procedure of accounting designing fishing ships` bottom overlapping
advertisement
УДК 629.12.011:539.433 ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ ДНИЩЕВЫХ ПЕРЕКРЫТИЙ ПРОМЫСЛОВЫХ СУДОВ С УЧЕТОМ ТРЕБОВАНИЙ СНИЖЕНИЯ ВИБРАЦИИ С.В. Дятченко Изложен системный подход применительно к проектированию корпусных конструкций промысловых судов. Представлена методика проектирования днищевых перекрытий машинных отделений промысловых судов, которая позволяет оптимизировать параметры конструкций с точки зрения требований прочности и вибрации. системный подход, эскизное проектирование, корпус судна, днищевое перекрытие, вибрация, прочность, оптимизация, расчетный алгоритм Сложность проектирования промысловых судов как инженерных объектов и многообразие требований, предъявляемых заказчиком к качествам судна, обусловили применение системного подхода и современной вычислительной техники для поиска рациональных проектных решений на стадии разработки технического задания (исследовательского проектирования) [1]. Системный подход, на уровне решения внутренней задачи проектирования, предусматривает наличие следующих этапов: выделения из судна, как целостной системы, отдельных подсистем с учетом их функциональных признаков; построения схемы обмена проектными решениями между отдельными подсистемами; разработку оптимальных проектных решений по этим подсистемам; синтез системы в целом, с оценкой его качеств и соответствия техническому заданию. Рассмотренные выше этапы соответствуют нижнему уровню решения внутренней задачи проектирования и связаны с обоснованием и детализацией проектных решений по отдельным подсистемам судна (верхний подуровень детализации судна). Для промыслового судна такими основными подсистемами являются: корпус; энергетический комплекс; гидродинамический комплекс; добывающий технологический комплекс; поисково-радионавигационный комплекс; комплекс судовых устройств; экипаж и комплекс судовых систем. С целью получения обоснованных проектных решений по отдельным подсистемам системный подход предусматривает на стадии эскизного (коммерческого) проектирования дальнейшую детализацию судна, при которой подсистемы верхнего подуровня детализации могут быть представлены составляющими нижнего подуровня детализации. Это позволяет рассматривать решение задачи оптимизации подсистемы как общее решение частных оптимизационных задач отдельных ее составляющих. Для реализации этого подхода используются общие ограничения, накладываемые как на подсистему в целом, так и на отдельные ее составляющие. Таким образом, решение оптимизационной задачи для корпуса судна может быть сведено к решению оптимизационных задач по крупным корпусным конструкциям, имеющим в составе корпуса свое функциональное назначение и обладающим свойством полноты с позиции оптимизации. Основными конструкциями для корпуса судна являются: днищевые, бортовые и палубные перекрытия; продольные и поперечные переборки; платформы; носовые и кормовые оконечности; надстройки и рубки, фундаменты и мачты. Структура системы “промысловое судно”, с учетом [2], представлена на рис.1. Комплекс судовых систем Поисковорадионавигационный комплекс Гидродинамичес кий комплекс Корпус Днищевые перекрытия Промысловое судно Среда Палубные перекрытия Бортовые перекрытия Поперечные и продольные переборки Носовая оконечность Кормовая оконечность Комплекс судовых устройств Якорное Швартовное Рулевое Надстройки и рубки Буксирное Фундаменты Грузовое Мачты Спасательное е Энергетический комплекс Главная энергетическая установка Вспомогательные двигатели Судовая электростанция Рефрижераторная машинная установка Котельная установка Добывающий технологический комплекс Промысловое устрой-ство и орудия лова Рыбообрабатываю щее и технологическое оборудование Холодильное и морозильное оборудование Цистерны предварительного охлаждения и Трюма и улова груз хранения Экипаж Помещения: - жилые; - служебные; - общественные; - медицинские; производственны еВода и провизия Рис.1 Структура системы “промысловое судно” Используемые