¬аше окно в мир —јѕ–
Ќовости —татьи јвторы —обыти€ ¬акансии Ёнциклопеди€ –екламодател€м
—татьи

24 июн€ 2015

ћатематическое моделирование поведени€ морских объектов в среде ѕ  Anchored Structures

ј. Ѕольшев. —. ‘ролов, “. ‘илиповска€, ћ.  утейников, —.  арлинский

ќт редакции isicad.ru: јвторы: јлександр Ѕольшев, д.т.н., профессор —анкт-ѕетербургского ѕолитехническокго ”ниверситета (—ѕбѕ”), —ергей ‘ролов, к.т.н., доцент —ѕбѕ”, “ать€на ‘илиповска€, ведущий инженер —ѕбѕ”, ћихаил  утейников, д.т.н., начальник отдела –оссийского морского регистра судоходства, —ергей  арлинский, к.т.н., ведущий конструктор ќјќ Ђ÷ Ѕ ћ“ –убинї.

ѕубликаци€ осуществл€етс€ в рамках долгосрочного соглашени€ с компанией Ѕюро ESG. ќригинал статьи Ц Ђ—јѕ– и √рафикаї, июнь 2015.

ѕри проектировании разнообразных плавучих морских объектов приходитс€ решать широкий круг статических и динамических задач, изуча€ перемещени€ этих объектов под действием волнени€, ветра, течени€ и льда. ѕеремещени€ плавучих сооружений возможны, как правило, во всех шести степен€х свободы и сложным образом св€заны с самими нагрузками, вызывающими эти перемещени€, с реакцией систем удержани€, с гидродинамическим вли€нием наход€щихс€ поблизости иных плавучих или стационарных объектов.

Ќаиболее универсальным и относительно дешевым способом решени€ указанного комплекса вопросов €вл€етс€ создание мощного проблемно-ориентированного программного комплекса, позвол€ющего в короткий срок выполнить математическое моделирование всех необходимых режимов функционировани€ самых разнообразных конструктивных вариантов создаваемых сооружений.

¬ —анкт-ѕетербургском политехническом университете создан и при посто€нной поддержке –оссийского ћорского –егистра —удоходства более 15 лет успешно развиваетс€ программный комплекс Anchored Structures [1], который способен решать большинство статических и динамических задач, возникающих у проектировщика. ¬ насто€щей статье излагаютс€ основные возможности программного комплекса и привод€тс€ примеры практического его применени€.

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

ћодуль подготовки исходных данных позвол€ет в удобной форме задать и корректировать все исходные данные, необходимые дл€ математического моделировани€.

Ѕлок модулей ЂPre-processorї позвол€ет 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.

Ѕлок расчета нагрузок позвол€ет вычисл€ть внешние нагрузки на морские объекты при различных постановках задачи.

—емейство статических задач решаетс€ в программных модул€х статики, а динамические решени€ в тех или иных постановках реализуютс€ модул€ми динамики.

–езультаты математического моделировани€ поведени€ морских объектов обрабатываютс€ в модул€х ЂPostprocessorї и представл€ютс€ в табличной, графической и мультимедийной форме.

ѕрограммные модули блока управлени€ обеспечивают не только координацию всех вычислительных процессов, но и отображение в реальном времени поведени€ исследуемых объектов в процессе математического моделировани€. “аким образом, исследователь, выполн€ющий разработку, имеет возможность визуального анализа поведени€ объектов в тех или иных ситуаци€х, что нередко оказываетс€ эффективным инструментом инженерного анализа.

