ANALYSIS OF SHIP STABILITY IN CONDITIONS OF WAVE RUN-UP OF THE SHIP BOW
Authors:
1.
Baltic Fishing Fleet State Academy of Kaliningrad State Technical University
(Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department of Navigation and Maritime Safety)
Type:
Article
Pages:
from 7
to 13
Status:
Published
Received:
20.05.2018
Accepted:
25.05.2018
Published:
25.05.2018
Subject area:
UDK 629.5.015.4
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Language:
Russian
Keywords:
ship bow, wave run-up, stability loss, statical stability diagram, metacentric height
Abstract (English):
Among all types of wrecking in the world shipping, stability loss stands out for the severity of its consequences, because it is often accompanied by the death of the crew. One of the reasons for the stability loss is wave run-up of the ship bow during the storm in a head sea. The article analyzes the level of danger of hydrodynamic loads acting on the deck at the bow in conditions of its wave run-up. Theoretical study has been undertaken on the transformation of the statiсal stability diagram during the wave run-up of the ship bow. It was found out that that the nature of change in the curves of the anti-tipping moment with the increase in the hydrodynamic load acting on the bow is dependent on the ship displacement. There has been investigated the effect of the initial transverse metacentric height on the value of critical load acting on the ship deck at the bow which causes its capsizing. It can be seen that displacement of the application point of the resultant hydrodynamic forces from the midship line leads to a significant decrease of the critical load. The results of the undertaken studies testify to the need to take into account ship behavior in the developed head sea at the stage of design and regulation of ship stability, as well as during ship operation.
Among all types of wrecking in the world shipping, stability loss stands out for the severity of its consequences, because it is often accompanied by the death of the crew. One of the reasons for the stability loss is wave run-up of the ship bow during the storm in a head sea. The article analyzes the level of danger of hydrodynamic loads acting on the deck at the bow in conditions of its wave run-up. Theoretical study has been undertaken on the transformation of the statiсal stability diagram during the wave run-up of the ship bow. It was found out that that the nature of change in the curves of the anti-tipping moment with the increase in the hydrodynamic load acting on the bow is dependent on the ship displacement. There has been investigated the effect of the initial transverse metacentric height on the value of critical load acting on the ship deck at the bow which causes its capsizing. It can be seen that displacement of the application point of the resultant hydrodynamic forces from the midship line leads to a significant decrease of the critical load. The results of the undertaken studies testify to the need to take into account ship behavior in the developed head sea at the stage of design and regulation of ship stability, as well as during ship operation.
Keywords:
ship bow, wave run-up, stability loss, statical stability diagram, metacentric height
ship bow, wave run-up, stability loss, statical stability diagram, metacentric height
Потеря остойчивости судна, приводящая к опрокидыванию, представляет серьезную угрозу для безопасности мореплавания, поскольку нередко вследствие быстрого развития аварийной ситуации гибнет экипаж [1-3]. По данным аварийной статистики ежегодно из-за потери остойчивости гибнут десятки судов различных размеров и водоизмещений. Установить причины развития подобных аварий весьма затруднительно, т. к. ни свидетелей этих аварий, ни самих объектов, как правило, не остаётся. И только в отдельных случаях представляется возможным достоверно оценить ситуацию, приведшую к развитию аварии. Всесторонний анализ подобных аварий позволяет сделать правильные выводы, разработать меры, которые помогут избежать подобных катастроф в дальнейшем. Однако при расследовании большинства подобных трагедий их основной причиной чаще всего называют человеческий фактор, в то время как другие, более важные причины оказываются вне поля зрения. «Опрокидывание представляет опасность не только для малых судов. Даже крупные морские транспортные суда не гарантированы от этой опасности… <…> Одними только методами статистических исследований невозможно решить все вопросы нормирования остойчивости. Основой нормирования остойчивости должно служить изучение физической сущности явлений, сопровождающих воздействие на судно внешних сил» [4, с. 191-192]. Одним из таких явлений является захват волной носовой оконечности судна во время шторма. Этой проблеме уже посвящен ряд работ [5-8], но она является более масштабной, чем представлялось ранее. Настоящая статья посвящена дальнейшему исследованию поведения судна в штормовом море. В статье анализируется степень опасности гидродинамических нагрузок, воздействующих на палубу судна в носовой оконечности в условиях её захвата волной. Трансформация диаграммы статической остойчивости при захвате волной носовой оконечности судна Экспериментальные исследования, результаты которых представлены в [9], подтвердили резкое падение поперечной метацентрической высоты при захвате волной носовой оконечности