расчетные методы проектирования реализуются различными способами. Наиболее распространенным является способ вариаций, заключающийся в разработке нескольких вариантов конструктивных схем с последующим их анализом с точки зрения обеспечения заданных качеств и выбором оптимального варианта, отвечающего поставленной задаче проектирования. Часто при такой форме проектирования за исходный вариант принимают базовый вариант судна прототипа. Другой формой расчетного метода проектирования является аналитический метод, позволяющий определить размеры элементов конструкции по заданным исходным данным, например, размерениям и назначению конструкции, характеру и величине внешних сил, а также требованиям прочности [3]. Дальнейшее развитие расчетных методов связано с оптимизационным проектированием [1,2,4], позволяющим проектировать корпус судна и его конструкции с позиции системного подхода. Системный подход на подуровне проектирования конструкций предусматривает наличие этапов, в рамках которых решаются отдельные частные задачи, дающие количественную оценку эффективности удовлетворения тем или иным требованиям проектирования с последующим их оптимизационным обобщением. Таким образом, проектирование каждой конструкции корпуса судна, см. рис.1, можно рассматривать как процесс, включающий формирование достаточно точной ее модели, определения внешних нагрузок и анализа реакций конструкции на их воздействие, а также выполнения оптимизационных расчетов с целью получения наилучших характеристик конструкций, удовлетворяющих основной целевой функции при выполнении заданных ограничений. Для гражданских судов целевая функция отражает уровень их экономической эффективности. При проектировании конструкций корпуса судна критериями оценки их экономической эффективности, в соответствии с [5], являются: критерии минимальной массы и потери кубатуры помещений, а также уровень материальных затрат, связанных с изготовлением и эксплуатацией этой конструкции. Очевидно, что уровень материальных затрат, связанный с изготовлением конструкции, зависит от стоимости материалов и энергоносителей, а также трудоемкости ее изготовления. Вместе с тем, результаты процесса проектирования оказывают большое влияние на уровень эксплуатационных затрат, которые во многом зависят от таких свойств конструкции, как ремонтопригодность, долговечность, эксплуатационная прочность и обитаемость (соответствие уровней шума и вибрации от конструкции требованиям нормативных документов). Простейшая форма целевой функции, характеризующей уровень материальных затрат, прямо или косвенно связанных с изготовлением и эксплуатацией этой конструкции, представлены в работе [6]. Возможности оптимизации судового корпуса с учетом требований снижения его металлоемкости и трудоемкости сборки рассмотрены в работе [7]. Оценка экономической эффективности проектных конструкций может быть выполнена по результатам сопоставления с судами - аналогами или по сопоставлению с данными, рекомендуемыми ЦНИИМФ [8]. С развитием рыночной экономики в стране для оценки экономической эффективности технических объектов используют следующие подходы [9]: прямой капитализации дохода, дисконтированных денежных потоков и равноэффективного аналога. Понятно, что проектируемые корпусные конструкции должны соответствовать не только требованиям экономической эффективности, но и требованиям, позволяющим обеспечить полный комплекс важнейших качеств. Как показали экспериментальные исследования, вибрация днищевых перекрытий машинных отделений для ряда проектов судов превышает существующие санитарные нормы. Это обуславливает необходимость более внимательно подходить к учету вибрации при назначении параметров конструкции, выбору и расположению механизмов и оборудования машинных отделений промысловых судов. Предлагаемая методика предназначена для стадии эскизного проектирования. Она предусматривает наличие базы данных по судам прототипам; базы данных по энергетическому комплексу; расчетных моделей днищевых перекрытий; расчетных нагрузок и необходимых коэффициентов