Численное моделирование столкновения судов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Численное моделирование столкновения судов

Еременко В.Р., Горыня Е.В.

В развитие северного морского пути ключевую роль играют атомные ледоколы. Однако важнейшим фактором при их эксплуатации является обеспечение надежности атомной энергетической установки при навигационных авариях. Поэтому в данной работе рассматривается численное моделирование процесса столкновения двух судов с использованием метода конечных элементов. В качестве пакета для численного моделирования используется ANSYS.

Ключевые слова: численное моделирование, столкновения судов, метод конечныхэлементов.

Nuclear icebreakers play a key role in the development of the northern sea route. However, the most important condition for their exploitation is to ensure the reliability of the nuclear power plant during navigation accidents. Therefore, in this paper, numerical simulation of the collision of two ships using the finite element method is considered. ANSYS is used for numerical simulation.

Keywords: numerical modeling, ship collisions, finite element method.

Северный морской путь (СМП), является кратчайшим морским путем между Европейской частью России и Дальним востоком. Альтернативный путь с использованием Суэцкого канала почти в два раза длине, поэтому для экономии ресурсов целесообразнее использовать именно СМП. Каждый год объем грузоперевозок увеличивается, однако в связи с тем, что большая часть акватории Северного Ледовитого океана покрыта льдами, судоходство по северному морскому пути затруднено. Кроме этого, на шельфе Северного Ледовитого океана находятся большие залежи углеводородов.

Необходимость освоения Арктических территорий, влечет за собой необходимость иметь соответствующие суда, которые построены специально для поддержания навигации в замерзающих бассейнах. В настоящее время, такую роль выполняют ледоколы. К их задачам относят проводку судов, буксировку, прокладку каналов во льдах, выполнение спасательных работ. Большинство арктических ледоколов, являются дизельными, однако они нуждаются в регулярной дозаправке, что не всегда может быть легко осуществимо в условиях плавания во льдах. Поэтому важную роль играют атомные ледоколы, которым не нужна постоянная дозаправка, и которые кроме этого являются в разы мощнее своих дизельных аналогов.

В ноябре 2016 года на Балтийском заводе, в Санкт-Петербурге, был спущен на воду новый русский ледокол «Арктика», который является самым мощным атомным ледоколом в мире. Ввод в эксплуатацию данного ледокола планируется осуществить уже в 2018 году. В соответствии с требованиями нормативных документов оценка безопасности атомной энергетической установки (АЭУ) судна должна включать анализ аварий, включая навигационные. В качестве аварийного случая, рассматривается столкновение с другим судном, которое таранит судно с АЭУ. На деформирование деталей корпуса ледокола будет оказывать влияние в первую очередь масса и скорость таранящего судна.

Таким образом, необходимо произвести оценку объемов повреждений корпусных конструкций судна при столкновении двух судов. Обзор публикаций по данной тематике, показал, что ведущие иностранные специалисты решают схожие задачи с использованием программных комплексов (ПК) ANSYS, LS-Dyna [1,2]. В представленной работе расчет объемов будет производится, через определение напряженно-деформируемого состояния (НДС) корпусных конструкций таранимого судна. Для моделирования и расчетов будет использоваться конечноэлементный пакет ANSYS.

Целью работы является моделирование процесса разрушения судов в результате столкновения. За расчетный случай принимается неупругий удар под прямым углом в середину реакторного отдела. Считается, что до столкновения таранимое судно не имело хода. Нос таранящего судна считается абсолютно жестким.

Моделирование задачи в прикладном пакете ANSYS. Численное моделирование столкновения будет производиться в ANSYS Workbench с использованием модуля для решения динамических задач explicit dynamic. Используется модель упругопластического материала.

Скорость деформирования учитывается в соответствии с моделью Купера-Симондса.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Где

- Напряжение текучести

- Предел текучести

- Эффективная пластическая деформация

- Константы Купера Симондса - Параметр упрочнения

- Касательный модуль

- Модуль Юнга

- Деформация (скорость деформирования)

В результате столкновения происходит деформация конструкций судна. Разрушение происходит посредством убийства элементов, обнуления их матриц жесткости. Это происходит, когда деформации или напряжения в элементах превысят заданное значение, в зависимости от выбранного критерия.

