УДК 629

УДК 629.12.011:539.463
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВИБРАЦИОННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОМЫСЛОВЫХ
СУДОВ ПРИ ИХ ПОСТРОЙКЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ
С.В.Дятченко, С.В.Тананыкин*
*Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота,
г.Калининград, 236029, ул. Молодежная,6
Предложена методика прогнозирования частот собственных колебаний для различного
состояния загрузки и вариации построечных толщин элементов корпуса промыслового судна.
вибрация, частота собственных колебаний, формы колебаний, амплитуда колебаний, санитарные
нормы вибрации, прогнозирование вибрации, промысловое судно
Одно из приоритетных направлений развития промышленности страны создание современного морского флота, важной составной частью которого
является промысловый флот. Строительство эффективного, с точки зрения
экономических показателей, отечественного промыслового флота во многом
зависит от принятия государственной программы его развития и научно
обоснованной концепции создания новых проектов судов для крупносерийной
постройки. Сложившаяся в мировом судостроении тенденция повышения
качества выпускаемой продукции, базирующаяся на внедрении новых технологий
и современного программного обеспечения, требует на стадии проектирования
принятия обоснованных технических решений по всем характеристикам качества
судна. Следует отметить, что в последние годы
вопросам безопасности
мореплавания и обеспечения надлежащих условий обитаемости на судах
различного назначения уделяется повышенное внимание. Одним из важнейших
показателей качества судна является его вибрационное состояние. Введение в
действие санитарных норм вибрации привело к расширению регламентируемого
частотного диапазона, ужесточило требования к предельно допустимым уровням
вибрации в местах пребывания людей и обусловило необходимость анализа
вибрационных условий обитаемости на промысловых судах и создания
методической базы для обеспечения этих норм. По результатам
экспериментальных исследований, выполненных на промысловых судах
различных типов, установлено, что уровень вибрации в обитаемых помещениях
существенно превышает санитарные нормы. Этот уровень зависит от многих
факторов,
основными из которых являются: архитектурное и конструктивное
исполнение судна; конструктивное исполнение и техническое состояние судовой
энергетической установки и гребного винта; режимы эксплуатации судна и
варианты его загрузки. Сложность решения проблемы улучшения вибрационных
условий обитаемости на судах во многом объясняется нехваткой
методологического и теоретического обеспечения. Отсутствие общей
методологии проектирования на заданное вибрационное состояние объясняет то,
что известные методики проектирования судов [1,2] не
обеспечивают
допускаемые параметры вибрации для основных режимов эксплуатации
промысловых судов, а отсутствие расчетных данных параметров вибрации
корпусов промысловых судов и их конструкций в диапазоне частот,
регламентируемых санитарными нормами, не позволяет систематизировать
результаты экспериментальных
исследований и выделить составляющие
вибрационного состояния от общей и местной вибрации. Анализ существующих
расчетных методик [3,4] показал, что они не учитывают особенностей
проектирования и эксплуатации промысловых судов, не предназначены для
анализа многофакторных функциональных зависимостей, не дают решений в виде
математических зависимостей изменения частоты собственных колебаний
корпуса судна от номера тона и не позволяют прогнозировать ожидаемые
параметры вибрации в частотном диапазоне, регламентируемом санитарными
нормами.
Рассмотрение путей улучшения вибрационных условий обитаемости на
промысловых, а также транспортных судах [5] показало, что важнейшее значение
для обеспечения заданного вибрационного состояния приобретают оптимальное
проектирование корпуса судна и определение элементов двигательного и
движительного комплексов с учетом ожидаемого спектра частот его собственных
колебаний. Здесь нужно понимать, что поскольку спектры собственных частот
колебаний корпуса промыслового судна достаточно плотные, полностью
ликвидировать резонансные явления только за счет оптимизации корпуса в
настоящее время не представляется возможным. Важно исключить возможность
появления резонансных колебаний корпуса судна в октавных полосах 2, 4, 8 и 16
Гц, регламентируемых санитарными нормами вибрации, для основных режимов
эксплуатации судна. Для успешного решения этой задачи необходимы
статистические данные по вибрационным условиям обитания на судах и
результаты расчетов, полученные с использованием надежных расчетных методов
прогнозирования вибрационных характеристик рассматриваемых судов.
Первоочередной задачей, позволяющей перейти к прогнозированию появления
вибрации и реализовать эффективные решения по ее предупреждению, является
определение частот собственных колебаний корпусов промысловых судов и их
сопоставление с частотами возмущающих сил от источников вибрации. Факторы,
влияющие на параметры вибрации, были систематизированы, объединены по
функциональным группам одного назначения и учитывались в расчетах вибрации
судна на определенных этапах. Так, архитектурное и конструктивное исполнение
промыслового судна, состояние его загрузки, влияние присоединенных масс воды
в различных условиях эксплуатации, учет деформации сдвига при колебаниях
являются доминирующими факторами, определяющими спектр собственных
частот колебаний корпуса судна. Изучение влияния каждого из этих факторов на
изменение частот собственных колебаний корпусов промысловых судов
позволило перейти к прогнозированию возможностей появления вибрации на
проектируемых и действующих судах. Материалы исследований позволили
разработать методику прогнозирования вибрационного состояния рыболовных
судов.