запаса; параметрических ограничений, накладываемых на конструкцию; частной целевой функции, соответствующей решаемой задаче и расчетного алгоритма, позволяющего проводить оптимизационные расчеты с использованием программных пакетов “Excel ”, “Mathcad ” и “ANSYS”. Основными этапами расчетного проектирования конструкций днищевых перекрытий промысловых судов с учетом требований снижения вибрации являются: 1. Составление расчетной модели конструкции, включающей выбор топологических схем конструкции и определение количества и размеров составляющих ее элементов в соответствии с Правилами классификации и постройки морских судов России или иностранных классификационных обществ, а также на основе анализа прототипов: выбор схемы размещения и компоновки главных и вспомогательных двигателей, прочего оборудования, механизмов и систем, а также оценка возможностей размещения других нагрузок масс; выбор конструкции и определение параметров фундаментов под двигатели и механизмы; определение координат и параметров масс по каждой из статей нагрузки масс. 2. Определение внешних нагрузок, включающих нагрузки на днищевую конструкцию корпуса судна на тихой воде и на волнении при основных вариантах загрузки судна (по расчету эквивалентного бруса вычисляются основные детерменированные (на тихой воде) и вероятностные (на волнении) реакции конструкции); местные нагрузки (гидростатическое давление, реакции опорных устройств, расчетное давление от груза и пр.); динамические нагрузки, обусловленные работой главных и вспомогательных двигателей, другого оборудования и механизмов, а также колебаниями корпуса судна. 3. Назначение ограничений в виде коэффициентов запаса. Для днищевых перекрытий машинного отделения наиболее важными являются прочностные и вибрационные ограничения. Коэффициенты запаса, относящиеся к прочности, учитывают приближенный характер определения внешних нагрузок, реакции корпуса, предельные нагрузки, а также степень последствия наступления предельного состояния конструкции. Коэффициенты запаса, относящиеся к вибрации, учитывают степень последствия работы главного энергетического оборудования, механизмов и систем на резонансных режимах, а также последствий, связанных с заболеванием людей от повышенного уровня вибрации. 4. Назначение параметрических ограничений конструкций по нагрузке масс и уровню металлоемкости. Они регулируют выбор исходных данных, определяют диапазон изменения параметров варьируемых величин и назначают приоритет выбора решений по результатам оптимизационных расчетов. 5. Оптимизация параметров конструкции по характеристикам вибрации в соответствии с требованиями обеспечения ее прочности для заданного уровня металлоемкости и массы различных статей нагрузки. В качестве варьируемых величин используется ряд параметров, обуславливающих конструктивное оформление перекрытия с учетом его детализации и характеризующих различные статьи нагрузки масс и их расположение. Это позволяет провести вариационные исследования и оценить влияние оформления днищевой конструкции и степень ее насыщения на показатели прочности и вибрации. Такие исследования можно проводить как на стадии проектирования, так и при модернизации судна. Алгоритм расчетного проектирования представлен на рис.2. Он предусматривает возможность получения различных вариантов днищевых перекрытий, собственные частоты колебаний которых максимально возможно отстроены от частот возмущающих сил. Из полученных расчетным путем вариантов перекрытия осуществляется выбор варианта, соответствующего требованию основной целевой функции - обеспечению заданного уровня экономической эффективности. Варианты исследования влияния расчетных параметров перекрытия на их вибрационные характеристики показаны на рис.3. База данных днищевых перекрыт ий машинного от деления Выбор и предварит ельная оценка парамет ров днищевых перекрыт ий Изменение парамет ров ограничений по част от е Изменение парамет ров ограничений по прочност и Выбор функции цели Функция цели От ст роит ь спект р собст венных част от