РОССИЙСКИЙ МОРСКОЙ РЕГИСТР СУДОХОДСТВА

Электронный аналог печатного издания, утвер>еденного 03,10.17

СБОРНИК

НОРМАТИВНО-МЕТОДИЧЕСКИХ

МАТЕРИАЛОВ

Книга двадцать пятая

НД № 2-139902-030

Санкт-11етербург 2017

В настоящем Сборнике нормативно-методических материалов публикуется Методика расчета ледовых нагрузок на суда и плавучие сооружения, форма корпуса которых отличается от регламентируемой Правилами PC.

ISBN 978-5-89331 -341 -3    © Российский морской регистр судоходства, 2017

3 МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛЕДОВЫХ ОБРАЗОВАНИЙ

3.1 ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛЕДОВЫХ ОБРАЗОВАНИЙ

В зависимости от типа льда (однолетний, многолетний, распрес-ненный однолетний для устьев Сибирских рек: Обская губа. Енисейский залив) и температуры окружающего воздуха и ее предыдущего тренда (значения температур за два предыдущих месяца) определяются значения следующих величин:

прочности льда на одноосное сжатие поперек ровного ледового покрова и консолидированной части торосистого образования;

значения прочности льда на изгиб;

модуля Юнга;

характерной длины ледового покрова;

распределений температуры, солености и пористости ледяного покрова.

Важнейшим элементом методики является определение прочности льда на смятие или контактного ледового давления. Прочность льда на смятие (контактное ледовое давление) определяется на основе гидродинамической модели вытеснения ледового порошка при взаимодействии кромки ледового поля с элементом корпуса судна, предложенной Д.Е. Хейсиным и В.А. Курдюмовым [4]. В последние годы указанный подход был усовершенствован и использован при определении ледовых нагрузок, воздействующих на борт судна, гребные винты (Е.М. Апполонов, Н. Soininen, А.В. Андрюшин [5], [6], [7]).

Значение прочности льда на смятие определяется в функции от прочности на одноосное сжатие.

Такой подход позволяет определять прочностные характеристики ледового покрова и параметры ледовой нагрузки в зависимости от типа льда, его толщины, периода эксплуатации (типа навигации) и соответственно от ледового класса судна.

3.1.1 Методика расчета распределения температуры поперек ледового покрова.

Распределение температуры поперек ледового покрова имеет решающее значение для определения прочностных характеристик льда.

3.1.2    Снежный покров н высота паруса торосов.

Для определения распределения температуры поперек ровного льда и консолидированной части торосов необходимо учитывать снежный покров. Для ровного льда рекомендуется принимать толщину снежного покрова:

Л,„ои.=0>2 мприА*_е^ 1,4 м;

(3.1)

А,_лон-=0,14 м при A_fce< 1,4 м,

где Л** -— толщина ровного (термического) льда.

Для торосистого льда толщина снежного покрова может быть определена по формуле

Know= 0,UH_saii,    (3.2)

где Н„а — высота паруса тороса.

Высота паруса H_sail.

Hsaii⁼ bh^aicey    (3.3)

рекомендуется а = 0,5; Ь = 3,71.

Для оценки высоты паруса однолетних торосов в качестве А^, может быть использована толщина ровного (термического) льда. Для многолетних арктических торосов h_ice= 1,8 м.

3.1.3    Определение распределения температуры.

Распределение температуры по толщине ледового покрова (консолидированной части тороса) определяется изменением среднемесячных и минимальных температур окружающего воздуха и, в общем случае, не является линейным по толщине ледового покрова (ледового образования). Для определения распределения температуры рекомендуется использовать положения методики, разработанной в [8].

Приведенная толщина эквивалентного ледового (снежно-ледового) покрова определяется по формуле

(Aice)eq ~ ^ice    5 Л_Snow-    (3-4)

Температура T_min на верхней границе снежно-ледового покрова    0)

определяется как минимальная температура воздуха за последние 5 дней (см. табл. 2.2.3-2 и рис. 2.2.3).

