Математическое моделирование поведения морских объектов в среде ПК Anchored Structures

Наиболее универсальным и относительно дешевым способом решения указанного комплекса вопросов является создание мощного проблемно-ориентированного программного комплекса, позволяющего в короткий срок выполнить математическое моделирование всех необходимых режимов функционирования самых разнообразных конструктивных вариантов создаваемых сооружений.

В Санкт-Петербургском политехническом университете создан и при постоянной поддержке Российского Морского Регистра Судоходства более 15 лет успешно развивается программный комплекс Anchored Structures [1], который способен решать большинство статических и динамических задач, возникающих у проектировщика. В настоящей статье излагаются основные возможности программного комплекса и приводятся примеры практического его применения.

Программный комплекс построен по модульному принципу – каждый пользователь в зависимости от объема и сложности решаемых задач может расширять состав комплекса в соответствии со спецификой собственных инженерных разработок. В любом случае программные модули (всего их около 50) можно классифицировать по тем функциональным задачам, которые они призваны решать.

Модуль подготовки исходных данных позволяет в удобной форме задать и корректировать все исходные данные, необходимые для математического моделирования.

Блок модулей «Pre-processor» позволяет сформировать трехмерную модель изучаемого объекта средствами собственного редактора или с помощью созданного интерфейса передать ее из среды AutoCAD или ANSYS, а также выполнить вспомогательные расчеты.

Блок расчета нагрузок позволяет вычислять внешние нагрузки на морские объекты при различных постановках задачи.

Семейство статических задач решается в программных модулях статики, а динамические решения в тех или иных постановках реализуются модулями динамики.

Результаты математического моделирования поведения морских объектов обрабатываются в модулях «Postprocessor» и представляются в табличной, графической и мультимедийной форме.

Программные модули блока управления обеспечивают не только координацию всех вычислительных процессов, но и отображение в реальном времени поведения исследуемых объектов в процессе математического моделирования. Таким образом, исследователь, выполняющий разработку, имеет возможность визуального анализа поведения объектов в тех или иных ситуациях, что нередко оказывается эффективным инструментом инженерного анализа.

Рис. 1. Структурная схема ПК Anchored Structures

• с использованием 3D геометрической модели объекта производить определение осадки, водоизмещения, координат центра величины, круговой диаграммы метацентрических высот сооружения с учетом влияния якорного, швартовного закреплений и балласта;
• определять нагрузки от ветра, течения, волнения и льда на плавучие или стационарные объекты;
• рассчитывать гидродинамические характеристики морских объектов;
• моделировать задачи статики и динамики плавучих или заякоренных сооружений;
• моделировать морские операции с участием нескольких сооружений в заданной точке акватории;
• выполнять анализ динамики якорных, буксирных, грузонесущих, швартовных связей, райзеров, элементов подводных
• трубопроводов, динамики сооружения с учетом динамики связей и райзеров;
• рассчитывать жесткостные характеристики связей, амплитудно-частотные характеристики, спектры колебаний, распределение плотности вероятностей амплитуд колебаний, экстремальные динамические параметры колебаний для нерегулярного волнения заданной обеспеченности.

Рис. 2 Сертификат Регистра Судоходства РФ

Обеспечение подъёма атомной подводной лодки «Курск»

План выполнения операции основывался на подготовке специальной баржи, оснащенной системой подъемных домкратов с компенсаторами динамических усилий, и подготовке вырезов в прочном корпусе атомного подводного крейсера (АПК) для заведения туда захватов [2]. Баржа должна была точно встать над АПК и раскрепиться с помощью системы заякорения. Далее захваты должны были быть заведены в подготовленные вырезы, и с помощью домкратов создавалось вертикальное усилие, способное преодолеть силу присоса грунта. Затем планировалось осуществить подъем АПК, прижать его к днищу баржи и в таком виде транспортировать в док. Все названные операции должны были занять сравнительно большой промежуток времени: транспортировка несколько суток; отрыв от грунта и подъем – около 10 – 20 часов. За этот период погодные условия и связанные с ними внешние воздействия обычно заметно изменяются, и поэтому динамические эффекты могли оказать решающее влияние на исход операции.

Основной задачей работы, выполнявшейся СПбГПУ совместно с ОАО ЦКБ МТ «Рубин», являлось создание математических моделей совместной динамики системы АПК – транспортная баржа в процессе подъема и транспортировки, а также подготовка программного обеспечения для выполнения комплекса необходимых расчетов. При этом необходимо было учитывать воздействие ветра, течения и волнения на корпуса плавучих сооружений, описать работу якорных, грузонесущих связей, оснащенных специальными компенсаторами, отбойных устройств и, в конечном итоге, обеспечить адекватную оценку динамики подъема и транспортировки АПК при различных гидрометеорологических условиях с учетом принятия тех или иных альтернативных инженерных решений.

При решении поставленной задачи с помощью ПК Anchored Structure» были решены следующие задачи:

• Моделирование баржи на начальном этапе подъема, когда АПК лежит на грунте, и сила, прикладываемая через грузонесущие связи, еще не способна оторвать его от дна.
• Моделирование динамики АПК и баржи в момент отрыва АПК от дна.
• Моделирование динамики АПК и баржи в процессе подъема АПК с помощью домкратов, оснащенных компенсаторами.
• Моделирование динамики АПК и баржи непосредственно перед и после соединения АПК с баржей.
• Моделирование динамики баржи и АПК в процессе транспортировки.

Рис. 3 Геометрические модели баржи и АПК

Вклад в создание комплекса защитных сооружений Санкт-Петербурга от наводнений

Плавучий затвор предназначен для перекрытия судоходного канала при возникновении угрозы наводнения. Входящие в состав створок плавучего затвора батопорты, после вывода их в рабочее положение, должны быть погружены по заданному пространственно-временному закону на порог и находиться в этом положении в устойчивом состоянии, перекрывая собой судопропускной канал С-1. Посадка батопорта на порог должна осуществляться путем заполнения водой балластных цистерн, а всплытие – с помощью удаления воды из балластных цистерн.