колебаний перекрыт ия от част от возмущающих сил Назначение ограничений Парамет ры ограничения: - по прочност и; - по част от е колебаний Назначение исходных данных в соот вет ст вии с функцией цели Определяемые парамет ры прочност и: - характ ерист ики мест ной прочност и; - момент сопрот ивления поперечного сечения Изменение исходных данных НЕТ Определяемые парамет ры: - масса перекрыт ия; - присоединенные массы воды; - масса различных ст ат ей нагрузки; - характ ерист ики мест ной прочност и; - момент сопрот ивления и момент инерции перекрыт ия; - момент сопрот ивления поперечного сечения в районе перекрыт ия; - спект р собст венных част от колебаний Анализ обеспечения прочност и Варьируемые парамет ры: - конст рукция перекрыт ия; а) шпация; б) т олщина и высот а связей; в) т олщина обшивки и наст ила; г) условия закрепления связей; - масса ст ат ей нагрузки; - схема расположения механизмов и оборудования Сопост авляемые парамет ры: - допускаемые напряжения; - допускаемый момент сопрот ивления корпуса судна в районе перекрыт ия ДА Определение спект ра собст венных част от колебаний днищевых перекрыт ий НЕТ Анализ обеспечения условий по част от е колебаний Сопост авляемые парамет ры: - част от ы возмущающих сил от главного двигат еля; - част от ы возмущающих сил от винт а; - собст венные част от ы колебаний корпуса судна ДА Выбор проект ируемого вариант а днищевого перекрыт ия База данных перекрыт ий в соот вет ст вии с функцией цели Рис. 2 Алгоритм расчетного проектирования днищевых перекрытий машинного отделения промысловых судов c учетом требования прочности и вибрации База данных по днищевому перекрыт ию машинного от деления Исходные данные принят ые на основании проект а или прот от ипа Исходные данные принят ые на основании изменений: - парамет ров конст рукции; - парамет ры ГД и ВДК; - схемы размещения и парамет ров ст ат ей нагрузки масс Учет дет ализации конст рукции перекрыт ия Исходная шпация Измененная шпация Исходные парамет ры: - т олщина обшивки и наст ила; - т олщина верт икального киля и ст рингеров; - высот а набора Измененные парамет ры: - т олщина обшивки и наст ила; - т олщинаверт икального киля и ст рингеров; - высот а набора Учет дет ализации конст рукции фундамент ов Исходные парамет ры: - высот а связей; - т олщина связей Изменяемые парамет ры: - высот а связей; - т олщина связей Учет дет ализации нагрузки масс в расчет ной схеме перекрыт ия - масса перекрыт ия; - масса ГД, ВДГ, редукт ора; - масса жидких грузов; - масса ост альных ст ат ей нагрузки; - присоединенная масса воды Учет дет ализации схемы закрепления связей - условия закрепления верт икального киля и днищевых ст рингеров: ( условия закрепления флоров: (;; (;; Рис. 3 Варианты исследования влияния расчетных параметров перекрытия на вибрационные характеристики В соответствии с разработанной методикой были выполнены расчеты днищевого перекрытия машинного отделения РТМ-С типа «СПРУТ» с использованием программного обеспечения «Mathcad». Расчетная схема перекрытия машинного отделения проекта ‘В-400’ показана на рис.4. В табл. 1 представлены данные по массам и расположению главных двигателей (ГД), вспомогательных дизель-генераторов (ДГ) и редуктора (Р). Размеры перекрытия следующие: длина - 15,4; ширина - 16,6 м шпация - 700 мм. Расчет местной прочности перекрытия показал, что действующие напряжения в балках главного направления при исходных параметрах составляют =124,2 МПа <[т]=315МПа Практическая шпация Рис.4 Расчетная схема перекрытия машинного отделения пр. B-400 Таблица 1 Наименование ГД 1 ГД 2 ДГ 1 ДГ 2 P Масса, т 52,14 52,14 17,90 17,90 35,00 X, м 6,000 6,000 10,750 10,750 10,750 Y, м 7,025 9,454 4,400 12,200 8,300 Таблица 2. Частота собственных колебаний перекрытия , Гц Форма Форма колебаний по длине колебаний шпация-600 мм шпация-650 мм шпация-700 мм по 1 2 1 2 1 2 ширине 1 13,76 37,08 11,99 32,67 10,37 27,91 2 18,21 33,28 16,45 30,05 14,91 26,25 3 32,74 41,43 30,38 37,97 28,43 34,31 В расчетах собственных частот колебаний перекрытия учитывалась