13

Температура в середине приведенной толщины льда для    0,5

определяется по формуле

(3.5)

— нормированное расстояние от поверхности снежно-ледового покрова;

— расстояние от поверхности снежно-ледового покрова, 0 ^    ^

0 — верхняя граница снежно-ледового покрова, ^ы= 1 — нижняя граница;

T^radg, — среднемесячная температура воздуха за предыдущий месяц для льда термического нарастания, для слоеных льдов и консолидированной части торосов среднемесячная температура принимается за предыдущие два месяца (см. табл. 223 3 и рис. 2.2.3); Т_а — температура замерзания воды, (- 1 °С).

При abc{Q_i5T_av€radg^ < abs((T_min+T₀)f2) распределение температуры с необходимой точностью описывается гиперболой

Л’Лье) = d+ ЫЬи*) + 0(3») + С^ееУ,

Щ*. = 1) = То, = 0,5) = 0,5T_averatge, 4%ict = 0,5) = T_mim

где

TflU» " 0,75) - 0,A(0,5T_averadg€ + (— 1)) — вспомогательная точка для построения гиперболы.

При abc(0fiT_mmnuige) > abs((T_min+T₀)/2) для распределения температуры рекомендуется использовать параболу

n^) = d+ Щи») + a(IL);

(3.7)

Коэффициенты для уравнений (3.6) и (3.7) определяются при помощи стандартных средств Excel как уравнение к линии тренда диаграммы.

14

3.2 МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РОВНОГО ОДНОЛЕТНЕГО И МНОГОЛЕТНЕГО ЛЬДОВ

3.2.1    Соленость.

3.2.1.1    Средняя соленость однолетнего морского льда.

Средняя соленость однолетнего морского льда по его толщине, ⁰/qo, определяется по формуле

= 4,606 + ^5.    (3.8)

где hie* ^ 2,0 м — толщина ровного (термического) однолетнего льда, см.

3.2.1.2    Распределение солености для однолетнего морского льда в зимне-весеннюю навигацию.

Распределение солености, °/оо, поперек ледового покрова для однолетнего морского льда в зимне-весеннюю навигацию определяется по формуле

т~Ж--= -0^239{U + 3,I592(^)³— 1.60350U,)²—1,3336^+1,45, (3.9)

(О/ Javeradge

=■ Ъ*

где $**= —т— — нормированное расстояние от поверхности снежно-ледового покрова;

hie*

1 — нормированное расстояние от поверхности льда;

— расстояние от поверхности льда; при этом £,td = 0{^id =10 — поверхность льда, ^ = 1(^ = А^); hid — толщина льда;

— средняя соленость по толщине ледового покрова (см. формулу (3.8)).

3.2.1.3 Распределение солености для однолетнего морского льда в летне-осеннюю навигацию.

Распределение солености, °/о<ь поперек ледового покрова для однолетнего морского льда в летне-осеннюю навигацию определяется по формуле

-= 10,I46(U)³ - И.КЩ*,)² + 5,44^ + 0,42,    (3.10)

Javeradge

где (5V)av*radK* — средняя соленость по толщине ледового покрова (см. формулу (3.8));

^d=    1    — нормированное расстояние от поверхности льда.

hie*

15

3.2.1.4    Средняя соленость многолетнего морского льда.

Средняя соленость многолетнего морского льда по его толщине, °/оо» определяется по формуле

(SPU™*« =1.8 +    (3.11)

^пice

гае hia ^ 2,0 м — толщина ровного многолетнего льда.

3.2.1.5    Распределение солености для многолетнего морского льда в зимне-весеннюю и летне-осеннюю навигации.

Распределение солености, °/оо, по толщине многолетнего льда определяется по формуле

где (ST^Y)_avera4ge — средняя соленость по толщине ледового покрова (см. формулу (3.11)); - ^

—-— — нормированное расстояние от поверхности льда,    1.

3.2.1.6 Распределение солености для распресненного льда в устьях Сибирских рек.

Отличительной особенностью устьев сибирских рек (Обская губа. Енисейский залив) является пониженная соленость воды и льда. Распределение солености, °/₀о, определяется по формуле

3.2.2 Пористость однолетнего и многолетнего льдов.

