Журнал ANSYS Advantage Русская редакция. 15

Технологии
Применение
инновационных
технологий при
проектировании грузовых
судов
Kuno van den Berg, менеджер проектов, Gijsbert Jacobse, инженер,
Michiel Verdult, инженер, компания Vuyk Engineering Rotterdam b.v., Нидерланды
Проектирование судов — сложный процесс, поскольку речь идет о создании массивных и механически сложных конструкций. Корабли должны
демонстрировать надежность при работе в
сложных условиях, а также соответствовать
международным стандартам. В особенности,
это относится к проектированию судов, предназначенных для работы в порту и открытом море,
при этом корпус и внутренние системы должны
быть надежными и долговечными. Кроме того,
такие палубные конструкции, как краны, должны обеспечивать достаточную прочность и устойчивость при колебании судна под воздействием волн.
Специалисты голландской инжиниринговой компании Vuyk Engineering Rotterdam (VER)
использовали компьютерное моделирование
для разработки новых и модернизации существующих судов, их проверки на соответствие
международным промышленным стандартам, а
Ñàìîõîäíûé ïëàâó÷èé êðàí Matador 3 íà îáúåêòå
ìîðñêîãî ñòðîèòåëüñòâà
www.ansyssolutions.ru
также устранения разнообразных проблем, возникающих при эксплуатации судна. Компания
VER работает в области судостроения, обеспечивая консультационные и инжиниринговые услуги в области проектирования судов, специализированного оборудования, а также исследований соответствующих процессов. С 2002 г. специалисты компании используют исключительно
программное обеспечение ANSYS Mechanical
для проведения прочностных расчетов: получение распределения напряжений, упругой деформации, силы противодействия и усталостного
расчета деталей. Кроме того, инженеры используют программные комплексы ANSYS для других видов расчетов — в частности, анализа вибрации конструкций и ударных нагрузок при соударении нескольких конструкций. Специалисты
Vuyk остановили свой выбор на ПО ANSYS после тщательного анализа конкурирующих программных продуктов — принимая во внимание
гибкость программного кода, спектр используемых приложений, репутацию компании и использование программных продуктов ведущими мировыми компаниями.
С 2007 г. в компании VER используется ПО
ANSYS AQWA для расчетов гидродинамических
нагрузок на объекты морского строительства,
включая анализ возникающих напряжений и усталостный расчет.
Программный комплекс может использоваться для определения отклика судна на воздействие волн. С помощью ANSYS AQWA можно
определить такие важные параметры, как раскачивание груза при подъеме, относительное
перемещение пришвартованного судна, взаимодействие с соседними кораблями, способность
ANSYS Advantage. Русская редакция | 15'2011
21
Технологии
22
судна сохранять заданное положение при сильном волнении на море. Чрезвычайно важной является возможность быстрого обмена данными
между ANSYS AQWA и ANSYS Mechanical, что
позволяет комплексно рассматривать прочностные и гидродинамические явления.
До покупки ANSYS AQWA, специалисты
VER использовали двухмерный код, который
имел ограничения и применялся для узкого спектра стандартных корпусов. Кроме того, невозможно было проводить анализ чистых волновых
нагрузок или расчет движения нескольких тел. В
подобных случаях специалисты компании вынуждены были обращаться в специализированные научно-исследовательские центры.
Ðàñïðåäåëåíèå íàïðÿæåíèå âî âñåé ïîäúåìíîé
êîíñòðóêöèè Matador 3 (ââåðõó),
à òàêæå â îòäåëüíûõ äåòàëÿõ — â ÷àñòíîñòè,
â îïîðíûõ ïëèòàõ (âíèçó)
www.ansyssolutions.ru
Внедрение ANSYS AQWA позволило инженерам проводить комплексный гидродинамический анализ и получить более полную картину,
отражающую эксплуатационные характеристики судна. Кроме того, специалисты получили
возможность проводить расчеты намного быстрее, изменяя параметры и сравнивая различные
варианты проектов. Проведение собственных
нестационарных расчетов динамического движения позволило компании VER стать лидером
на рынке инжиниринговых услуг в области судостроения.
Увеличение грузоподъемности
В одном из проектов специалисты VER использовали программный комплекс ANSYS для увеличения грузоподъемности самоходного плавучего крана Matador 3, используемого в портах,
на объектах морского строительства, при удалении обломков затонувших судов, а также при
строительстве мостов на реках и каналах.