Anchored Structures

–ис. 1. —труктурна€ схема ѕ  Anchored Structures

¬ целом возможности ѕ  Anchored Structure позвол€ют:
  • с использованием 3D геометрической модели объекта производить определение осадки, водоизмещени€, координат центра величины, круговой диаграммы метацентрических высот сооружени€ с учетом вли€ни€ €корного, швартовного закреплений и балласта;
  • определ€ть нагрузки от ветра, течени€, волнени€ и льда на плавучие или стационарные объекты;
  • рассчитывать гидродинамические характеристики морских объектов;
  • моделировать задачи статики и динамики плавучих или за€коренных сооружений;
  • моделировать морские операции с участием нескольких сооружений в заданной точке акватории;
  • выполн€ть анализ динамики €корных, буксирных, грузонесущих, швартовных св€зей, райзеров, элементов подводных
  • трубопроводов, динамики сооружени€ с учетом динамики св€зей и райзеров;
  • рассчитывать жесткостные характеристики св€зей, амплитудно-частотные характеристики, спектры колебаний, распределение плотности веро€тностей амплитуд колебаний, экстремальные динамические параметры колебаний дл€ нерегул€рного волнени€ заданной обеспеченности.
–азработанные методологии математического моделировани€ поведени€ морских плавучих объектов, реализованные в программном комплексе Anchored Structures, одобрены –оссийским ћорским –егистром —удоходства (сертификаты 1997 г., 2002 г., 2007 г., 2012 г.) и используютс€ р€дом известных научно-исследовательских и проектных организаций: ќјќ ÷ Ѕ ћ“ Ђ–убинї, ќјќ ÷ Ѕ Ђ ораллї, ‘√”ѕ Ђ рыловский государственный научный центрї,ќќќ ЂЋ” ќ…Ћ-»нжинирингї, ќјќ Ђѕќ —евмашї, ќјќ ÷ Ѕ Ђћонолитї и др.
Anchored Structures

–ис. 2 —ертификат –егистра —удоходства –‘

«а последние 15 лет большое число значимых проектов реализовано с использованием данного программного комплекса. Ќесколько примеров реализованных проектов привод€тс€ ниже.

ќбеспечение подъЄма атомной подводной лодки Ђ урскї

¬ 2001 г. в рамках комплекса Ќ»ќ – по теме Ђќбеспечение подъема јѕ  Ђ урскї —ѕбѕ” была поручена Ђ–азработка методики и программных средств дл€ обеспечени€ расчетов динамики подъема и транспортировки јѕ ї.

ѕлан выполнени€ операции основывалс€ на подготовке специальной баржи, оснащенной системой подъемных домкратов с компенсаторами динамических усилий, и подготовке вырезов в прочном корпусе атомного подводного крейсера (јѕ ) дл€ заведени€ туда захватов [2]. Ѕаржа должна была точно встать над јѕ  и раскрепитьс€ с помощью системы за€корени€. ƒалее захваты должны были быть заведены в подготовленные вырезы, и с помощью домкратов создавалось вертикальное усилие, способное преодолеть силу присоса грунта. «атем планировалось осуществить подъем јѕ , прижать его к днищу баржи и в таком виде транспортировать в док. ¬се названные операции должны были зан€ть сравнительно большой промежуток времени: транспортировка несколько суток; отрыв от грунта и подъем Ц около 10 Ц 20 часов. «а этот период погодные услови€ и св€занные с ними внешние воздействи€ обычно заметно измен€ютс€, и поэтому динамические эффекты могли оказать решающее вли€ние на исход операции.

ќсновной задачей работы, выполн€вшейс€ —ѕб√ѕ” совместно с ќјќ ÷ Ѕ ћ“ Ђ–убинї, €вл€лось создание математических моделей совместной динамики системы јѕ  Ц транспортна€ баржа в процессе подъема и транспортировки, а также подготовка программного обеспечени€ дл€ выполнени€ комплекса необходимых расчетов. ѕри этом необходимо было учитывать воздействие ветра, течени€ и волнени€ на корпуса плавучих сооружений, описать работу €корных, грузонесущих св€зей, оснащенных специальными компенсаторами, отбойных устройств и, в конечном итоге, обеспечить адекватную оценку динамики подъема и транспортировки јѕ  при различных гидрометеорологических услови€х с учетом прин€ти€ тех или иных альтернативных инженерных решений.