Вопросы моделирования заполнения балластных цистерн, моделирования волновых нагрузок, расчета гидродинамических характеристик являются стандартными для программного комплекса Anchored Structures.

Рис. 4 Плавучий затвор судопропускного сооружения С-1 КЗС СПб от наводнений

Анализ процессов обтекания позволил объяснить характер поведения батопорта в потоке вязкой жидкости, параметрически описать силы, действующие на батопорт со стороны потока и интегрировать описание этих сил в программный комплекс Anchored Structures. На основе математического моделирования в ПК Anchored Structures совместно с ОАО ЦКБ МТ «Рубин», ОАО «ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева» [4] был отработан алгоритм функционирования плавучего затвора, исследована и оптимизирована система мягкой посадки батопортов на порог. В настоящее время плавучий затвор с сегментными батопортами успешно прошел испытания, введен в эксплуатацию и уже защитил Санкт-Петербург от нескольких наводнений.

Моделирование накатки верхнего строения платформы «Хаттон» для освоения месторождения «Приразломное»

Суть операции заключалась в предварительной установке опорного кессона, доставке ВСП на барже к кессону и накатке ВСП на кессон. Использование разработанных программных средств позволило одновременно моделировать воздействие ветра, течения и волнения, гидродинамическое взаимодействие корпусов барж и кессона, а также движение ВСП вдоль палубы кессона. При этом осуществлялось моделирование во времени заполнения балластных цистерн баржи для компенсации передачи веса ВСП на кессон, упор баржи в опорное основание и шарнир, обеспечивающий соединение барж с кессоном, движение транспортных тележек и контактные усилия в 25 колесных парах.

На основании моделирования обеспечивалось изучение динамических параметров накатки ВСП «Хаттон» на опорное основание при различных направлениях ветра, течения и волнения и при различных фазах накатки.

Рис. 5 Накатка ВСП «Хаттон» на опорное основание платформы «Приразломная»

Моделирование морских операций, связанных с погрузкой нефти

Математическое моделирование было направлено на изучение поведения танкеров дедвейтом 70000 т и 20000 т, при стоянке в ошвартованном состоянии у причала в процессе отгрузки нефтепродуктов [6]. Полагалось, что танкеры могут быть подвержены воздействиям ветра, течения, волнения и льда. Под действием постоянных и переменных во времени сил танкер может совершать колебания в различных степенях свободы. При этом на основании математического моделирования необходимо было определить условия, при которых можно обеспечить безопасность выполнения данной операции и найти оптимальные режимы взаимодействия танкера, вспомогательного судна, швартовой системы, отгрузочного шланга для максимального расширения погодных условий, при которых гарантируется безопасность отгрузки нефтепродуктов.

Программный комплекс позволил рассчитывать внешние нагрузки на объекты, участвующие в этой морской операции, определять силы, возникающие в швартовных тросах, анализировать динамику отгрузочного шланга с учетом мгновенных значений скорости движения нефти внутри него и давления, под которым она находится.

Для всестороннего анализа поведения системы «СМЛОП – танкер – буксир» было сформировано около 400 расчетных ситуаций, различающихся дедвейтом танкера, его осадкой, режимом нерегулярного волнения, направлением распространения волн, скоростью и направлением ветра и течения, толщиной льда, упором движительного комплекса танкера и тягой буксира. С помощью программного комплекса все расчетные ситуации были последовательно промоделированы, получено общее представление о поведении системы «СМЛОП – танкер – буксир».

Рис. 6 Моделирование поведения системы «СМЛОП – танкер – буксир»

Подготовка концептуального проекта опор морского ветрогенератора

Рис. 7 Опорное основание морского ветрогенератора

Использование в учебных целях

Литература

2. Баранов И.Л. и др. Математическое моделирование динамики подъема и транспортировки АПК «Курск», Научно-технические ведомости СПбГПУ, № 1, 2002. c.107-119.

3. Большев А.С., Климович В.И., Чернецов В.А., Петухов Е.П. Исследования гидродинамических воздействий и доработка системы мягкой посадки батопортов плавучего затвора C-1 комплекса защитных сооружений Cанкт-Петербурга от наводнений, Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. 2013. Т. 268. с. 85-116.

4. Большев А.С., Чернецов В.А., Фролов С. А., Филиповская Т.В. Система мягкой посадки плавучего затвора судопропускного сооружения С-1 комплекса защитных сооружений Санкт-Петербурга от наводнений, Инженерно-строительный журнал №9,2012, с.103-112

5. Большев А.С., Торопов Е.Е., Фролов С.А. Математическое моделирование процесса накатки верхнего строения на опорное основание морской платформы Приразломного нефтяного месторождения. Журнал «Гидротехническое строительство», №5, М., 2007 г. с. 70-75. 6. Большев А.С., Благовидова И.Л., Фролов С.А. Математическое моделирование и программное исследование работы системы «Морской отгрузочный причал – Танкер - Буксир», Сборник трудов конференции «Освоение арктического шельфа России», 2007.

7. Большев А.С., Купреев В.В., Фролов С.А., Чернецов В.А. Вопросы проектирования опорных конструкций для морских ветрогенераторов. Журнал «Гидротехническое строительство» , №5, М., 2007 г. с. 31-36.

8. Альхименко А.И., Большев А.С., Ватин Н.И. Подготовка нового поколения инженеров-строителей Научно-технические ведомости СПбГПУ, №1, СПб, изд. СПбГПУ, 2007 г. с.74-79.