مقاله روند مدلسازی شناور کاتاماران به روش هیدروالاستیک

بخشی از مقاله

چکیده
استفاده از بدنههای جدید در شناورهای امروزی از جهت پاسخ به نیازمندیهایی که به طور روزافزون ایجاد میشوند، بسیار سودمند است. تحقق این موضوع، رسیدن به اهدافی همچون افزایش پایداری و سرعت شناور را تسهیل میکند. یکی از این فرم بدنههای نوظهور، شناور کاتاماران است. این نوع شناور دارای دو بدنه زیر آب و عرشه میانی است. یکی از مهمترین مراحل در طراحی شناور، یافتن بارهای وارده بر بدنه آن در طول عمر و زمان انجام عملیات خاص است. این بارها علتهای مختلفی دارند که یکی از مهمترین آنها امواج هستند. تنشها و تغییرشکلهای ایجاد شده در شناور در اثر این بارگذاریها میتوانند در طراحی ورقها و تقویتکنندهها و سایر المانهای سازهای شناور موثر باشند. این مقاله روند مدلسازی شناور کاتاماران به روش هیدروالاستیک را به صورت مرحله به مرحله که شامل تحلیل عددی در نرم افزار و تست تجربی در حوضچه کشش میباشد را تشریح میکند.

کلمات کلیدی: شناور کاتاماران، تحلیل هیدرودینامیکی، تست مدل، تحلیل سازهای، مدلسازی نرمافزاری، مدل چند جزئی

مقدمه
با توجه به اینکه دنیا در رقابت برای توسعهی طراحی سیستمهای حملونقل دریایی است، روشهای متنوعی برای بدست آوردن پاسخ حرکات و بارهای ناشی از امواج و تخمین آنها در 50 سال گذشته صورت گرفته است. این روشها برای بهبود کارایی ابزارهای طراحی استفاده شده در تخمین بارها و حرکات موردنیاز هستند که در مقابل بر قابلیت اعتماد عملیات و ایمنی سازه تاثیر قابل توجهی داشتهاند .[1] انتخاب روشهای مناسب طراحی سازهای در حالت کلی به نیازهای مشتری، نوع و اندازهی ترکیببندی بدنه، فرضیات پایداری، محیط ارائه خدمات، پروفیل عملکردی شناور، و هزینهی ساخت سازه وابسته است. در ادامه مزیتهای انتخاب روش مدلسازی هیدروالاستیک و مراحل مدلسازی شناور کاتاماران با این روش تشریح میگردد.

بیان مساله
شناور کاتاماران بر اساس ماموریتهایش ممکن است شرایط دریایی متفاوتی را تجربه کند. با توجه به شکل زیر آب و موقعیت قرارگیری پانتونها، این شناور عمدتا نسبت به سایر شناورها مقاومت کمتری در برابر امواج دارد. برخورد امواج به سطح بدنه این شناور میتواند منجر به نیروهای بزرگی در راستاها و درجات آزادی مختلف آن گردد. این نیروها و گشتاورها بر اساس ارتفاع و پریود موج وارده میتوانند تا اندازهی زیادی افزایش یابند که البته مقادیر آن با توجه به طول بلند شناور برای درجات آزادی طولی شناور بزرگتر خواهد بود.

سازه شناور کاتاماران، از دو پانتون تشکیل شده که نیمهمغروق هستند و هر یک دارای شاهتیر بوده و ورق آنها با تقویتکنندههای طولی و بالکهدهای عرضی تقویت شده است. این پانتونها به وسیلهی ستون1هایی به عرشه میانی متصل میشوند. این اتصال پانتون به ستون در شناورهای کاتاماران از اهمیت بالایی برخوردار است. تمرکز تنش در این نواحی بسیار بیشتر بوده و از حیث سازهای این قسمتها باید به خوبی تقویت شوند تا استحکام کلی سازه را به مخاطره نیندازند.برای طراحی مناسب بدنه و سازه این شناورها، شناسایی دقیق بارهای وارد بر آنها ضروری به نظر میرسد. این امر به چند صورت قابل انجام است که عبارتند از:

-1 فرآیند تست مدل آزمایشگاهی - تست حوضچه کشش -

-2 فرآیند تحلیلی - یا عددی - که میتواند به دو دسته تقسیم گردد:

- 1-2 روشهای بر اساس تئوری پتانسیل

- 2-2 روشهای بر اساس دینامیک سیالات محاسباتی - CFD - شامل اثرات لزجت

-3 ترایالهای دریایی که شامل اندازهگیری شرایط دریایی است.