Кран Matador состоит из двух навесных,
регулируемых А-образных опор с подъёмным
устройством, которое удерживается закрепленными на палубе канатами и приводится в движение с помощью приводной лебёдки. Matador 3,
один из наибольших самоходных плавучих кранов в мире, достигает высоты 70 м. Два подъёмных блока на верхних точках каждой конструкции поднимаются и опускаются с помощью канатов и лебедки. Кроме того, А-образные опоры
Ïðè äèôðàêöèîííîì àíàëèçå îïðåäåëÿåòñÿ
ðàñêà÷èâàíèå è óñòîé÷èâîñòü ïîäíèìàåìûõ ãðóçîâ
ANSYS Advantage. Русская редакция | 15'2011
также могут использоваться для подъема грузов.
Целью расчета было изменение конструкции при увеличении грузоподъемности от 600 до
900 тон. Инженеры решили поставленную задачу, увеличив количество шкивов, используемых
в канатной передаче, а также для удержания Аобразных опор. Специалисты использовали ПО
ANSYS Mechanical для оптимизации грузоподъемности крана — подъёмная рама моделировалась с помощью балочных элементов, рассчитывались силы противодействия в точках изгиба и
напряжения во всех деталях конструкции. Проведя параметризацию модели, команда инженеров смогла быстро ввести различные угловые
переменные для получения кривых подъема и
грузоподъемности.
В некоторых случаях ПО ANSYS AQWA использовалось для получения движения и нагрузок на конструкцию, поскольку волны различной
высоты и частот воздействуют на судно под
разными углами. В таком случае судно и конструкция крана моделировались отдельно от
подъемной конструкции, а затем в общую гидродинамическую модель добавлялись такие
элементы, как канаты. В процессе расчетов определялся рабочий диапазон конструкции относительно грузоподъемности крана и точности
размещения.
Кроме того, специалисты VER выполнили
ряд расчетов для проектов в открытых водоемах, включая анализ движения крана Matador
при различной волновой нагрузке при подъеме
груза, а также транспортировке и установке высоковольтной станции ветровых турбин в Северном море. Комплекс ANSYS AQWA использовался для определения максимальной высоты волн,
допустимой для различных периодов волны
(время между вершинами волны). Используя результаты расчетов, судоходные компании смогли согласовывать свой график с прогнозом погоды на время передвижения судна из порта в
открытое море. Благодаря этому все детали ветровой турбины были успешно перевезены и установлены.
Расчеты на ранних стадиях
проектирования
Специалисты компании использовали программные комплексы ANSYS Mechanical и ANSYS
AQWA в одностороннем связанном расчете, в
котором гидродинамические нагрузки от давления на внешнюю сторону корпуса судна, полученные в ANSYS AQWA, прямо передавались в
ANSYS Mechanical для определения прочности
конструкции дноуглубительного судна. В частности, необходимо было проверить продольный
изгиб в средней части судна, рассчитать напря-
www.ansyssolutions.ru
23
Ìîäåëü ñóäíà â ANSYS Mechanical
жения при расчёте эквивалентного бруса, а также провести анализ усталостной долговечности
на основе полученных напряжений.
Вначале в ANSYS Mechanical с помощью
оболочечных элементов была создана конечноэлементная модель, содержащая основные детали корабля: наружный корпус, балки и конструкция верхней части корпуса. При этом была
показана только основная геометрия и распределение массы — и расчет мог проводиться на
ранних этапах проектирования, за пять месяцев
до завершения проекта. Таким образом, результаты подобного расчета могли использоваться
на всех последующих этапах проектирования
судна.
Чтобы получить распределение напряжений по всему периметру корпуса при воздействии волн на судно, в ANSYS AQWA проводился трехмерный дифракционный анализ. За основу была взята конечноэлементная модель
корпуса — обеспечивающая полную совместимость между конечноэлементным и дифракционным расчетами.
Инженеры VER сравнили нагрузки в стоячей воде с рабочими волновыми нагрузками, полученными в ANSYS AQWA. Затем эти данные
использовались в ANSYS Mechanical для определения напряжений и деформации балок. В расчете выяснилось, что основная концентрация
напряжений приходится на заднюю часть основной палубы. Добавление более плотных плит настила и балок позволило укрепить конструкцию.
В последствии усталостный расчет показал, что
измененная конструкция является более прочной
и долговечной.
В одном из последних проектов проводился связанный расчет эквивалентного бруса судна «Pieter Schelte», крупнейшего трубоукладочного судна в мире (длина — 1,250 футов, ширина — 380 футов). Вследствие большой разницы
в соотношении длина — ширина, стандартные
правила проектирования судов не применимы.
В связи с этим, использовался программный
комплекс ANSYS AQWA, что позволило создать
оптимальный проект в кратчайшие сроки.
ANSYS Advantage. Русская редакция | 15'2011