Тема: Моделирование процесса разрушения при столкновении двух судов

Навигационные аварии, такие как столкновение судов и посадка на мель являются наиболее серьезными для судоходства. В результате данных аварий, помимо повреждения судов и гибели людей, может быть нанесен вред окружающей среде из-за выбросов вредных грузов, перевозимых этими судами. На основе анализа статистических данных по столкновениям судов мирового флота, включая районы интенсивного судоходства, были полученные следующие данные. Вероятность столкновения судов составляет 5 X 10-2 событий в год. Вероятность получения серьезных повреждений, включая водотечные пробоины, 7 X 10-4 событий в год. Вероятность гибели судна в результате столкновения - 5 X 10-5 событий в год [42]. Учитывая размеры мирового флота, более 80 тысяч судов [11] в год возможна гибель не менее 4 судов. Согласно статистическим данным о морских происшествиях, ежегодно происходит более 700 аварий. Больше половины зарегистрированных случаев, относятся к навигационным авариям (столкновение и посадка на мель) [44]. Таким образом, одной из актуальных проблем современного судостроения является повышение аварийной безопасности судов за счет совершенствования корпусных конструкций. Наиболее остро данный вопрос стоит при проектировании судов с атомной энергетической установкой (АЭУ) и судов, перевозящих радиоактивные отходы и топливо. Особое внимание в данной работе уделяется атомным ледоколам, которые играют ключевую роль в освоении северного морского пути (СМП).
СМП является кратчайшим морским путем между Европейской частью России и Дальним Востоком и составляет порядка 14 тысяч км. Альтернативный путь с использованием Суэцкого канала почти в два раза длиннее - 23 тысячи км (рис.1), 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 крупные месторождения углеводородов.
Рис. 1. Сравнение длины СМП и пути, проходящего через Суэцкий канал
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. В силу чего важную роль играют атомные ледоколы, которым не нужна постоянная дозаправка, и которые, кроме этого, являются в разы мощнее своих дизельных аналогов. В соответствии с требованиями нормативных документов, оценка безопасности АЭУ судна должна включать анализ аварий, включая навигационные. В качестве аварийного случая рассматривается столкновение с другим судном, которое таранит судно с АЭУ. На разрушение и деформирование деталей корпуса ледокола будет в первую очередь оказывать влияние кинетическая энергия таранящего судна и форма форштевня (носовая оконечность судна).
Существующие методы оценки объемов повреждения при столкновении судов, основываются на сопоставлении энергопоглощения при разрушении конструкции с энергией удара. Однако такой подход не позволяет выявить особенности процесса разрушения, поэтому все более распространенным становится анализ, основанный на решении начально-краевых задач динамического деформирования методом конечных элементов (МКЭ).
Основная идея МКЭ состоит в том, что область определения непрерывной величины разбивается на конечное число подобластей, называемых элементами. Эти элементы имеют общие узловые точки и в совокупности определяют форму области. Используя значения искомой непрерывной величины в узловых точках и ту или иную аппроксимирующую функцию, можно определить значение исследуемой величины внутри области [16].
В силу популярности МКЭ, он широко применяется в различных подобластях механики гидродинамика, электродинамика и в частности при анализе аварийной прочности (судовой, автомобильной, авиационной) [3,4,7,10,14,30].
При моделировании ударного взаимодействия важным аспектом является выбор модели пластичности материала, позволяющая достаточно точно описывать свойства материала в процессе деформирования и разрушения. Существуем масса моделей наиболее популярными и простыми являются уравнения Купера-Саймондса и Джонсона-Кука. Они позволяют учесть кинематическое упрочнение и зависимость динамического предела текучести от скорости деформации. Преимуществом модели Джонсона-Кука является возможность учета воздействия температуры на прочность материала. Однако в силу того, что решение данной задачи будет осуществляться при фиксированной температуре, данное уточнение является излишним, внося дополнительные константы, которые должны быть определены. Таким образом, при решении поставленной задачи будет использоваться модель материала на основе определяющего уравнения Купера-Саймондса. Соответствующие численные расчеты выполнены в программном комплексе (ПК) ANSYS.
Целью настоящей работы является разработка и анализ конечно-элементной модели процесса ударного взаимодействия корпусных конструкций при столкновении двух судов, которая позволит учитывать особенности упругопластического деформирования и разрушения.
Купить

В работе были рассмотрены и решены задачи по локальному разрушению элементов судна. Разработана конечно-элементная модель, учитывающая пластическое деформирование и разрушение в зоне контакта. Она была верифицирована на экспериментальных данных по разрезанию и смятию палубных и бортовых перекрытий. В дальнейшем полученную модель можно использовать для моделирования процесса столкновения судов и анализа напряженно-деформируемого состояния корпусных конструкций таранимого судна.
Купить