Ansys Aqwa при моделировании формы корабля

Проектирование кораблей — сложный процесс, поскольку суда являются одними из самых массивных и механически сложных движущихся конструкций в мире. Суда должны надежно работать в неблагоприятных условиях и соответствовать строгим стандартам. Инженерные требования особенно важны при проектировании рабочих судов для работы в гавани и на открытой воде, например, для подъема, дноуглубительных работ, строительства, укладки труб и других морских операций.

Корпус и внутренние элементы конструкции должны обладать приемлемыми мореходными и прочностными свойствами. Кроме того, палубные механические узлы, такие как краны, должны обеспечивать достаточную прочность и надежность, чтобы эффективно работать, даже когда волны качают судно.

/   О компании

Компания VER (Vuyk Engineering Rotterdam) обслуживает морскую отрасль по всему миру, предоставляя консультационные и инженерные услуги по проектированию судов и оборудования, морским операциям и надзору за строительством. С 2002 года компания использует исключительно программное обеспечение Ansys Mechanical для прочностного анализа при определении распределения напряжений, упругой деформации, сил реакции и усталости компонентов. Инженеры используют Ansys и для других видов детального анализа, таких как расчет вибрации и ударных нагрузок одной конструкции при столкновении с другой.
 
А в 2007 году VER внедрила программное обеспечение Ansys Aqwa для расчета гидродинамических движений и нагрузок на корпуса судов для анализа прочности и усталости.
 
Ansys Aqwa можно использовать для определения реакции судна на волновые условия окружающей среды. Такие возможности необходимы для изучения критически важных эксплуатационных деталей, таких как раскачивание груза при его подъеме, относительное движение пришвартованного судна и взаимодействие соседних судов, а также способность корабля удерживать заданное положение при сильном волнении. Возможность беспрепятственного обмена данными между продуктами Ansys Aqwa и Ansys Mechanical имеет решающее значение при выполнении анализа в приложениях, в которых поведение конструкции тесно связано с гидродинамическими эффектами.

До лицензирования Ansys Aqwa компания VER использовала элементарное программное обеспечение для двухмерной теории полос. Этот метод расчета имел ограничения, так как он был применим только для узкого диапазона традиционных корпусов кораблей и не подходил для расчетов чистой волновой нагрузки или анализа движения нескольких тел. В этих случаях VER отдавала работу стороннему исследовательскому центру или университету.

Выполнение работы собственными силами с помощью программного обеспечения Ansys Aqwa дает инженерам больший контроль над гидродинамическим анализом и лучшее понимание поведения судна. Кроме того, команда конструкторов может выполнять итерации намного быстрее, варьируя параметры для сравнения альтернатив и оптимизации проектов. Благодаря собственному динамическому анализу движения во временной области компания VER входит в число лидеров морской отрасли и укрепляет конкурентоспособность компании как поставщика инженерных услуг.

/   Реализация проекта по повышению грузоподъемности

В одном из недавних проектов инженеры VER использовали инструменты Ansys для повышения грузоподъемности крана Matador 3 — самоходного плавучего крана, используемого для подъема тяжелых грузов в доках морского порта Роттердама, а также для морских строительных проектов, операции по устранению последствий кораблекрушений на открытой воде, а также строительство мостов и шлюзов вдоль внутренних рек и каналов. Блок Matador состоит из двух шарнирных регулируемых А-образных конструкций с подъемной стрелой, удерживаемой на месте сетью тросов, протянутых через шкивы палубы и управляемых главными силовыми лебедками на основании понтонной платформы. Один из самых больших плавучих мачтовых кранов в мире, Matador 3, принадлежащий и управляемый Bonn & Mees, имеет максимальную высоту и радиус действия 70 метров. Два подъемных блока в самой верхней точке каждой конструкции поднимаются и опускаются тросами и лебедками для подъема груза. В качестве альтернативы можно использовать А-образную раму с четырьмя блоками для подъема.

