Расчет статики, динамики и оптимизации заякоренного

↑

▷ Содержание

Стр 1 из 13Следующая ⇒

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого»

----------------------------------------------------------------------------------------------------  

ИНЖЕНЕРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ

Кафедра «Водохозяйственное и гидротехническое строительство»

Курсовая работа

Расчет статики, динамики и оптимизации заякоренного

плавучего сооружения с использованием

программного пакета «Anchored Structures» (AS)

по дисциплине

Математическое моделирование

Выполнил

студент гр.13141/1                                                                                        Дайнеко А.Ю.

Руководитель

доцент, к.т.н.                                                                                                 Фролов С.А.

«__» ____________ 2019 г.

Санкт-Петербург

Содержание

Исходные данные. 3

Задание геометрической формы объекта. 4

Статика. 7

1.     Начальная балластировка сооружения. 7

2.     Расчет метацентрической высоты сооружения. 10

3.     Расчет площади сечения смоченной поверхности и ее центра. 11

4.     Ветровое обтекание. 11

5.     Расчет системы заякорения. 12

6.     Задание экстремальных статических нагрузок. 14

7.     Оптимизация якорной системы под экстремальную нагрузку. 16

Динамика. 21

1.     Расчет гидродинамических характеристик. 21

2.     Проверка собственных частот сооружения. 24

3.     Задание экстремальных штормовых условий для объекта (регулярное волнение)... 25

4.     Задание экстремальных штормовых условий для объекта (нерегулярное волнение) 30

5.     Задание шторма для рабочего режима бурения. 35

Экстремальных штормовых условий для объекта (регулярное волнение). Шторм 10 баллов 39

Экстремальных штормовых условий для объекта (нерегулярное волнение). Шторм 10 баллов 39

Заключение. 41

Список использованных источников. 42

Приложения. 43

Приложение 1. 43

Приложение 3. Отчет статика. 45

Приложение 3. Отчет динамика – Задание экстремальных штормовых условий для объекта (регулярное волнение) 49

Приложение 4. Отчет динамика – Задание экстремальных штормовых условий для объекта (нерегулярное волнение) 56

Приложение 5. Отчет динамика – Задание шторма для рабочего режима бурения. 64

Исходные данные

Необходимо произвести расчет статики, динамики и оптимизацию заякоренного плавучего сооружения с использованием программного пакета «Anchored Structures» (AS). Для расчета статики необходимо:

· задать форму объекта без верхнего строения с использованием геометрических примитивов;

· произвести балластировку сооружения;

· проверить метацентрическую высоту (не хуже 1,5 м);

· рассчитать площадь сечения смоченной поверхности и ветровое обтекание;

· задать и оптимизировать якорную систему.

Риc. 1 – Исходные данные.

Размеры увеличены на 10%

Глубина акватории 250 м

Заякорение: провисающие связи

Задание геометрической формы объекта

По исходным данным было задано сооружение (тримаран) с помощью программы AutoCAD.

Была подготовлена геометрическая модель сооружения. Основная нижняя плоскость объекта лежит в плоскости YX. Центр симметрии объекта расположен в точке 0,0,0. После на поверхности модели была создана сеть. Далее модель была разбита на 3D грани. Координаты всех вершин объекта были сохранены в файл coordinates.txt. Далее был произведен импорт геометрии из AutoCAD в Anchored Structures.

Риc. 2 – Геометрическая модель сооружения, 3D грани.

Верхнее строение в виде параллелепипеда задано в AS. Высотой 15 м и размерами в 80% от размеров палубы (80м*78м).

Риc. 3 – Задание верхнего строения в AS.

Также в AutoCAD была рассчитана масса, центр тяжести корпуса и его моменты инерции относительно ц.т., приняв условную толщину металлических стенок 30 мм, а плотность металла 7850 кг/куб.м.

Полученные значения массы и моментов инерции были увеличены в 1,5 раза, чтобы учесть переборки и ребра жесткости в корпусе сооружения. Масса и координаты ц.т. корпуса сооружения, а также моменты инерции (относительно ц.т.).

Расчет массы сооружения:

М = М_{автокад}·ρ_стали·1,5 = 1099,78·7,85·1,5 = 12949,93 т.

Расчеты моментов инерции.

Х: = 2 250 427,071·1,5·7,85 = 26 498 778,76 т·м² = 2,65·10⁷ т·км².

Y: = 2 225 109,648·1,5·7,85 = 26 200 666,11 т·м² = 2,62·10⁷ т·км².