судна. При этом возникают гидродинамические нагрузки, которые действуют на палубу судна в носовой оконечности, и это обуславливает трансформацию диаграммы статической остойчивости судна. Было показано, что при гидродинамическом давлении на палубу в носовой оконечности диаграмма статической остойчивости значительно трансформируется и, при значениях , где D - водоизмещение судна, судно переворачивается. Представляется важным исследовать влияние поперечной метацентрической высоты на поведение судна в условиях захвата волной его носовой оконечности. В настоящей работе для этого была использована компьютерная программа, позволяющая рассчитывать характеристики остойчивости судна для различных условий его загрузки на основании данных теоретического чертежа. Для различных значений начальной поперечной метацентрической высоты были построены диаграммы статической остойчивости в условиях захвата волной носовой оконечности судна при изменении величины гидродинамической нагрузки. На рис. 1 и 2 показана трансформация диаграммы статической остойчивости для двух значений поперечной метацентрической высоты (h0) при различных водоизмещениях судна (D). Из рисунков видно, что в зависимости от условий загрузки судна трансформация диаграмм статической остойчивости происходит по-разному. Рис. 1. Трансформация диаграммы статической остойчивости в условиях захвата волной носовой оконечности судна при h0 = 0,25 м и D = 4 352 т: P - гидродинамическая нагрузка, действующая на палубу судна в носовой оконечности; А - точка касания диаграммы статической остойчивости и оси х Рис. 2. Трансформация диаграммы статической остойчивости в условиях захвата волной носовой оконечности судна при h0 = 0,5 м и D = 8 000 т При с увеличением нагрузки, действующей на носовую оконечность судна в условиях захвата волной, начальная поперечная метацентрическая высота становится отрицательной. Однако, начиная с некоторого угла крена, восстанавливающий момент возрастает и достигает положительных значений, если величина гидродинамической силы, действующей на носовую оконечность, не превышает некоторого значения . В этом случае критической силой считалась сила, при действии которой вершина диаграмм статической остойчивости (точка А) достигала нулевых значений. Это значение является предельным значением гидродинамической силы, при котором обеспечивается статическая остойчивость судна в условиях захвата волной. Для обеспечения динамической остойчивости необходимо, чтобы площадь, ограниченная кривой восстанавливающего момента и осью абсцисс при значениях θ от 0 до первого пересечения с осью абсцисс (отрицательная область диаграммы), была равна площади при значениях θ, изменяющихся от первого до второго пересечения кривой восстанавливающего момента с указанной осью (положительная область диаграммы). Значение нагрузки, при которой наблюдается равенство указанных площадей, обозначим . Вопрос о её определении будет подробно рассмотрен ниже. При D = 8 000 т увеличение гидродинамической силы приводит к тому, что начальная поперечная метацентрическая высота становится отрицательной, а кривая восстанавливающего момента превращается в монотонно убывающую, и в этом случае можно считать, что . На основании анализа графиков, аналогичных представленным на рис. 1 и построенных для различных значений поперечной метацентрической высоты, можно сделать вывод о том, что её повышение увеличивает критическую нагрузку , ведущую к перевороту судна. Нетрудно оценить этот эффект и количественно (рис. 3) для водоизмещения D = 4 352 т. Рис. 3. Зависимость критической силы от поперечной метацентрической высоты при D = 4 352 т Видно, что критическая сила практически прямо пропорционально зависит от метацентрической высоты. Подобная зависимость может быть получена и для . На основании диаграмм, подобных представленной на рис. 2, могут быть построены графики изменения критического значения гидродинамической силы в зависимости от начальной поперечной метацентрической высоты для водоизмещения D = 8 000 т, аналогичные рис. 3. Влияние смещения равнодействующей гидродинамических сил на остойчивость судна Следует отметить, что опрокидывание судна может произойти и при меньших значениях нагрузки, чем это следует из рис. 3, т. к. гидродинамическое давление приложено не строго в диаметральной плоскости, вследствие чего одновременно с давлением на палубу в носовой оконечности оно создаёт и кренящий момент , (1) где P - гидродинамическая сила, действующая на носовую оконечность; ε - отстояние равнодействующей всех сил гидродинамического давления P от диаметральной плоскости. Представленные на рис. 3 значения Pкрит, при которых диаграмма статической остойчивости касается оси абсцисс в точке A, соответствуют опрокидыванию судна при его статическом накренении под действием бесконечно малого внешнего момента для водоизмещения D = 4 352 т. При водоизмещении D = 8 000 т и отрицательной начальной поперечной метацентрической высоте восстанавливающий момент практически монотонно убывает с увеличением угла крена, что соответствует опрокидыванию судна под действием малых возмущающих сил. При этом точка касания диаграммы и оси абсцисс, аналогичная точке A, в этом случае отсутствует. В реальной ситуации при захвате волной носовой оконечности судна равнодействующая сил давления будет приложена к палубе в носовой оконечности не строго в диаметральной плоскости, а на некотором расстоянии ε от