ѕри решении поставленной задачи с помощью ѕ  Anchored Structureї были решены следующие задачи:

  • ћоделирование баржи на начальном этапе подъема, когда јѕ  лежит на грунте, и сила, прикладываема€ через грузонесущие св€зи, еще не способна оторвать его от дна.
  • ћоделирование динамики јѕ  и баржи в момент отрыва јѕ  от дна.
  • ћоделирование динамики јѕ  и баржи в процессе подъема јѕ  с помощью домкратов, оснащенных компенсаторами.
  • ћоделирование динамики јѕ  и баржи непосредственно перед и после соединени€ јѕ  с баржей.
  • ћоделирование динамики баржи и јѕ  в процессе транспортировки.
Anchored Structures

–ис. 3 √еометрические модели баржи и јѕ 

Ќа основе математического моделировани€ были выполнены конструкторские проработки и определены погодные услови€, в которых можно было проводить операцию подъема. ѕолученные результаты были всесторонне проверены на экспериментальных установках в ÷Ќ»» им. акад. ј. Ќ.  рылова.  ак известно, подъем јѕ  Ђ урскї был успешно завершен 8 окт€бр€ 2001 г. » одним из факторов, определивших удачное завершение операции [2], €вилось выполнение обширных исследований всех этапов операции теоретическим и экспериментальным путем.

¬клад в создание комплекса защитных сооружений —анкт-ѕетербурга от наводнений

Ќа базе разработанного программного комплекса можно создавать сложные модели, синтезирующие возможности описанных выше методологий с результатами, получаемыми из других программных комплексов. ѕримером такой технологии €вл€етс€ разработанный способ решени€ задачи о динамике двустворчатого плавучего затвора с сегментными батопортами, вход€щего в состав судопропускного сооружени€ —-1  омплекса защитных сооружений ( «—) —анкт-ѕетербурга от наводнений.

ѕлавучий затвор предназначен дл€ перекрыти€ судоходного канала при возникновении угрозы наводнени€. ¬ход€щие в состав створок плавучего затвора батопорты, после вывода их в рабочее положение, должны быть погружены по заданному пространственно-временному закону на порог и находитьс€ в этом положении в устойчивом состо€нии, перекрыва€ собой судопропускной канал —-1. ѕосадка батопорта на порог должна осуществл€тьс€ путем заполнени€ водой балластных цистерн, а всплытие Ц с помощью удалени€ воды из балластных цистерн.

¬опросы моделировани€ заполнени€ балластных цистерн, моделировани€ волновых нагрузок, расчета гидродинамических характеристик €вл€ютс€ стандартными дл€ программного комплекса Anchored Structures.

Anchored Structures

–ис. 4 ѕлавучий затвор судопропускного сооружени€ —-1  «— —ѕб от наводнений

ќднако сложность моделировани€ поведени€ плавучего затвора в большой степени оказалась св€занной с течением жидкости под батопортами. ƒл€ адекватного описани€ их поведени€ постановка задачи обтекани€ в идеальной жидкости, свойственна€ ЂAnchored Structuresї, €вл€лась недостаточной. ¬ этой св€зи в —ѕбѕ” в Ћаборатории ѕрикладной ћатематики и ћеханикина многопроцессорном кластере было выполнено комплексное моделирование процессов обтекани€ в€зкой жидкостью створок батопорта [3] с помощью программного комплекса CFX.

јнализ процессов обтекани€ позволил объ€снить характер поведени€ батопорта в потоке в€зкой жидкости, параметрически описать силы, действующие на батопорт со стороны потока и интегрировать описание этих сил в программный комплекс Anchored Structures. Ќа основе математического моделировани€ в ѕ  Anchored Structures совместно с ќјќ ÷ Ѕ ћ“ Ђ–убинї, ќјќ Ђ¬Ќ»»√ им. Ѕ. ≈. ¬еденееваї [4] был отработан алгоритм функционировани€ плавучего затвора, исследована и оптимизирована система м€гкой посадки батопортов на порог. ¬ насто€щее врем€ плавучий затвор с сегментными батопортами успешно прошел испытани€, введен в эксплуатацию и уже защитил —анкт-ѕетербург от нескольких наводнений.

