает непотопляемость при заполнении одного любого отсека, что видно в разделе „Предельные длины отсеков” в Информации об остойчивости.

Имея в виду малую длину ахтерпика, будем проверять и случай аварии в румпельном отделении, также и совместную аварию ахтерпика и румпельного отделения.

Рассмотрены всего 16 аварийных случаев, при этом в них включены и случаи, при которых надо принять балласт для уменьшении дифферента после аварии. Все 16 случаев рассчитаны без учета влияния волнения.

    1. Расчет остойчивости при циркуляции и при внезапно натянутом буксирном тросе выполнен только для неповрежденного судна. Предполагается, что при аварийном состоянии судно не будеть выполнять свои функции как буксир или как спасательное судно.

    2. Кривые Масштаба Бонжана в разделе “Гидростатика“ показывают только половину затопленной площади каждого теоретического шпангоута.

    3. Расчет перерезывающих сил и изгибающих моментов показан только для неповрежденного судна чтобы не увеличился чрезмерно объем документа.

    4. Начальная остойчивость / раздел”Specified Condition”/ показана только для двух случаев нагрузки неповрежденного судна. В документ не включена начальная остойчивость при аварийных случаях нагрузки из соображений уже упомянутых в т 5.8 /независимо от того, что расчеты выполнены/.



  1. Критерии непотопляемости по Правилам РМРС- 2014

Принимаем правила для буксиров с L > 40m при симметричном затоплении:

    1. Поперечная метацентрическая высота > 0,05m

    2. Максимальное плечо Диаграммы Статической Остойчивости > 0,1m

    3. Длина положительного участка Диаграммы при симметричном затоплении в конечном стадии заполнения > 20 deg

    4. Площадь положительного участка Диаграммы Статической Остойчивости > 0,0175 m.rad

    5. Расстояние от АВЛ до критических точек заливания > 0,3m

    6. Угол максимума Диаграммы Статической Остойчивости > 20 deg



  1. В сравнительные таблицы для аварийных случаев не включены: Момент дифферентующий на 1 cm, Момент кренящий на 1deg, Число тонн на 1 cm осадки, коэффициенты полноты и дифферента с целью уменьшить объем дополнительной информации, которая не связана прямо с доказательством об удовлетворении критериев.

  2. В расчетах непотопляемости в тех случаях, когда приходится заполнять неповрежденный танк балластом для уменьшения или ликвидации дифферента, приняты два варианта:

    1. Предусмотренный балласт вводится как дополнительный вес в случае нагрузки, т.е. изменяются координаты Xg и Zg / Yg=0 при симметричном заполнении / и увеличивается водоизмещение D на D1.

Потом выполняется расчет непотопляемости судна с аварийным отсеком по методу постоянного водоизмещения, как требуется по Правилам РМРС.

8.2 Принимаем, что неповрежденный отсек, который надо заполнить балластом для удифферентовки, фиктивно поврежден и его включаем к отсекам подвергнувшихся аварии, но заполненный не до аварийной ВЛ, а до конкретного уровня выраженного %-ом заполнения. При этом весовое водоизмещение и координаты ЦТ остаются одинаковыми до и после аварии.

Расчеты непотопляемости выполняем методом постоянного водоизмещения как требуют Правила РМРС.

Этот вариант более удачен, когда неизвестен % заполнения танка для удифферентовки. Достаточно сделать несколько приближений, чтобы ориентироваться.

Если примем эти два варианта для некоторого аварийного случая нагрузки и выполним расчет в одной из программ увидим следующую теоретическую зависимость:

D1 x GMt1 = D x GMt / это произведение известно в Теории корабля как „Коэффициент остойчивости” /

Где D1 = D + P

P - количество принятого балласта для удифферентовки

Следовательно GMt1 < GMt / и при двух вариантах учитывается влияние свободных поверхностей жидкости в танках /

Но разница малая и практически можно пренебречь.

Пример: Для Случай 9 при расчете в Sea Hydro получается GMt1 = 2,024m < GMt = 2,059m

Соответственно и разница в Диаграммах Статической Остойчивости очень незначительная, например то же для Случай 9:

(GZmax)1 = 0,91m и GZmax = 0,926m

Согласно Теории непотопляемости судна и при двух вариантах получиться одинаковая осадка и дифферент.

  1. Выводы из расчетов

    1. Выводы для неповрежденного судна

      1. Видно, что для этого типа судна самые тяжелые это требования по программе Sea Hydro

В сравнительной таблице для неповрежденного судна видно, что даже при районе плавания Ограниченный І (R1) буксир удовлетворяет требования по Правилам РМРС только при 100% запасов, а при 10%- нет. Это означает, что район плавания надо понизить для эксплуатации при меньшем давлении ветра, например до класса М-СП / смешанное река-море плавание / имеем давление ветра: 275Pa при 100% запасов и 279 Pa при 10% запасов; скорость ветра < 24m/s ( 46,6 knots); Высота волн - 3,5m. Для такого ограниченного района плавания коэффициент остойчивости по основному критерию погоды получается К = 17,8 при 100% запасов и К = 11,5 при 10% запасов и балласт в ахтерпике.

      1. В остальных двух программах - Maxsurf Stability и Dialog-Static буксир удовлетворяет требованиям и по IMO-MSC.267(85) и по Правилам РМРС-2014 для морской буксировки в неограниченном районе плавания при давлении ветра 504 Pa.

Если надо выбирать между этими тремя программами, я бы в первую очередь доверился программе Maxsurf Stability, так как ее последняя версия от декабря 2013 года включает исключительно богатый и разнообразный выбор критериев остойчивости и непотопляемости большого числа Правил Классификационных Обществ.

    1. Выводы для аварийных случаев

Из сравнительных таблиц для аварийных случаев / листы 1-4 / видно, что во всех трех программах для всех 16 случаев судно удовлетворяет требованиям IMO- SOLAS, II - 1/8 и Правилам РМРС-2014 для симметричного затопления.



  1. Теоретический чертеж буксира можно увидеть в его самом эффектном виде, выполненный в программе Delftship Professional /смотри фиг 1/.



  1. Как выглядит оформление танков в Sea Hydro и в Dialog-Static можно увидеть на фиг 2 и фиг 3. На фиг 3 видно и как пополняются данные в Dialog-Static в аварийном случае 7. На фигурах 4 и 5 видно оформление танков в Delftship Professional.



  1. Для успешного выполнения расчетов я обязан благодарить следующих специалистов:

- инж. Fellipe Verissimo за предоставленную компьютерную модель буксира

- инж. Петр Ежов (Генеральный Директор компании “Sea Tech Ltd“), который любезно предоставил мне возможность работать с лицензионной копией программы Sea Hydro

- инж. Валерий Березовский - инженер-кораблестроитель из Украины, который обратил мое внимание на программы Maxsurf Stability и Dialog-Static , помог мне перебросить модель в Dialog-Static и редактировал русский текст.

Без их содействия я не смог бы выполнить свой замысел.



  1. Так как я впервые работаю с программами Maxsurf Stability и Dialog-Static, независимо от тщательности расчетов и последующей внимательной проверки и анализа полученных результатов, все таки очень вероятно что где-то что-то пропущено.

С благодарностью будут приняты во внимание любые критические замечания профессионального характера только если они учтивые и доброжелательные. Я попробую ответить всем.



Инж. Размик Бахарян

14.07.2014 - Болгария


http://veciy.ru