масса перекрытия, масса оборудования, см. табл. 1, и присоединенные массы воды. Условия закрепления - флоры свободно опертые, а кильсоны жестко закреплены на переборках. Исследовалось влияние изменения шпации на собственные частоты колебаний перекрытия. В табл. 2 представлены результаты расчетов, соответствующие исходной шпации-600 мм, а также результаты расчетов при увеличении шпации на 50 мм и при уменьшении шпации на 50 мм. Анализ результатов расчетов показал, что собственная частота колебаний днищевого перекрытия существенно зависит от размера шпации. Выполнено сопоставление собственных частот колебаний перекрытия с возможными частотами возмущающих сил от главных двигателей и гребного винта, табл. 3 и собственными частотами колебаний корпуса судна, табл. 4, представленными в работе [10]. Анализ показал, что первый тон колебаний перекрытия при учете всех составляющих нагрузки масс будет лежать между первой лопастной частотой гребного винта и частотой 1-го порядка от главного двигателя. Отсутствие совпадения частот колебаний перекрытия по первому и второму тонам с частотами колебаний корпуса судна говорит об удовлетворительных условиях вибрационной обитаемости в машинном отделении данного проекта судна. Таблица 3. Частоты возмущающих сил для судна РТМС проекта В-400 Источник Главный двигатель Гребной винт вибрации Порядок 0,5 1,0 1,5 2,0 3,0 I IV VIII Частота, Гц 4,17 8,34 12,51 16,68 20,85 2,97 11,88 23,76 Таблица 4. Ожидаемые частоты вертикальных колебаний корпуса судна Состояние Водоизме- Собственная частота колебаний, Гц загрузки щение, т судна 3 5 1 2 4 6 Порожнем 4515 3,20 6,59 10,65 15,51 20,76 25,17 10% запаса 100% груза 100% запаса 0% груза 7660 2,86 5,99 9,58 13,91 18,55 22,70 7023 2,72 5,78 9,36 14,00 18,83 22,65 Выводы Изложен системный подход применительно к проектированию корпусных конструкций промысловых судов и дана методика проектирования днищевых перекрытий машинных отделений. Выполнены расчеты ожидаемых частот колебаний днищевого перекрытия машинного отделения РТМС типа «Спрут» пр. В-400 при изменении шпации. Результаты расчетов собственных частот колебаний днищевых перекрытий сопоставлены с собственными частотами колебаний корпуса судна и частотами возмущающих сил от главных двигателей и гребного винта. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Пашин В.М. Оптимизация судов / В.М. Пашин - Л.: Судостроение, 1983. – 296с. 2. Гайкович А.И. Основы теории проектирования сложных систем / А.И. Гайкович - СПб.: НИИ “Моринтех”, 2001. – 432с. 3. Арханогородский А.Г. Аналитические методы проектирования корпуса судна / А.Г. Арханогородский. - Л.: Судпромгид, 1959. – 207с. 4. Вашедченко А.Н. Автоматизированное проектирование судов: учеб. пособие / А.Н. Вашедченко. - Л.: Судостроение, 1985. – 164с. 5. Бронский А.И. Основы выбора конструкций корпуса / А.И. Бронский, М.К. Глозман, В.В. Козляков - Л.: Судостроение, 1974. – 192с. 6. Бойцов Г.В. Проблемы оптимизации судового корпуса. / Г.В. Бойцов. Л.: Судостроение, 1983. - №2. – С. 5-8. 7. Бойцов Г.В. Оптимизация судового корпуса с учетом требований снижения его металлоемкости и трудоемкости сборки / Г.В. Бойцов //Судостроение, 1984. - №3. – С. 7-9. 8. Иконников А.Ф. Определение стоимости морских судов с учетом новых технологических требований / А.Ф. Иконников //Судостроение, 2000. - №2. – С.47-50. 9. Маслюк Е.В. Оценка машин, оборудования и транспортных средств: учеб. пособие / Е.В. Маслюк - Калининград, 2004. – 80с. 10. Дятченко С.В. Оценка влияния загрузки промыслового судна на вибрационные условия обитаемости / С.В. Дятченко. - СПб: Морской вестник, 2005.– С.15-16 PROCEDURE OF ACCOUNTING DESIGNING FISHING SHIPS’ BOTTOM OVERLAPPING FROM THE POSITION OF DURABILITY AND VIBRATION RECUIREMENTS S.V. Dyatchenko The system approach with reference to a case design of fishing ships is stated. The technique of settlement designing bottom overlapping of fishing ships is presented, allowing to optimize parameters of a design from the position of durability and vibration requirements.