Z: = 3 634 996,037·1,5·7,85 = 42 802 078,34 т·м² = 4,28·10⁷ т·км².

После в AS были заданы масса и координаты ц.т. корпуса сооружения, а также моменты инерции (относительно ц.т.).

Риc. 4 – Задание параметров сооружения.

Z центра тяжести и моменты инерции исправлены.

Была создана имитация массы и инерции верхнего строения балластной цистерной полного заполнения в виде параллелепипеда высотой 15 м, расположив ее на палубе внутри и по центру верхнего строения.

 Риc. 5 – Задание имитации массы верхнего строения (Параллелепипед 2).

Статика

1.Начальная балластировка сооружения

Была произведена балластировка сооружения. Задана форма и размеры балластных цистерн и их положение в корпусе сооружения. Балластные цистерны располагаются в корпусах понтонов. Размеры цистерн неполного заполнения в плане – не более 20% длины сооружения, цистерны находятся в колоннах. В понтонах располагаются цистерны полного заполнения.

Риc. 6 – Задание формы и размера балластных цистерн.

Характеристики балластных цистерн приведены в таблице 1.

Таблица 1 –Характеристики балластных цистерн.

Верхнее строение

Баластные цисцетры полного заполнения

Баластные цисцерны неполного заполнения

Паралелепипеды

Цилиндры

x ц.т,м

-62

x ц.т,м

-62

y ц.т,м

-36

-36

y ц.т,м

-36

-36

z ц.т,м

62,5

3,75

3,75

3,75

z ц.т,м

Длина по Х, м

Ширина по Y,м

20,3

Экв. диаметр, м

Высота по Z, м

7,5

7,5

7,5

Высота, м

Объем, м3

6394,5

1267,5

1267,5

1267,5

Объем, м3

2849,6

2849,6

2849,6

Общий объем, м3

6394,5

3802,5

8548,7

Суммарная масса баластов полного заполнения с В.С.,т

10451,9

2044,1

Масса баласстных цисцерн неполного заполнения равена разности суммарной массы баласта и массы балластов полного заполнения с верхним стоением :

=12496-10451,9 = 2044,1 т.

% заполнения балластных цистерн неполного заполнения равен отношению его реальной массы к общему объему балластных цисцерн неполного заполнения.

=23,91%

Заполнение по цистернам неполного заполения:

Итого 3 баластных цистерн неполного заполения массой по 681,36 т каждая.

Координаты центра тяжести сооружения представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Координаты центра тяжести сооружения

Масса, т

ц.т.z, м

Корпус (без верхнего строения)

12 950

37,27

Верхнее строение

6554,4

62,50

Корпуса + верхнее строение

19504,4

45,70

Нижний балласт

5941,6

7,10

Тримаран

25446,0

36,72

где 55,0 – высота сооружения.

 – координата, рассчитанная в программе

Масса верхнего строения (21*20,3*15 = 6554,4 т – 21% от водоизмещения (29970 м³)) задана максимально возможной при данной осадке и водоизмещении сооружения, учитывая устойчивость сооружения (метацентрическая высота не хуже 1.5 м во всех направлениях без системы заякорения).

2.Расчет метацентрической высоты сооружения

С помощью программы была произведена проверка метацентрической высоты сооружения с учетом заякорения. Продольная метацентрическая высота в свободном плавании 1,504 м. Приведены таблицы круговой диаграммы остойчивости сооружения. Все значения - положительные и не хуже 1.5 м.

Расчет метацентрической высоты без системы заякорения.

Расчет метавысоты с учетом установленной системы заякорения

После применения системы  заякорения улучшается остойчивость сооружения (увеличиваются удерживающие силы) - метацентрическая высота улучшается в 9 раз.

3.Расчет площади сечения смоченной поверхности и ее центра

Был произведен автоматический расчет площади и координат центра лобового, бокового и нижнего (S33) сечения подводной части сооружения. Коэффициенты сопротивления – 0.8 (колонны цилиндрические и понтоны скругленные).

Результат расчета:

4.Ветровое обтекание

Аналогично задавалось обтекание ветром (во вкладке «Ветровая»). Коэффициенты сопротивления – 1.2.

Результат расчета:

5.Расчет системы заякорения

Была задана начальная система заякорения для заданной глубины. Увеличено количество пучков связей до 6, используя симметрию. Углы заложения в плане были заданы 0, 60 и 300 градусов. Калибр – 152 мм, погонный вес в воде – 4,16 кН, начальное натяжение – 4800 кН (33% от разрывного усилия 14430 кН). Положение клюзовых точек выбрано из конструктивных соображений, на угловых колоннах платформы.

