Секция: Технические науки

Подсекция: Транспорт

В.В. Зайцев, д.т.н., проф., Вал.В. Зайцев, к.т.н., доцент, Ч.Т. Нгуен, студ.

Национальный университет кораблестроения, г. Николаев

ИССЛЕДОВАНИЕ МАССОГАБАРИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ТАНКОВ СУДОВ-ГАЗОВОЗОВ С ПОМОЩЬЮ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Последние несколько лет в Украине существует острая проблема – бесперебойное и надежное обеспечение промышленности и населения газом. Одним из вариантов решения этой проблемы является использование альтернативных путей доставки газа в страну, а именно, транспортировка газа судами-газовозами. В нынешней ситуации использование судов-газовозов как альтернативного средства доставки газа выгодно для Украины, как в экономическом, так и в политическом смысле.

При использовании судов-газовозов самые большие расходы приходятся на очистку, сжижение и на морскую перевозку газа. Расходы на перевозку могут быть сокращены за счет снижения стоимости судов-газовозов и за счет увеличения их дедвейта без увеличения главных размерений. Достичь этого можно, в том числе, и за счет оптимизации массогабаритных характеристик грузовых танков.

Целью доклада является исследование массогабаритных характеристик цилиндрических безнаборных танков судов-газовозов с эллиптическими оконечностями (рис. 1) и возможность оптимизации этих параметров.

В расчетах рассматривалось влияние коэффициента эксцентриситета эллиптической оконечности танка на безразмерные массогабаритные характеристики танка (безразмерная масса – , коэффициент общей полноты – , где – масса материала танка, – масса сжиженного газа, который может поместиться в танк).

Приняты следующие допущения: наличие опор не учитывается; вес танка не учитывается; вес груза не учитывается ввиду сравнительно большого избыточного давления; динамические нагрузки от качки судна не учитываются.

Рис. 1. Расчетная схема грузового танка

Расчеты прочности проведены с помощью метода конечных элементов (МКЭ), при этом использовался 8-узловой оболочечный конечный элемент (КЭ). Влияние коэффициента эксцентриситета показано на численном примере при следующих исходных данных: плотность материала танка ; модуль Юнга Па; коэффициент Пуассона ; допускаемые напряжения МПа; ; испытательное давление в грузовом танке  МПа; длина грузового танка м; диаметр грузового танка м. Коэффициент эксцентриситета варьировался в диапазоне от 1,0 до 3,0.

Вначале были выполнены расчеты прочности танка с допущением, что толщина оболочки одинакова по всей поверхности танка. Основные результаты расчета показаны на рис. 2. В районе стыковки цилиндрической и эллиптических частей танка возникают концентрации напряжений, из-за которых толщина оболочки танка и безразмерная масса возрастают с увеличением коэффициента эксцентриситета, причем после скорость роста этих величин резко увеличивается (рис. 2, а).

а

б

Рис. 2. Графики зависимостей основных результатов расчета от коэффициента эксцентриситета:

а – безразмерная масса; б – коэффициента общей полноты танка;

1 – толщина оболочки одинакова по всей поверхности танка; 2 – грузовой танк с утолщениями оболочки в районе концентрации напряжений 

Затем были выполнены аналогичные расчеты для грузового танка с утолщениями оболочки в районе концентрации напряжений (рис. 1). При этом параметры утолщений (, – длина и толщина утолщения цилиндрической части танка; , – длина и толщина утолщения эллиптической части танка) и толщины оболочки танка
( – соответственно толщина цилиндрической и эллиптической оболочек) варьировались для минимизации массы танка. Расчеты показали, что безразмерные массы танков с утолщениями в районе концентрации напряжений значительно меньше, чем безразмерные массы танков с оболочкой постоянной толщины (рис. 2, а). Особенно быстро растет разница между указанными массами танков для от 1,635 и более.

Выводы. Рациональные параметры утолщений оболочки цилиндрического грузового танка газовоза в районе концентрации напряжений позволяют значительно уменьшить его массу – до 2-х раз для больших значений , но при этом большая разница толщин элементов танка сильно ухудшает его технологичность и соответственно увеличивает стоимость. Кроме того, для масса танков увеличивается быстрее, чем увеличивается масса перевозимого ими груза, и чем больше , тем дороже будет дальнейшее увеличение грузовместимости танка.

Поэтому проектировщикам судов-газовозов можно рекомендовать не использовать грузовые цилиндрические танки с эллиптическими оконечностями, у которых .