Математическое моделирование поведения морских объектов в среде ПК Anchored Structures

Александр Большев
Д.т.н., профессор СПбПУ
Сергей Фролов
К.т.н., доцент СПбПУ
Татьяна Филиповская
Ведущий инженер СПбПУ
Михаил Кутейников
Д.т.н., начальник отдела Российского морского регистра судоходства
Сергей Карлинский
К.т.н., ведущий конструктор ОАО «ЦКБ МТ Рубин»

При проектировании разнообразных плавучих морских объектов приходится решать широкий круг статических и динамических задач, изучая перемещения этих объектов под действием волнения, ветра, течения и льда. Перемещения плавучих сооружений возможны, как правило, во всех шести степенях свободы и сложным образом связаны с самими нагрузками, вызывающими эти перемещения, с реакцией систем удержания, с гидродинамическим влиянием находящихся поблизости иных плавучих или стационарных объектов.

Наиболее универсальным и относительно дешевым способом решения указанных задач является создание мощного проблемно­ориентированного программного комплекса, позволяющего в короткий срок выполнить математическое моделирование всех необходимых режимов функционирования самых разнообразных конструктивных вариантов создаваемых сооружений.

В Санкт­Петербургском 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 его практического применения.

Структурная схема ПК Anchored Structures

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 Pre­processor 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.

Сертификат Регистра
судоходства РФ

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.

Геометрические модели баржи и АПК

Плавучий затвор судопропускного сооружения С-1 КЗС СПб от наводнений

В целом возможности ПК Anchored Structures позволяют:

• с использованием геометричес­кой 3D­модели 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, амплитудно­частотные характеристики, спектры колебаний, распределение плотности вероятностей амплитуд колебаний, экстремальные динамические параметры колебаний для нерегулярного волнения заданной обеспеченности.

Разработанные методологии математического моделирования поведения морских плавучих объектов, реализованные в программном комплексе Anchored Structures, одобрены Российским морским регистром судоходства (сертификаты 1997 г., 2002 г., 2007 г., 2012 г.) и используются рядом известных научно­исследовательских и проектных организаций: ОАО ЦКБ МТ «Рубин», ОАО ЦКБ «Коралл», ФГУП «Крыловский государственный научный центр», ООО «ЛУКОЙЛ­Инжиниринг», ОАО «ПО Севмаш», ОАО ЦКБ «Монолит» и др.

За последние 15 лет с использованием данного программного комплекса реализовано большое число значимых проектов. Описание нескольких из них приведено в данной публикации.

В 2001 году в рамках комплекса НИОКР по теме «Обеспечение подъема АПК «Курск» СПбПУ была поручена «Разработка методики и программных средств для обеспечения расчетов динамики подъема и транспортировки АПК».

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 предполагалось, что в подготовленные вырезы будут заведены захваты, и с помощью домкратов будет создано 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 10­20 ч. За этот период погодные условия и связанные с ними внешние воздействия обычно заметно изменяются, поэтому на исход операции решающее влияние могли оказать динамические эффекты.

Накатка ВСП «Хаттон» на опорное основание платформы «Приразломная»

Основной задачей работы, которая выполнялась 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 требуемых 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 счете, обеспечить адекватную оценку динамики подъема и транспортировки АПК при различных гидрометеорологических условиях с учетом принятия тех или иных альтернативных инженерных решений.

При выполнении данного проекта с помощью ПК Anchored Structures 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 ото дна;
• моделирование динамики АПК и баржи в момент отрыва АПК ото 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.

На основе математического моделирования были выполнены конструкторские проработки и определены погодные условия, в которых можно было проводить операцию подъема. Полученные результаты были всесторонне проверены на экспериментальных установках в ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. Как известно, подъем АПК «Курск» был успешно завершен 8 октября 2001 года. И одним из факторов, определивших удачное завершение операции [2], явилось выполнение обширных исследований всех этапов операции теоретическим и экспериментальным путем.

На базе разработанного программного комплекса можно создавать сложные модели, синтезирующие возможности описанных выше методологий с результатами, получаемыми из других программных комплексов. Примером такой технологии является разработанный способ решения задачи о динамике двустворчатого плавучего затвора с сегментными батопортами, входящего в состав судопропускного сооружения С­1 Комплекса защитных сооружений (КЗС) Санкт­Петербурга от наводнений.

Моделирование поведения системы «СМЛОП — танкер — буксир»

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 пространственно­временному закону на порог и находиться в этом положении в устойчивом состоянии, перекрывая собой судопропускной канал С­1. Посадка батопорта на порог должна осуществляться путем заполнения водой балластных цистерн, а всплытие — за счет удаления из них воды.

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

Однако сложность моделирования поведения плавучего затвора в большой степени оказалась связанной с течением жидкости под батопортами. Для адекватного описания их поведения постановка задачи обтекания в идеальной жидкости, свойственная Anchored Structures, была явно недостаточна. В связи с этим в СПбПУ в Лаборатории прикладной математики и механики на многопроцессорном кластере было выполнено комплексное моделирование процессов обтекания вязкой жидкостью створок батопорта [3] с помощью программного комплекса CFX.

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 Санкт­Петербург от нескольких наводнений.

ПК Anchored Structures использовался также для математического моделирования накатки верхнего строения платформы (ВСП) «Хаттон» на опорное основание платформы, созданной для освоения месторождения «Приразломное» [5].

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.