неё. Обозначим через MОКР величину опрокидывающего кренящего момента, вычисляемого по формуле (1), которая соответствует опрокидыванию судна в случае статического нагружения. Кренящий момент, приводящий к опрокидыванию судна в случае статического нагружения (MОКР), соответствует горизонтальной прямой, касательной к диаграмме статической остойчивости для данного усилия, действующего на носовую оконечность судна при её захвате волной (рис. 4, 5). Рис. 4. Влияние смещения равнодействующей гидродинамических сил от диаметральной плоскости на её критическую величину при D = 4 352 т Рис. 5. Влияние смещения равнодействующей гидродинамических сил от диаметральной плоскости на её критическую величину при D = 8 000 т Так, на рис. 4 соответствующие построения выполнены для P = 0,09 ∙ D, а на рис. 5 - для P = 0,1∙ D. Тогда величина предельного смещения ε равнодействующей сил давления, при превышении которой судно опрокинется, может быть определена из условия , (2) где Pε - значение гидродинамической силы, вызывающей опрокидывание судна при отклонении точки её приложения на величину ε от диаметральной плоскости при статическом приложении. При рассмотрении динамической остойчивости судна, первоначально находящегося в прямом положении, предельное значение кренящего момента , при превышении которого судно опрокинется, можно найти из равенства заштрихованных площадей на рис. 4 и 5. В этом случае предельно допустимое смещение точки приложения гидродинамической силы от диаметральной плоскости: , (3) где - значение гидродинамической силы, вызывающей опрокидывание судна при отклонении точки её приложения на величину ε от диаметральной плоскости при динамическом приложении. Таким образом, по формулам (2) и (3) могут быть определены значения допускаемого смещения равнодействующей гидродинамических сил для их различной величины. Соответствующие графические зависимости представлены на рис. 6. Рис. 6. Зависимость предельного значения гидродинамической силы от её смещения относительно диаметральной плоскости при обеспечении: статической остойчивости для D = 4 352 т (а); динамической остойчивости для D = 4 352 т (б) Таким образом, фактическое усилие, при котором судно может потерять поперечную остойчивость, может быть существенно меньше того, что представлено на рис. 3. Исследование статической остойчивости судна показало, в частности, что при водоизмещении и при (рис. 6) к опрокидыванию судна приведёт нагрузка, составляющая примерно половину от определённой по графику, представленному на рис. 3. Для водоизмещения при таком же смещении равнодействующей от диаметральной плоскости эта нагрузка составляет менее . Исследование динамической остойчивости судна при D = 8 000 т показало, что при фактическая критическая сила, ведущая к опрокидыванию судна при обеспечении динамической остойчивости, составляет около . Для судна с водоизмещением D = 4 352 т (рис. 6, б) при том же смещении равнодействующей динамическая остойчивость обеспечивается при нагрузке, составляющей примерно . Следует отметить, что при малых метацентрических высотах фактическое усилие, при котором судно теряет поперечную остойчивость, составляет весьма малые значения, находящиеся на уровне погрешности определения водоизмещения судов. Заключение Результаты представленных исследований свидетельствуют о необходимости учёта особенностей поведения судна на развитом встречном волнении при проектировании и эксплуатации судов, а также при нормировании их остойчивости. В связи с этим весьма актуальной является разработка конструктивных мероприятий, повышающих безопасность судна при возникновении угрозы захвата волной его носовой оконечности.
1. Watanabe I., Ohtsubo H. Analysis of the accident of the MV Nakhodka. Part 1. Estimation of wave loads // Marine Science and technology. Springer. 1998. Vol. 3. No. 4. Pp. 171-180.
2. Yao T., Sumi Y., Takemoto H., Kumano A., Sueoka H., Ohtsubo H. Analysis of the accident of the MV Nakhodka. Part 2. Estimation of the structural strength // Marine Science and technology. Springer. 1998. Vol. 3. No. 4. Pp. 181-193.
3. Paik J. K., Faulkner D. Reassessment of the M. V. Derbyshire sinking with the focus on hull-girder collapse // Marine Technology. 2003. Vol. 40. No. 4. Pp. 258-269.
4. Aksyutin L. R., Blagoveschenskiy S. N. Avarii sudov ot poteri ostoychivosti. L.: Sudostroenie, 1975. 200 s.
5. Burakovskiy E. P., Burakovskiy P. E., Nechaev Yu. I., Prohnich V. P. Upravlenie i prinyatie resheniy pri kontrole ekspluatacionnoy prochnosti sudna na osnove sovremennoy teorii katastrof // Morskie intellektual'nye tehnologii. 2013. № 1 (19). S. 7-14.
6. Burakovskiy E. P., Burakovskiy P. E., Nechaev Yu. I., Prohnich V. P. Problemy kontrolya dinamiki sudna v ekstremal'nyh situaciyah na osnove metodov sovremennoy teorii katastrof // Morskoy vestnik. 2013. № 1 (45). S. 89-95.
7. Burakovskiy E. P., Burakovskiy P. E. Nekotorye problemy obespecheniya obschey prochnosti sudov v chrezvychaynyh situaciyah // Tr. Krylov. gos. nauch. centra. 2014. Vyp. 82 (366). S. 21-30.
8. Burakovskiy E. P., Burakovskiy P. E. Scenarii gibeli nefterudovoza MV «Derbyshire» // Morskie intellektual'nye tehnologii. 2017. № 3 (37). T. 1. S. 17-22.
9. Burakovskiy E. P., Burakovskiy P. E. K voprosu o scenarii gibeli sudov vo vremya shtorma vsledstvie zahvata volnoy ih nosovoy okonechnosti // Morskie intellektual'nye tehnologii. 2017. № 4 (38). T. 2. S. 27-33.