ћоделирование накатки верхнего строени€ платформы Ђ’аттонї дл€ освоени€ месторождени€ Ђѕриразломноеї

ѕ  Anchored Structureї использовалс€ также дл€ математического моделировани€ накатки верхнего строени€ платформы (¬—ѕ) Ђ’аттонї на опорное основание платформы, созданной дл€ освоени€ месторождени€ Ђѕриразломноеї [5].

—уть операции заключалась в предварительной установке опорного кессона, доставке ¬—ѕ на барже к кессону и накатке ¬—ѕ на кессон. »спользование разработанных программных средств позволило одновременно моделировать воздействие ветра, течени€ и волнени€, гидродинамическое взаимодействие корпусов барж и кессона, а также движение ¬—ѕ вдоль палубы кессона. ѕри этом осуществл€лось моделирование во времени заполнени€ балластных цистерн баржи дл€ компенсации передачи веса ¬—ѕ на кессон, упор баржи в опорное основание и шарнир, обеспечивающий соединение барж с кессоном, движение транспортных тележек и контактные усили€ в 25 колесных парах.

Ќа основании моделировани€ обеспечивалось изучение динамических параметров накатки ¬—ѕ Ђ’аттонї на опорное основание при различных направлени€х ветра, течени€ и волнени€ и при различных фазах накатки.

Anchored Structures

–ис. 5 Ќакатка ¬—ѕ Ђ’аттонї на опорное основание платформы Ђѕриразломна€ї

–езультаты математического моделировани€ использовались дл€ обеспечени€ необходимого уровн€ безопасности данной операции. ”спешно проведенна€ в сент€бре 2006 года силами ѕќ Ђ—евмашпредпри€тиеї с участием российских и зарубежных соисполнителей операци€ накатки показала, что прин€тые основные технические решени€, основанные, в том числе, и на представленных авторами результатах математического моделировани€, себ€ оправдали.

ћоделирование морских операций, св€занных с погрузкой нефти

ћатематическое моделирование морских операций, св€занных с погрузкой нефти, выполн€лось авторами совместно с инженерами ќјќ Ђ÷ Ѕ  ораллї в 2005 г. ¬ процессе реализации этой операции стационарный морской ледостойкий отгрузочный причал (—ћЋќѕ) в районе ¬аранде€, отгрузочный шланг, танкер и удерживающий его буксир должны были находитьс€ в непрерывном взаимодействии, динамические аспекты которого во многом определ€ли услови€ обеспечени€ допустимого уровн€ надежности.

ћатематическое моделирование было направлено на изучение поведени€ танкеров дедвейтом 70000 т и 20000 т, при сто€нке в ошвартованном состо€нии у причала в процессе отгрузки нефтепродуктов [6]. ѕолагалось, что танкеры могут быть подвержены воздействи€м ветра, течени€, волнени€ и льда. ѕод действием посто€нных и переменных во времени сил танкер может совершать колебани€ в различных степен€х свободы. ѕри этом на основании математического моделировани€ необходимо было определить услови€, при которых можно обеспечить безопасность выполнени€ данной операции и найти оптимальные режимы взаимодействи€ танкера, вспомогательного судна, швартовой системы, отгрузочного шланга дл€ максимального расширени€ погодных условий, при которых гарантируетс€ безопасность отгрузки нефтепродуктов.

ѕрограммный комплекс позволил рассчитывать внешние нагрузки на объекты, участвующие в этой морской операции, определ€ть силы, возникающие в швартовных тросах, анализировать динамику отгрузочного шланга с учетом мгновенных значений скорости движени€ нефти внутри него и давлени€, под которым она находитс€.