Опорное основание морского ветрогенератора

Результаты математического моделирования использовались для обеспечения необходимого уровня безопасности данной операции. Успешно проведенная в сентябре 2006 года силами ПО «Севмашпредприятие» с участием российских и зарубежных соисполнителей операция накатки показала, что принятые основные технические решения, основанные, в том числе, и на представленных авторами результатах математического моделирования, себя оправдали.

Математическое моделирование морских операций, связанных с погрузкой нефти, выполнялось авторами совместно с инженерами ОАО «ЦКБ Коралл» в 2005 году. В процессе реализации этой операции стационарный морской ледостойкий отгрузочный причал (СМЛОП) в районе Варандея, отгрузочный шланг, танкер и удерживающий его буксир должны были находиться в непрерывном взаимодействии, динамические аспекты которого во многом определяли условия обеспечения допустимого уровня надежности.

Математическое моделирование было направлено на изучение поведения танкеров дедвейтом 70 000 и 20 000 т, при стоянке в ошвартованном состоянии у причала в процессе отгрузки нефтепродуктов [6]. Предполагалось, 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».

Кроме того, на основании проведенного теоретического исследования получены результаты, позволяющие определить условия, при которых обеспечивается ­безопасность выполнения операций по перегрузке нефти со СМЛОП, и определены оптимальные режимы взаимодействия танкера, вспомогательного судна и швартовой системы для максимального расширения погодных условий, при которых гарантируется безопасность отгрузки нефтепродуктов. Затем полученные результаты были проверены с помощью физического эксперимента. В 2008 году этот самый северный в мире круглогодичный стационарный морской ледостойкий отгрузочный причал был введен в эксплуатацию и успешно функционирует до настоящего времени.

Методология математического моделирования поведения объектов с помощью ПК Anchored Structures использовалась ОАО «ЦКБ МТ Рубин» при подготовке концептуального проекта опор морского ветрогенератора [7], выполнявшегося по заказу фирмы Bard. Анализ опорной конструкции морского ветрогенератора в различных предельных состояниях предусматривал генерацию различных сочетаний внешних воздействий, при которых необходимо было рассчитывать внешние нагрузки и оценивать поведение конструкции в этих условиях. Обычно подобное исследование оказывается достаточно трудоемким, поскольку велико число сочетаний параметров внешних воздействий, подлежащих учету и последующему изучению. В частности, необходимо составлять сочетания внешних воздействий от ветра, течения, волнения при различной их обеспеченности, разном уровне моря, при возможных направлениях действия и ожидаемых временных параметрах внешних нагрузок. Нередко подобное исследование обусловливает необходимость анализа от сотен до тысяч расчетных случаев. В этих условиях для обеспечения процесса проектирования использование апробированных программных средств, позволяющих быстро выполнять необходимые расчеты внешних нагрузок, является оптимальным решением. В данном случае с помощью ПК Anchored Structures определялись нагрузки от течения, ветра и волн конечной высоты. Взаимодействие донных грунтов с погруженными в них опорами ветрогенератора рассчитывалось в ПК Plaxis. Жесткостные характеристики реакции грунтов интегрировались в программный комплекс. В дальнейшем с помощью Anchored Structures определялись суммарные нагрузки на элементы конструкции опор ветрогенератора, выполнялся первоначальный анализ динамики элементов конструкции и на этой основе оптимизировались геомет­рические и массовые параметры всего сооружения.

В настоящее время несколько десятков морских ветрогенераторов, спроектированных согласно выполненной концептуальной разработке, установлены и успешно работают в Северном море (фото из корпоративного журнала фирмы Bard от 03.2010).

Программный комплекс Anchored Structures используется также в учебном процессе инженерно­строительного института Политехнического университета. Согласно концепции подготовки современной генерации инженеров­строителей [8], на платформе этого комплекса для магистров, специализирующихся в области проектирования и строительства морских сооружений, проводится практикум по освоению основных возможностей этого комплекса и выполнению учебных проектов по математическому моделированию поведения морских сооружений под действием внешних нагрузок. 

Литература

1. Большев А.С., Фролов С.А., Кутейников М.А. Математичес­кое моделирование поведения морских плавучих объектов в программном комплексе Аnchored Structures // Науч.­техн. сб. Российского морского регистра судоходства., 2013. № 36. С. 68­90.
2. Баранов И.Л. и др. Математическое моделирование динамики подъема и транспортировки АПК «Курск», Научно­технические ведомости СПбГПУ, № 1, 2002. С.107­119.
3. Большев А.С., Климович В.И., Чернецов В.А., Петухов Е.П. Исследования гидродинамичес­ких воздействий и доработка системы мягкой посадки батопортов плавучего затвора C­1 комплекса защитных сооружений Cанкт­Петербурга от наводнений, Известия ­ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. 2013. Т. 268. с. 85­116.
4. Большев А.С., Чернецов В.А., Фролов С.А., Филиповская Т.В. Система мягкой посадки плавучего затвора судопропускного сооружения С­1 комплекса защитных сооружений Санкт­Петербурга от наводнений // Инженерно­строительный журнал. 2012. № 9. С.103­112.
5. Большев А.С., Торопов Е.Е., Фролов С.А. Математическое моделирование процесса накатки верхнего строения на опорное основание морской платформы Приразломного нефтяного месторождения // Гидротехническое строительство. 2007. № 5. С. 70­75.
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 // Гидротехническое строительство. 2007. № 5. С. 31­36.
8. Альхименко А.И., Большев А.С., Ватин Н.И. Подготовка нового поколения инженеров­строителей Науч­но­технические ведомости СПбГПУ, № 1, СПб, изд. СПбГПУ, 2007 г. С.74­79.

САПР и графика 6`2015