Прочностные характеристики ледового покрова определяются суммарной пористостью льда (объемом жидкой и газовой фаз). Относительная суммарная пористость льда:

v=v_a+Vb,    (3.14)

где v_a — относительный объем газовой фазы; v_b — относительный объем жидкой фазы.

СОДЕРЖАНИЕ

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЛЕДОВЫХ НАГРУЗОК НА СУДА И ПЛАВУЧИЕ СООРУЖЕНИЯ, ФОРМА КОРПУСА КОТОРЫХ ОТЛИЧАЕТСЯ ОТ РЕГЛАМЕНТИРУЕМОЙ ПРАВИЛАМИ PC

1    Введение..........................................5

2    Методика расчета локальных ледовых нагрузок на район

ледовых усилений AI для судов, форма корпуса которых отличается от регламентируемой Правилами PC..........6

2.1    Общее описание Методики расчета локальных ледовых

нагрузок на район ледовых усилений АТ для судов, форма корпуса которых отличается от регламентируемой Правилами PC......................................7

2.2    Исходные данные для расчета и общие рекомендации

по его выполнению...................................7

2.2.1    Данные судна.......................................7

2.2.2    Данные по эксплуатационным режимам, включающие

информацию по ледовым условиям, толщинам льдов и температурам эксплуатации.............................8

2.2.3    Методика расчета локальной ледовой нагрузки..............8

3    Методика расчета прочностных характеристик ледовых

образований.......................................12

3.1    Общее описание методики расчета прочностных характеристик

ледовых образований................................12

3.1.1    Методика расчета распределения температуры поперек

ледового покрова...................................12

3.1.2    Снежный покров и высота паруса торосов................13

3.1.3    Определение распределения температуры.................13

3.2    Методика расчета прочностных характеристик ровного

однолетнего и многолетнего льдов......................15

3.2.1    Соленость.........................................15

3.2.2    Пористость однолетнего и многолетнего льдов.............16

3.2.3    Прочность на одноосное сжатие ровного однолетнего

и многолетнего льдов................................18

3.2.4    Прочность ледового покрова на изгиб....................19

3.2.5    Прочность на смятие ровного однолетнего и многолетнего льдов. . 20

3.2.6    Методика расчета прочностных характеристик

однолетних и многолетних торосистых образований.........21 ¹

3.2.8    Прочность на смятие для однолетних и многолетних

торосистых образований..............................22

3.2.9    Модуль Юнга и характерная длина ледового покрова........22

март, Карское море..................................23

3.3.2 Расчет прочностных характеристик консолидированной

части многолетнего тороса толщиной 6 м, март............29

4 Методика расчета ледовых нагрузок на район ледовых

усилений AI.......................................35

4.1 Основные сценарии взаимодействия носовой и кормовой

частей судов двойного действия с    ледовым покровом........35

рованный элемент носовой или кормовой скулы............37

4.3 Уточнение методологии определения ледовых нагрузок

на прямостенный борт...............................43

5    Примеры применения методики......................48

5.1    Пример 1. Определение ледовой нагрузки.................48

5.2    Пример 2. Определение расчётной схемы разрушения льда.... 54

5.3    Пример 3. Расчет параметров взаимодействия прямостенного

борта со льдом.....................................56

Список литературы.......................................60

ВВЕДЕНИЕ

Настоящая Методика позволяет определять ледовые нагрузки на суда и плавучие сооружения, форма корпуса которых отличается от регламентируемой Правилами PC [1]. Предлагается прямой метод определения локальных ледовых нагрузок на носовую часть ледокольных судов (район ледовых усилений AI), включая корму судов двойного действия, с целью обеспечения прочности корпуса и проверки ледовых усилений на соответствие требованиям PC.

Метод определения локальных ледовых нагрузок был верифицирован с использованием данных натурных замеров ледовых нагрузок и при помощи численных методов.