ƒл€ всестороннего анализа поведени€ системы Ђ—ћЋќѕ Ц танкер Ц буксирї было сформировано около 400 расчетных ситуаций, различающихс€ дедвейтом танкера, его осадкой, режимом нерегул€рного волнени€, направлением распространени€ волн, скоростью и направлением ветра и течени€, толщиной льда, упором движительного комплекса танкера и т€гой буксира. — помощью программного комплекса все расчетные ситуации были последовательно промоделированы, получено общее представление о поведении системы Ђ—ћЋќѕ Ц танкер Ц буксирї.

Anchored Structures

–ис. 6 ћоделирование поведени€ системы Ђ—ћЋќѕ Ц танкер Ц буксирї

 роме того, на основании проведенного теоретического исследовани€ получены результаты, позвол€ющие определить услови€, при которых обеспечиваетс€ безопасность выполнени€ операций по перегрузке нефти со —ћЋќѕ, и определены оптимальные режимы взаимодействи€ танкера, вспомогательного судна и швартовой системы дл€ максимального расширени€ погодных условий, при которых гарантируетс€ безопасность отгрузки нефтепродуктов. «атем полученные результаты были проверены с помощью физического эксперимента. ¬ 2008 г. этот самый северный в мире круглогодичный стационарный морской ледостойкий отгрузочный причал вошел в эксплуатацию и успешно функционирует до насто€щего времени.

ѕодготовка концептуального проекта опор морского ветрогенератора

ћетодологи€ математического моделировани€ поведени€ объектов с помощью ѕ  Anchored Structures использовалась ќјќ Ђ÷ Ѕ ћ“ –убинї при подготовке концептуального проекта опор морского ветрогенератора [7], выполн€вшегос€ по заказу фирмы Bard. јнализ опорной конструкции морского ветрогенератора в различных предельных состо€ни€х предусматривал генерацию различных сочетаний внешних воздействий, при которых необходимо было рассчитывать внешние нагрузки и оценивать поведение конструкции в этих услови€х. ќбычно подобное исследование оказываетс€ достаточно трудоемким, поскольку велико число сочетаний параметров внешних воздействий, подлежащих учету и последующему изучению. ¬ частности, необходимо составл€ть сочетани€ внешних воздействий от ветра, течени€, волнени€ при различной их обеспеченности, разном уровне мор€, при возможных направлени€х действи€ и ожидаемых временных параметров внешних нагрузок. Ќередко подобное исследование обуславливает необходимость анализа от сотен до тыс€ч расчетных случаев. ¬ этих услови€х дл€ обеспечени€ процесса проектировани€ использование апробированных программных средств, позвол€ющих быстро выполн€ть необходимые расчеты внешних нагрузок, €вл€етс€ оптимальным решением. ¬ данном случае с помощью ѕ  Anchored Structures определ€лись нагрузки от течени€, ветра и волн конечной высоты. ¬заимодействие донных грунтов с погруженными в них опорами ветрогенератора рассчитывалось в ѕ  Plaxis. ∆есткостные характеристики реакции грунтов интегрировались в программный комплекс. ¬ дальнейшем с помощью Anchored Structures определ€лись суммарные нагрузки на элементы конструкции опор ветрогенератора, выполн€лс€ первоначальный анализ динамики элементов конструкции и на этой основе оптимизировались геометрические и массовые параметры всего сооружени€.
Anchored Structures

–ис. 7 ќпорное основание морского ветрогенератора

¬ насто€щее врем€ несколько дес€тков морских ветрогенераторов, спроектированных согласно выполненной концептуальной разработке, установлены и успешно работают в —еверном море (фото из корпоративного журнала фирмы Bard 03/2010).