Методика содержит: указания по составлению исходных данных для
вибрационной модели корпуса судна и их представлению в программном
обеспечении ANSYS; алгоритм расчета частот собственных колебаний корпуса
судна; алгоритм прогнозирования ожидаемых частот собственных колебаний
корпуса судна; указания по обработке расчетных данных и их представлению в
виде математических зависимостей частоты собственных колебаний корпуса
судна от номера тона; оценку возможностей попадания корпуса судна в
резонансный режим; указания по расчетам вынужденной вибрации и
корректировке коэффициента рассеяния энергии при колебаниях. Методика
апробирована при расчетах частот собственных колебаний корпусов
промысловых судов для ряда проектов. Алгоритм прогнозирования включает
структурную схему и порядок выполнения расчетов. В соответствии с
разработанным алгоритмом собственные частоты колебаний представлены
зависимостью
λ = ƒ ( M, I, ΔM, Ф ) · К1 · К2 · … · Кi .
В представленной зависимости приняты следующие обозначения:
λ - собственная частота колебаний корпуса судна, Гц; M - масса судна,
соответствующая его водоизмещению для рассматриваемого состояния загрузки;
I - момент инерции, определяющий жесткость судна в вертикальном или
горизонтальном направлениях; ΔM - присоединенные массы воды; Ф - форма
колебаний, соответствующая номеру тона; К – коэффициенты редуцирования.
Коэффициенты редуцирования учитывают влияние сдвига, инерции вращения,
изменение жесткости от принятой в проекте, изменения водоизмещения и
распределения нагрузки масс, изменения присоединенных масс воды.
Разработанная методика прогнозирования предусматривает представление всех
промысловых судов в виде отдельных размерных рядов однотипных судов с
учетом их архитектурного исполнения. Однотипные большие и крупные
промысловые суда, имеющие длину от 90 до 120м, были объединены в один
размерный ряд. С целью систематизации этого типа судов выполнен анализ их
проектных решений. В соответствии с [6] рассмотрена группа из шести
рыболовных судов одинакового назначения, близкого по архитектурному и
конструктивному исполнению. В таблице дано сопоставление соотношений
главных размерений и загрузки, а также коэффициентов полноты крупных и
больших рыболовных траулеров. Приняты следующие обозначения: Lн наибольшая длина; L┴ - длина между перпендикулярами; Tг - средняя осадка в
грузу; Tп - средняя осадка порожнем; B - наибольшая ширина судна; H - высота
до верхней палубы; δ - коэффициент общей полноты; β - коэффициент полноты
мидельшпангоута; α - коэффициент полноты конструктивной ватерлинии; φ коэффициент продольной полноты; χ - коэффициент вертикальной полноты; DW дедвейт; Dг - грузоподъемность; D - наибольшее водоизмещение. Установлено,
что максимальные отклонения соотношений главных размерений, загрузки и
коэффициентов полноты от их средних значений для судов, представленных в
таблице, не превышают 8,5%. Анализ нагрузки масс для этого типа судов показал,
что характер ее распределения по длине судна достаточно похож. Поскольку эти
суда имеют близкое архитектурное и конструктивное исполнение, а их листовые
элементы и связи набраны по правилам Регистра России, соотношения толщины
листовых элементов корпуса будет пропорционально соотношению их длин.
Учитывая, что вибрационное состояние в обитаемых помещениях во многом
определяется общей вибрации корпуса судна, следует ожидать, что частоты
собственных колебаний рассмотренных проектов судов будут достаточно близки.
Для прогнозирования вибрационного состояния этих судов выполнены
систематизированные расчетные и теоретические исследования. В качестве
объектов исследований выбраны РТМС типа «СПРУТ»
и БМРТ типа
«ПУЛКОВСКИЙ МЕРИДИАН». Рассмотрены основные расчетные варианты
загрузки судна: от состояния порожнем до состояния выхода на промысел с
полными запасами и снятия с промысла с полным грузом. Расчеты собственных
частот вертикальных и горизонтальных колебаний выполнены методом конечных
элементов. Корпуса исследуемых судов сведены к балочным расчетным моделям.