5

2 МЕТОДИКА РАСЧЕТА ЛОКАЛЬНЫХ ЛЕДОВЫХ НАГРУЗОК НА РАЙОН ЛЕДОВЫХ УСИЛЕНИЙ AI ДЛЯ СУДОВ, ФОРМА КОРПУСА КОТОРЫХ ОТЛИЧАЕТСЯ ОТ РЕГЛАМЕНТИРУЕМОЙ ПРАВИЛАМИ PC

2.1 Общее описание методики расчета локальных ледовых нагрузок на район ледовых усилений AI для судов, форма корпуса которых отличается от регламентируемой Правилами PC

Методика предназначена для определения параметров локальной ледовой нагрузки на элемент корпуса носовой части (кормовой части судна двойного действия) по ледовой ватерлинии района ледовых усилений АТ (ледовый пояс).

Определяются следующие параметры локальной нагрузки, необходимые для проверки прочности корпуса:

значение ледовой силы, действующей по нормали к поверхности корпуса;

размеры зоны контакта корпуса со льдом, т.е. высота и длина приложения ледовой нагрузки;

среднее ледовое давление по зоне контакта;

параметры ледовой нагрузки на элемент корпуса, соответствующий шпации (ледовая сила, среднее контактное давление);

уточненное распределение ледового давления в зоне контакта.

В качестве основного сценария для определения параметров ледового воздействия принят навал носовой (кормовой) части корпуса судна на кромку ледового поля (канала). Ледовая нагрузка определяется из условия разрушения кромки ледового покрова изгибом.

В качестве дополнительного принят сценарий взаимодействия прямостенного борта с ледовым покровом без разрушения последнего изгибом. Последний сценарий является определяющим для назначения параметров ледового воздействия на прямостенную скулу бульбообразной носовой части судов ледовых классов.

Ледовая нагрузка определяется в зависимости от скорости судна, характеристик ледового покрова (однолетний, многолетний лед; ровный ледовый покров, торос).

Результаты определения параметров локальной нагрузки могут быть непосредственно использованы для определения требуемой толщины наружной обшивки, t_net (см. 1.2.6) [3].

2.2.2    Данные по эксплуатационным режимам, включающие информацию по ледовым условиям, толщинам льдов и температурам эксплуатации:

скорость движения судна, уз.;

тип ледового покрова (тип льда) для заданного района эксплуатации судна:

однолетний;

многолетний;

распресненный однолетний (распресненный лед устьев сибирских рек: Обская губа. Енисейский залив); торосистый однолетний; торосистый многолетний;

толщина ровного (термического) льда для района эксплуатации, м; температура воздуха для заданного периода и района эксплуатации, °С: минимальная температура за 5 дней; средняя температура за предыдущий месяц; средняя температура за два предыдущих месяца.

2.2.3    Методика расчета локальной ледовой нагрузки.

Методика представлена ниже и состоит из двух разделов:

расчет прочностных характеристик ледового образования, определяющих силовое воздействие льда на корпус;

назначение ледовой нагрузки применительно к заданным параметрам эксплуатации.

Для определения ледовых нагрузок с целью верификации ледовых усилений корпуса на соответствие заданного ледового класса рекомендуется использовать параметры эксплуатационных условий, представленных в [3]. В табл. 2.2.3-1 представлены рекомендуемые расчетные параметры ледовых образований, режимы и скорости движения для назначения ледовых нагрузок в зависимости от ледового класса судна.

Для судов ледовых классов Агс8 и Агс9 определяющими для назначения ледовых нагрузок являются режимы самостоятельного плавания в многолетних торошенных льдах (торосах) с толщиной консолидированной части 6 м.

Для судов ледовых классов Агс5 — Агс9 расчетные температуры представлены на рис. 2.2.3. Для зимне-весенней навигации в качестве расчетного месяца рекомендуется принимать февраль или март месяц, а для летне-осенней — ноябрь.