Анализ влияния упрощенной конструкции на точность вычислений. Для упрощения вычислений целесообразно рассматривать не все судно целиком, а только один или несколько смежных отсеков, для ускорения времени вычисления. Однако необходимо учесть граничные условия при таком моделировании.

Для решения поставленной задачи были рассмотрены две модели корпуса универсального атомного ледокола с различной жесткостью. Жесткость корпуса определяется количеством палуб. В первом случае была только одна палуба, во втором случае корпус моделировался с тремя палубами.

Размеры таранимого судна:

Длина - 166.35 м, Ширина - 34 м, Толщина борта - 0,045 м;

Граничные условия: жесткое закрепление по оконечностям судна;

Нос таранящего судна задается абсолютно жестким;

Начальная скорость таранящего судна 10 м/с.

В результате проведенных вычислений видно, что повышение количества палуб существенно влияет на характер деформации корпуса судна (рис. 1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

а) 1 палуба б) 3 палубы

При низкой жесткости корпуса, изгибные деформации вносят наибольший вклад в общую деформацию судна. С повышением жесткости корпуса судна, изгибные деформации вносят меньший вклад, а преобладают деформации смятия. Которые не оказывают значительного влияния на деформацию корпуса судна за пределами таранимого отсека.

Исходя из полученных результатов, есть предпосылки для того что бы в будущем рассматривать только один отсек таранимого судна вертикальные перекрытия, которого будут жестко заделанными.

Моделирование динамического разрушения горизонтального перекрытия жестким клином. В литературе проводятся эксперименты по разрезанию стальной пластины жестким клином [3], для того что бы определиться с материалом и методом решения, данная задача будет смоделирована и решена в прикладном пакете ANSYS.

Расчет выполнялся для пластины прямоугольной формы, и клина с углом заострения 60 градусов, схема модели представлена на рисунке 2. Три кромки пластины жестко заделаны, а кромка со стороны клина свободная. Жесткий клин высотой 305 мм и шириной 70 мм ударяется в середину пластины с постоянной скоростью 5м/с. Коэффициент статического трения 0.2, коэффициент динамического трения 0.1.

Использовалась модель упругопластического материала. Скорость деформирования учитывалась в соответствии с моделью Купера - Симондса. Для моделирования пластины и клина использовались четырех узловые оболочечные элементы, в области столкновения, на пластине, полагается сгущение сетки. Вычисления производились на сетках 0.5мм/5мм и 1мм/5мм конечно элементная модель представлена на риссунке.3. Характеристики материала пластины:

атомный ледокол морской путь

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2. Схема разрезания пластины клином

Рисунок 3. Конечно-элементная модель разрезания пластины жестким клином Проверка результатов на внутреннюю сходимость показала, что напряжения отличаются друг от друга не более чем на 5% рис.4.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 4. Напряжения на пластине при разных размерах сетки

Рисунок 5. Внешний вид пластины после внедрения клина

Наблюдается качественное совпадение расчётов с экспериментальными рис 5. Как и в эксперименте наблюдается закручивание кромок трещины.

Вывод. В ходе работы была построена модель столкновения судов в ANSYS Workbench. Было подтверждено предположение о том, что при повышении жесткости конструкции деформации смятия преобладают над изгибными. Таким образом, при моделировании можно рассматривать только один или пару смежных отсеков.

Также в ANSYS Mechanical был смоделирован эксперимент по разрезанию металлической пластины. Полученные результаты имеют внутреннюю сходимость, и качественно совпадают с экспериментальными данными.

Список литературы

1. Kitamura O., Endo H.: “Collision Simulations of an Exclusive Ship of Spent Nuclear Fuels”, International Workshop on Utilization of Nuclear Power in Oceans, Feb.21-24, 2000 Toranomon Pastral Tokyo, Japan

2. Prabowo A.R., Bae D.M., Sohn J.M., Zakki A.F., Cao B., Wang Q., Analysis of structural behavior during collision event accounting for bow and side structure interaction, Theor. Appl. Mech. Lett. 7 (2017) 6-12.

3. Zhang S. The mechanics of ship collision Technical University of Denmark, Lyngby 1999.

Размещено на Allbest.ru