Для расчетов присоединенных масс воды использовалось методическое
обеспечение [7].Установлено, что формы собственных колебаний корпуса судна
в различных состояниях его загрузки для исследованных первых шести тонов
близки. Это говорит о том, что перераспределение нагрузки во время
эксплуатации промысловых судов рассматриваемого типа не будет оказывать
влияние на форму его колебаний. Кроме того, на формы собственных колебаний
корпуса судна не оказывает существенного влияния равномерное уменьшение или
увеличение проектных толщин обшивки и палубных настилов на 3 мм. На рис.1 и
2 показаны формы
вертикальных колебаний корпуса судна БМРТ типа
«ПУЛКОВСКИЙ МЕРИДИАН» в состояниях нагрузки порожнем и без груза со
100% запасов для третьего и шестого тона. На рис.3 показаны формы
вертикальных колебаний корпуса этого судна по третьему тону в состоянии
нагрузки порожнем без изменения и с уменьшением проектных толщин.
Выполненные исследования позволяют принять то, что формы колебаний
корпусов судов, полученные на этапе исследовательского проектирования, можно
использовать и для анализа вибрационного состояния судна в процессе его
эксплуатации.
Выполненные исследования показали, что загрузка судна и учет
деформации сдвига оказывают существенное влияние на собственные частоты
вертикальных и горизонтальных колебаний корпуса этого типа судов.
Установлено, что частоты собственных колебаний корпуса судна для двух
вариантов состояния загрузки, соответствующих выходу на промысел со 100%
запасов и возвращению с промысла со 100% груза, практически совпадают.
Частоты собственных колебаний корпуса судна в состоянии порожнем выше, чем
частоты, соответствующие другим вариантам его загрузки. Анализ частот
собственных колебаний корпуса, при различном состоянии загрузки судна,
выявил общую закономерность их изменения, позволяющую выполнять операцию
пересчета частот с одного состояния загрузки судна на другое. Это в методике
учтено коэффициентом редуцирования загрузки судна. Исследования, связанные
с учетом влияния деформаций сдвига на изменение частот собственных
колебаний корпусов судов, позволили выявить общие закономерности, присущие
этой группе судов. Установлено, что деформации сдвига с увеличением номера
тона оказывают существенное влияние на частоты собственных колебаний
корпуса судна. На рис.4 и 5 показаны зависимости изменения коэффициентов
учета сдвига от номера тона для вертикальных и горизонтальных колебаний
Таблица.Сопоставление соотношений главных размерений, загрузки и коэффициентов полноты крупных и больших рыболовных
траулеров
N
п/п
1
2
3
4
5
6
Тип судна
Соотношения и коэффициенты полноты
Lн /B L┴/B L┴ /Тг H/B H/Т B/Тп B/Тг δ
β
α
РТМС типа
6,75 6,18 16,20 0,632 1,66
«СПРУТ»
РТМС типа
6,33 5,63 16,14 0,643 1,84
«МООНЗУНД»
РТМС типа
6,43 5,77 15,18 0,636 1,67
«ГОРИЗОНТ»
БМРТ типа
6,70 6,04 16,02 0,638 1,69
«ПРОМЕТЕЙ»
БМРТ типа
6,48 6,03 16,42 0,638 1,74
«ПУЛКОВСКИЙ
МЕРИДИАН»
БМРТ типа
5,90 5,34 15,04 0,629 1,77
«ИВАН
БОЧКОВ»
Средние значения 6,43
5,83 15,83 0,636 1,73
φ
χ
DW/D Dг/D
4,17
2,62 0,660 0,990 0,795 0,665 0,830 0,418
0,262
3,92
2,87 0,655 0,985 0,880 0,665 0,744 0,375
0,221
4,08
2,63 0,660 0,992 0,800 0,665 0,825 0,395
0,266
3,58
2,65 0,630 0,970 0,820 0,650 0,768 0,394
0,238
3,76
2,73 0,590 0,935 0,790 0,636 0,753 0,333
0,239
3,86
2,81 0,600 0,940 0,800 0,638 0,750 0,356
0,226
3,90
2,72
0,634
0,969
0,814 0,653 0,778 0,379
0,242
Формы вертикальных колебаний третьего тона
Судно порожнем
Судно без груза, 100% запасов
Рис.1. Сопоставление форм вертикальных колебаний корпуса судна по третьему
тону проекта «ПУЛКОВСКИЙ МЕРИДИАН» при двух состояниях его загрузки
Формы вертикальных колебаний шестого тона
Судно порожнем
Судно без груза, 100% запасов
Рис.2. Сопоставление форм вертикальных колебаний корпуса судна по шестому
тону проекта «ПУЛКОВСКИЙ МЕРИДИАН» при двух состояниях его загрузки
Формы вертикальных колебаний третьего тона для судна порожнем
Без уменьшения толщин
С уменьшением толщин на 3 мм
вертикальных колебаний
сдвига для