Целью проекта модернизации было увеличение грузоподъемности стрелы с 600 до 900 тонн. Инженеры добились этого, увеличив количество шкивов, используемых на корабле для прокладки тросов к двум стреловым подъемникам, а также шкивов для удержания А-образных рам на месте. Инженеры использовали программное обеспечение Ansys Mechanical для оптимизации несущей способности стрелы путем моделирования подъемной рамы с балочными элементами и расчета сил реакции в точках шарнира и напряжений во всех элементах конструкции. Путем параметризации модели команда смогла быстро ввести различные угловые переменные для создания кривых подъемной силы, вылета и грузоподъемности для Matador.

В отдельных анализах Ansys Aqwa использовался для изучения движений и нагрузок на подъемную конструкцию, когда волны различной высоты и частоты воздействуют на судно под разными углами. В этих исследованиях конструкция судна и крана моделировалась отдельно от поднимаемой конструкции, а затем объединялась с моделями соединительных тросов в гидродинамическую модель с несколькими телами. Инженерная группа определила рабочий диапазон конструкции с учетом пропускной способности и точности позиционирования.
 
VER также выполнила исследования для отдельных проектов в открытых водах, в том числе анализ движения для различных волновых сценариев Матадора во время подъема, транспортировки и установки ветряной высоковольтной станции в Северном море. ПО Ansys Aqwa использовалось для определения максимальной высоты волны, допустимой для различных периодов волны (времени между гребнями волн) и направлений. Используя моделирование из исследования, операторы смогли согласовать график работы корабля с прогнозами погоды для 12-часовой поездки из гавани в место на открытой воде, чтобы безопасно транспортировать секции ветряной турбины, расположить судно и поднять фундамент в место с платформой наверху. Чтобы описать клиенту строгий метод исследования, VER сослалась на возможности Ansys Aqwa и включила в отчет клиента графические и табличные выходные данные программного обеспечения.

/   Реализация проекта по предварительному моделированию

В другом исследовании инженеры использовали программное обеспечение Ansys Mechanical и Ansys Aqwa для одностороннего связанного моделирования, в котором гидродинамические нагрузки давления на внешнюю часть корпуса судна, рассчитанные с помощью программного обеспечения Ansys Aqwa, были переданы непосредственно в Ansys Mechanical для определения поведения конструкции. В частности, исследование было предназначено для проверки продольного изгиба критической области миделя корпуса, расчета общего воздействия балок корпуса на кормовой и носовой части и предоставления подробного анализа напряжений для оценки усталости балок.

Сначала инженеры создали конечноэлементную модель для Ansys Mechanical, используя элементы оболочки. Модель включала в себя все основные части корабля, такие как внешний контур корпуса, балки и базовую надстройку. Это представляло только базовую геометрию и распределение массы, поэтому расчет можно было провести на ранних стадиях базовой конструкции судна, на завершение которой уходит около пяти месяцев. Таким образом, результаты этого предварительного моделирования могут быть использованы в качестве исходных данных для общей конструкции корабля.

Затем с помощью программного обеспечения Ansys Aqwa был выполнен трехмерный дифракционный анализ для определения распределения давления по всему периметру корпуса от нагрузок, создаваемых волнами на борту судна, а также связанных с ним движений судна. Геометрия конечно-элементного корпуса послужила основой для дифракционной модели, обеспечив совместимость между конечно-элементным и дифракционным анализом.
 
Инженеры VER объединили волновые нагрузки и нагрузки стоячей воды из Ansys Aqwa в набор нагрузок, представляющий общее давление воды на корпус. Затем эти данные использовались в Ansys Mechanical для определения напряжения и потери устойчивости несущих балок. В этом моделировании инженеры обнаружили концентрацию напряжений в основной палубе позади бункера. Усиление конструкции в этом районе было достигнуто за счет добавления более толстых плит настила и дополнительных балок. Последующий анализ усталости модифицированной конструкции подтвердил достоверность окончательной конструкции.

В отдельном проекте совместное моделирование использовалось при анализе конструкции балки корпуса уникального и очень большого двухносового судна Pieter Schelte, которое в настоящее время находится в стадии окончательного проектирования и которое должно было стать крупнейшим в мире трубоукладочным судном. Корабль будет иметь длину около 1250 футов и ширину 380 футов. Из-за значительного отношения высоты к длине каждой носовой части традиционные правила проектирования судов неприменимы к этому двухносовому судну. Таким образом, использование технологии Ansys Aqwa было выгодным, поскольку гибкость программного обеспечения позволяла настраивать его.