Риc. 7 – Задание начальной системы заякорения.

Результаты внедрения системы заякорения.

6.Задание экстремальных статических нагрузок

Было задано второе сооружение как ледовое поле с параметрами: площадь поля 10000000 кв. м (10 кв. км), толщина 0,15 м, прочность Rc=1 МПа, расчет по СНиП.

В файле внешних нагрузок задавалось течение по максимальной ледовой нагрузке. Направление течения – 0-180 градусов. Далее был выбран вариант с наибольшими нагрузками на сооружение с направлением течения под углом 20 градусов и скоростью 0,55 м/с. Максимальное величина ледовой нагрузки – 16871 кН.

Ниже приведена таблица с ледовыми нагрузками, по направлениям и по скоростям. Построены графики ледовых нагрузок в зависимости от скорости течения и ледовых нагрузок в зависимости от угла течения.

Таблица 3 Сводная таблица ледовой нагрузки.

ЛЕДОВАЯ НАГРУЗКА

V, м/с

Наибольшая нагрузка, кН

Угол

Наибольшая нагрузка, кН

0,03

1521,8

0,05

2229,5

0,1

0,15

5559,2

0,2

6933,5

0,25

8289,2

0,3

9768,7

0,35

0,4

0,45

0,5

0,55

0,6

0,65

0,7

0,75

0,8

0,85

0,9

0,95

Риc. 8 – Действие ледовой нагрузки.

7.Оптимизация якорной системы под экстремальную нагрузку

Была произведена оптимизация якорной системы удержания в статике.

7.1. Подбирая параметры: начальное натяжение, калибр цепи, число связей в пучке был получен худший коэффициент запаса натяжения связей в диапазоне 2.0–2.1, и смещение сооружения 5% глубины (12,5 м). Далее необходимо было добиться минимального количества связей в пучке, используя максимально необходимый калибр связи.

Полученные параметры якорной системы:

 – начальное натяжение 4800 кН;

 – разрывное усилие 14430 кН;

 – калибр цепи 152 мм;

 – число связей в пучке 3;

 – всего число связей 18 (6 пучков по 3 связи).

При увеличении длины связи, было достигнуто отсутствие передачи вертикального усилия на якорь (длина связи – 900 м).

7.2. Изменяя высоту клюзовой точки, были получены минимальные наклоны сооружения. Итоговая высота клюзовой точки – 10 м. Для клюзовой точки ниже 10 м расчет не производился, так как ниже располагаются пантоны. Ниже приведена таблица зависимости наклона сооружения от высоты клюзовой точки и график зависимости деферента сооружения от положения клюзовой точки.

Таблица 4 – Клюзовые точки.

Клюзовые точки

Высота клюзовой точки

FiX, град

FiY, град

 град

0,76

-0,59

0,96

0,84

-0,82

1,17

0,92

-1,05

1,39

1,17

-1,76

2,12

1,64

-3,09

3,50

1,84

-3,66

4,10

2,17

-4,58

5,07

Автоматически были расположены якоря в конце связей, используя такую же симметрию, как и у связей. Увеличением вертикальной удерживающей силы якоря было достигнуто отсутствие сползания, отрыва и опрокидывания последнего под нагрузкой. Минимально необходимая удерживающая сила якорей – 900 кН, коэффициент усиления трения грунта 20.

7.3. Ниже приведены рисунки из 3D изображения, показывающие сооружение под действием ледовой нагрузки, в том числе положение якорей на концах связей и неподнимание нагруженных связей со дна в районе якорей.

Риc. 9 – Якорная система сооружения под действием ледовой нагрузки.

Полученные параметры в разделе статика:

a) Масса верхнего строения – 6554,40 т;

КПД полезной весовой нагрузки – 21%;

Масса балласта – 5 941,6 т;

b) Описание системы заякорения:

число связей – 18 связей (6 пучков по 3 связи);

калибр – 152 мм;

длина связи – 1000 м;

начальное натяжение – 4800 кН (33% от разрывного усилия 14430 кН);

вес якорей – 900 кН;

c) Параметры ледового поля:

площадь – 10 кв. км;

толщина – 0,15 м;

худшее направление действия ледовой нагрузки – 20˚;

скорость действия ледовой нагрузки – 0,55 м/с;

смещение под нагрузкой – 12,18 м;

худший коэффициент запаса под нагрузкой – 2,09.

Динамика

1.Расчет гидродинамических характеристик

Была задана подробная сетка частот для расчета ГДХ сооружения в служебном файле (21 точек от 300 до 4 секунд, большая часть в диапазоне 30-4 секунд).