о -s 10 -is ■30 -as ■го -п -4CJ -4S SO

0 1 1 : • Средние та мест i 1 V Л Средние * минимальные л Vs V / N . Ч> / / ч _ / Х . / ч г. / А \ \ /

Рис. 2.2.3

Расчетное распределение температур воздуха для судов ледовых классов Лгс5 - Лгс9 и

арктических ледоколов

Таблица 2.2.3-1 Рекомендуемые расчетные параметры ледовых образований, режимы и скорость движения для назначения ледовых нагрузок судам ледовых классов Агс4 - Агс9

Ледовый класс Движение в канате Самостоятельное плавание Зимне-весенняя навигация Летне-осенняя навигация Зимне-весенняя навигация Летне-осенняя навигация Si 1 и Тип и толщина ровною льда, м Тип тороса, толщина коне, части, м £ 1 и Тип и толщина ровного льда, м Тип тороса, толщина коне, части, м Si 1 и Тип и толщина ровного льда, м Тип тороса, толщина коне, част, м Si 1 и Тип и толщина ровного льда, м Тип тороса, толщи- ^ на коне, части, м Агс4 Агс5 Агсб Агс7 Агс8 Arc 3 5 3-5 3-5 3-5 3-5 3 5 FY, 0,7 FY, 0,8 FY, 1,2 FY 1.8 MY, 3,4 MY FY, 1,4 FY, 1,6 FY, 2,4 FY3.6 MY.6 MY6 3-5 3 5 3-5 3-5 3-5 3-5 FY.0.9 FY.U FY 1»5 MY' (SY) 2J8 MY MY FY. 1.8 FY.2.4 FY, 3 MY, 6 MY, 6 MY, 6 6 8 6 8 6-8 6-8 10 12 FY, 0,6 FY, 0,8 FY, 1,1 FY, 1,4 MY (SYX 2,1 MY FYU FY.1.6 FT, 2,2 FY, 2,8 MY(SY),6 MY (SY), 6 6 8 6 8 6-8 6-8 10 12 FY, 0,8 FY.1.0 FY,U FY, 1,7 MY(SY),3J0 MY FY.I.6 FY.2.0 FY, 2,6 FY, 3,4 MY (SYY 6 MY (SY), 6 Уел о в и FY - ые об эдн олет означ ний ле ен и д; М я: Y - мной элегии й лед ; SY - дв ухлегни й лед.

9

Для судов ледового класса Аго4 расчетные температуры рекомендуется принимать в соответствии с табл. 2.2.3-2, которые получены для типичных районов эксплуатации (Печорское море, Белое море, средняя зимне-весенняя навигация; Карское море, лепгне-осенняя навигация).

Таблица 22.3-2 Расчетные температуры для судов ледового класса Агс4 и ледоколов ледового класса Icebreaker 6_

Температура, °С Печорское море (февраль) Карское море (ноябрь) Минимальная -35 - 30 Средняя за предыдущий месяц - 15 -8 Средняя за два предыдущих месяца - 15 -4

В случае, если для судов ледовых классов Агс4 - Агс9 минимальная температура выше соответствующей по спецификации, то в качестве расчетной минимальной температуры принимается последняя.

Для судов ледовых классов Icel - 1сеЗ рекомендуемые расчетные параметры ледовых образований, режимы и скорость движения для назначения ледовых нагрузок представлены в табл. 2.2.3-3. Для указанных судов минимальная расчетная температура определяется спецификацией. В этом случае средние температуры за предыдущий месяц и за два предыдущих месяца принимаются в два раза меньше, чем минимальная.

Для ледоколов рекомендуемые расчетные параметры ледовых образований, режимы и скорость движения для назначения ледовых нагрузок представлены в табл. 2.2.3-4.

Для ледоколов расчетная скорость определяется как 0,6 V_0i где У₀ -скорость на чистой воде при полной мощности (задается спецификацией). Для ледоколов ледового класса Icebreaker 6 расчетные температуры представлены в табл. 2.2.3-2. Для ледоколов, работающих в устьях Сибирских рек, расчетная минимальная температура не должна превышать —50 °С (см. 1.2) [3]. В случае, если минимальная температура выше соответствующей по спецификации, то в качестве расчетной минимальной температуры принимается последняя.

1