»спользование в учебных цел€х

ѕрограммный комплекс Anchored Structures используетс€ также в учебном процессе инженерно-строительного института ѕолитехнического университета. —огласно концепции подготовки современной генерации инженеров-строителей [8] на платформе этого комплекса дл€ магистров, специализирующихс€ в области проектировани€ и строительства морских сооружений, проводитс€ практикум по освоению основных возможностей этого комплекса и выполнению учебных проектов по математическому моделированию поведени€ морских сооружений под действием внешних нагрузок.
Ћитература
1. Ѕольшев ј.—., ‘ролов —.ј.,  утейников ћ.ј. ћатематическое моделирование поведени€ морских плавучих объектов в программном комплексе Ђјnchored Structuresї // Ќауч.-техн. сб. –оссийского морского регистра судоходства., 2013. є 36. —. 68-90.

2. Ѕаранов ».Ћ. и др. ћатематическое моделирование динамики подъема и транспортировки јѕ  Ђ урскї, Ќаучно-технические ведомости —ѕб√ѕ”, є 1, 2002. c.107-119.

3. Ѕольшев ј.—.,  лимович ¬.»., „ернецов ¬.ј., ѕетухов ≈.ѕ. »сследовани€ гидродинамических воздействий и доработка системы м€гкой посадки батопортов плавучего затвора C-1 комплекса защитных сооружений Cанкт-ѕетербурга от наводнений, »звести€ ¬Ќ»»√ им. Ѕ.≈. ¬еденеева. 2013. “. 268. с. 85-116.

4. Ѕольшев ј.—., „ернецов ¬.ј., ‘ролов —. ј., ‘илиповска€ “.¬. —истема м€гкой посадки плавучего затвора судопропускного сооружени€ —-1 комплекса защитных сооружений —анкт-ѕетербурга от наводнений, »нженерно-строительный журнал є9,2012, с.103-112

5. Ѕольшев ј.—., “оропов ≈.≈., ‘ролов —.ј. ћатематическое моделирование процесса накатки верхнего строени€ на опорное основание морской платформы ѕриразломного нефт€ного месторождени€. ∆урнал Ђ√идротехническое строительствої, є5, ћ., 2007 г. с. 70-75. 6. Ѕольшев ј.—., Ѕлаговидова ».Ћ., ‘ролов —.ј. ћатематическое моделирование и программное исследование работы системы Ђћорской отгрузочный причал Ц “анкер - Ѕуксирї, —борник трудов конференции Ђќсвоение арктического шельфа –оссииї, 2007.

7. Ѕольшев ј.—.,  упреев ¬.¬., ‘ролов —.ј., „ернецов ¬.ј. ¬опросы проектировани€ опорных конструкций дл€ морских ветрогенераторов. ∆урнал Ђ√идротехническое строительствої , є5, ћ., 2007 г. с. 31-36.

8. јльхименко ј.»., Ѕольшев ј.—., ¬атин Ќ.». ѕодготовка нового поколени€ инженеров-строителей Ќаучно-технические ведомости —ѕб√ѕ”, є1, —ѕб, изд. —ѕб√ѕ”, 2007 г. с.74-79.



¬акансии:

јктуальное обсуждение

RSS-лента комментариев

-->

ƒавид Ћевин
ƒавид Ћевин
ќт редактора: Ђ√осподи, зачем € читаю всЄ это...ї
ѕроект ЂЌародное —јѕ–-интервьюї

—лучайна€ стать€:

isicad Top 10

—амые попул€рные материалы

   ‘орумы isicad:

isicad-2010 isicad-2008
isicad-2006 isicad-2004

ќ проекте

ѕриглашаем публиковать на сайте isicad.ru новости и пресс-релизы о новых решени€х и продуктах, о проводимых меропри€ти€х и другую информацию. јдрес дл€ корреспонденции - info@isicad.ru

ѕроект isicad нацелен на

  • укрепление контактов между разработчиками, поставщиками и потребител€ми промышленных решений в област€х PLM и ERP...
ѕодробнее

»нформаци€ дл€ рекламодателей


¬се права защищены. © 2004-2023 √руппа компаний «Ћ≈ƒј—»

ѕерепечатка материалов сайта допускаетс€ с согласи€ редакции, ссылка на isicad.ru об€зательна.
¬ы можете обратитьс€ к нам по адресу info@isicad.ru.