учетасдвига
Коэффициент
Коэффициент
учета
Рис.3. Сопоставление форм вертикальных колебаний корпуса судна проекта
«ПУЛКОВСКИЙ МЕРИДИАН» при уменьшении проектных толщин
1
0,95
0,9
0,85
0,8
0,75
0,7
0,65
0,6
0,55
0,5
0
1
2
3
4
5
6
7
Номер тона
проект Б400
проект 1288
интервал 10% от среднего
Рис.4. Зависимость изменения коэффициента учета сдвига от номера тона для
вертикальных колебаний корпусов больших и крупных судов
горизонтальных колебаний
сдвига для
учетасдвига
Коэффициент
Коэффициент
учета
1
0,95
0,9
0,85
0,8
0,75
0,7
0,65
0,6
0,55
0,5
0
1
2
3
4
5
6
7
Номер тона
проект Б400
проект 1288
интервал 10% от среднего
Рис.5. Зависимость изменения коэффициента учета сдвига от номера тона для
горизонтальных колебаний корпусов больших и крупных судов
30
Частота
Частота, Гц
25
20
15
10
5
0
0
1
2
3
4
5
6
7
Номер тона
проект 1288
проект Б400
интервал 10% от среднего
Рис.6. Зависимость изменения частоты собственных вертикальных колебаний
корпуса от номера тона для состояния нагрузки судна порожнем с учетом сдвига
30
Частота, Гц
Частота
25
20
15
10
5
0
0
1
2
3
4
5
6
7
Номер тона
проект 1288
проект Б400
интервал 10% от среднего
Рис.7. Зависимость изменения частоты собственных вертикальных колебаний
корпуса от номера тона для состояния нагрузки судна 100% запасов 0% груза с
учетом сдвига
40
35
Частота
Частота, Гц
30
25
20
15
10
5
0
0
1
2
3
4
5
6
7
Номер тона
проект Б400
проект 1288
интервал 10% от среднего
Рис.8. Зависимость изменения частоты собственных горизонтальных колебаний
корпуса от номера тона для состояния нагрузки судна порожнем с учетом сдвига
30
Частота
Частота, Гц
25
20
15
10
5
0
0
1
2
3
4
5
6
7
Номер тона
проект Б400
проект 1288
интервал 10% от среднего
Рис.9. Зависимость изменения частоты собственных горизонтальных колебаний
корпуса от номера тона для состояния нагрузки судна 100% запаса 0% груза с
учетом сдвига
корпусов больших и крупных промысловых судов рассматриваемого типа. В
расчетах корректно использовать средние значения, которые будут общими для
всей группы судов. Для этого на рисунках показан десятипроцентный интервал от
среднего значения. На рис.6–10 представлены зависимости изменения частоты
собственных вертикальных и горизонтальных колебаний корпусов исследуемых
судов в зависимости от номера тона для двух вариантов загрузки судна.
Установлено, что собственные частоты колебаний двух промысловых судов,
существенно отличающихся водоизмещением, оказались близкими. Это
подтверждает ранее высказанное предположение, что частоты собственных
колебаний промысловых судов зависят от архитектурного и конструктивного
исполнения судна и могут прогнозироваться с учетом размерного ряда, в которое
это судно попадает.
ВЫВОДЫ
В результате исследований разработана методика прогнозирования
вибрационного состояния промысловых судов, позволяющая оценить
вибрационные характеристики судна на стадии проектирования и его
эксплуатации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Раков А.И. Проектирование промысловых судов/ А.И.Раков,
Н.Б.Севастьянов. - Л.: Судостроение,1981.- 374с.
2. Ашик В.В. Проектирование судов/В.В. Ашик. - Л.: Судостроение,1975.231с.
3. Постнов В.А. Вибрация корабля: учебник / В.А.Постнов, В.С.Калинин,
Д.М.Ростовцев: - Л.: Судостроение, 1983.- 248с.
4. Методика расчета параметров общей ходовой вибрации корпуса судна.
ФУП ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова.- СПб.,2003.- 39с.
5. Палий О.М. Пути улучшения вибрационной обитаемости транспортных
судов/ О.М.Палий, В.И.Поляков, Ю.Н.Шавров. - Л.: Судостроение, 1984.- №2.С.8-9.
6. Флот рыбной промышленности. Справочник типовых судов. - М.:
Транспорт, 1990.- 384с.
7. Короткин А.И. Присоединенные массы судна: справочник/
А.И.Короткин.- Л.: Судостроение,1986. – 312с.
FORECASTING OF VIBRATORY CONDITION OF COMMERCIAL COURTS
UNDER THEIR BUILDING AND USAGES
S.V.Dyatchenko, S.V.Tananykin
Offereded strategy of forecasting of frequencies of own fluctuations for different condition of
loading and change building thickness elements a body commercial ship