Далее был произведен расчет ГДХ сооружения («Задача: Волнение – частотная область»). Ниже приведена разбивка сооружения на панели, сетка частот и несколько графиков ГДХ.

Рис. 10 – Сетка частот.

 Рис. 11 – Разбивка сооружения на панели.

Рис. 11.1 – Разбивка сооружения на панели. Вид сверху.

Рисунок 12 – Присоединенный момент инерции, А55/М55 для сооружения №1

Рисунок 13 – Вертикальный коэффициент волнового сопротивления, b33/nw для сооружения №1

Рисунок 14 – Коэффициент волнового сопротивления бортовой качке, b44/Wm44 для

сооружения №1

1. Проверка собственных частот сооружения

Ниже приведена таблица рассчитанных программой собственных частот (периодов) сооружения. Собственные частоты в диапазон волнения (30-4 секунд) попадает 3-я степень свободы (по Z) с W_рез=0,24 рад/с и Т_рез=25,88 с.

Рис. 15 – Собственные частоты колебаний.

Ниже приведены графики АЧХ колебаний сооружения для 3-ей степени свободы.

Рис. 16 – АЧХ для вертикальных колебаний сооружения №1.

На графике присутствуют 1 пик с периодом волнения Т=25,7 с. Проведем проверку со штормом на наличие допустимой качки (не более 8 м перемещения и крен, дифферент не более 10 град.)

Смоделируем шторм регулярного волнения со следующими параметрами: период волнения Т=25,7 с, высота волны h=16 м, штор с направлением 90°.

Амплитуда колебаний по 3 степени свободы составляет 5,13 м, что не превышает полувысоты волны - 8 м (при высоте волны 16,0 м).

Смещение и углы по крену и дифференту находятся в пределах допустимых.

3.Задание экстремальных штормовых условий для объекта (регулярное волнение)

Задается предельный шторм 10 баллов для регулярного волнения: сонаправленные течение 0,7 м/сек, ветер 36 м/с, волнение с периодом волнения 15 секунд (использовался средний период волнения), высота волны 16 м.

Проводится расчет динамики на волнении во временной области.

Шторм 10 баллов. Направление 0 градусов:

При начальном натяжении 4800 кН минимальный коэффициент запаса 1,73 – условие для 10 балльного шторма не выполняется, поэтому снижаем начальное натяжение до 4400 кН.

Шторм 10 баллов. Направление 0 градусов:

Минимальный коэффициент запаса 1,93. Качка сооружения не превышает 15 градусов. Отрыва и сползания якоря не происходит.

Шторм 10 баллов. Направление 45 градусов:

Минимальный коэффициент запаса 2,04. Качка сооружения не превышает 15 градусов. Отрыва и сползания якоря не происходит.

Шторм 10 баллов. Направление 90 градусов:

Минимальный коэффициент запаса 2,26 Качка сооружения не превышает 15 градусов. Отрыва и сползания якоря не происходит.

Были проверены коэффициенты запаса связей (не хуже 1,8) и качка сооружения (не хуже 15 градусов), отрыв и сползание якорей. Начальное натяжение связей – 4400 кН. Условия выполняются при предельном (10-баллов) шторме во всех трех направлениях.

1. Задание экстремальных штормовых условий для объекта (нерегулярное волнение)

Задаются и считаются такие же шторма для нерегулярного волнения. Обеспеченность результатов в служебном файле 1%, использовался период максимума спектра. Начальное натяжение связей 4400 кН.

Шторм 10 баллов. Направление 0 градусов:

Минимальный коэффициент запаса 1,99. Качка сооружения не превышает 15 градусов. Отрыва и сползания якоря не происходит.

Шторм 10 баллов. Направление 45 градусов:

Минимальный коэффициент запаса 2,09. Качка сооружения не превышает 15 градусов. Отрыва и сползания якоря не происходит.

Шторм 10 баллов. Направление 90 градусов:

Минимальный коэффициент запаса 2,15. Качка сооружения не превышает 15 градусов. Отрыва и сползания якоря не происходит.

Были проверены коэффициенты запаса связей (не хуже 1,8) и качка сооружения (не хуже 15 градусов), отрыв и сползание якорей. Начальное натяжение связей – 4400 кН. Условия выполняются при предельный (10-баллов) шторме во всех трех направлениях.

Познавательные статьи:



Коммуникативные барьеры и пути их преодоления

Рынок недвижимости. Сущность недвижимости

Решение задач с использованием генеалогического метода

История происхождения и развития детской игры