استفاده از این روشها به صورت جداگانه محدودیتهایی دارد. انجام تحلیل عددی به تنهایی نمیتواند قادر به ارائه نتایج دقیق باشد و نیازمند صحتسنجی به وسیلهی یکی از روشهای آزمایشگاهی یا تست شناور است. از طرفی تحلیل آزمایشگاهی نیز مشکلات فراوانی از جمله محدودیتهای آزمایشگاه، محدودیتهای ساخت و غیره دارد. تستهای شناور در دریا نیز به صرف هزینه و زمان بسیاری نیازمند است و همچنین به دلیل در اختیار نبودن شکل درستی از موج دریا در اطراف شناور، نمیتوان بار وارده بر آن را به دقت محاسبه کرد. ترکیب روش محدود آزمایشگاهی و روش کامل عددی میتواند گزینه مناسبی برای تعیین دقیقتر بارهای وارده بر بدنه شناور باشد.از جمله حوزههای مهمی که با انجام آزمایشهای مرتبط با بارهای سازهای مورد بررسی قرار میگیرد، جمع آوری اطلاعات به منظور کمک در درک رفتار سازه در شاخههای زیر است :[2]

-1  بارهای اولیه برای طراحی

-2  بارهای ناشی از کوبش، ویپینگ و اسپرینگینگ

-3 اعتبارسنجی روشهای محاسباتی

-4 استفاده از حوزه فرکانس برای طراحیهای مرتبط با عمر شناور

-5 استفاده از نتایج برای ارزیابی بارهای حداکثری و تحلیلهای احتمالی

-6 تحلیل و طراحی برای خستگی

-7 بررسی عملکرد ایمن سازه

این اهداف متناسب با اطلاعات عملیاتی و اطلاعات طراحی مورد نیاز، نوع و اندازه شناور، شرایط موج، متغیرهای عملیاتی و امکانات در درسترس میباشند.پارامترهایی که هنگام تست باید در نظر گرفته شوند به صورت خلاصه عبارتند از: -1 سرعت -2 توزیع وزن ، مرکز گرانش و شعاع اینرسی1 مدل-3 مشخصات سازهای کشتی با مقیاس کامل - سختی، فرکانسهای ویژه و مودهای اصلی - -4 موقیعت و تعداد برشهای که باید در مدل قطعهای در نظر گرفته شوند، به همراه سختی لازم در اتصالات.-5 موقعیت و فرکانسهای ویژه سنسورهای ثبت کننده کوبش - در صورتی که بارهای محلی در نظر گرفته میشوند - -6 مشخصات سیستم دادهبرداری آزمایشگاه همانند فرکانس دادهبرداری2 -7 انتخاب طیف موج و مدت آزمایشها

فرآیند طراحی سازهای شناور
فرآیند کلی که باید برای رسیدن به کمترین ابعاد قابل قبول در یک شناور پنج مرحله دارد. این مراحل در استانداردهای طبقهبندی نیز وجود دارند و در فرآیند بهینهسازی سازهای شناور نیز باید استفاده گردد.

مرحلهی اول: استحکام کلی طراحی استحکامی کلی، کمترین ابعاد سازهای مجاز را تعیین میکند. این کار اغلب بر اساس تجربه انجام میشود.

مرحله دوم: بیشینه بارگذاریهای محلی سازه باید طوری طراحی گردد که بیشترین سطوح ممکن نیروهای محلی را که میتوانند زمانی در عملیات بر شناور وارد شوند را در نظر بگیرد. این
بارهای محلی شامل نیروهای استاتیکی و شبه استاتیکی و نیز نیروهای گذرای دینامیکی هستند، مثلا:

.پدیدهی پاشش آب روی سطح عرشه

.کوبش روی عرشه خیس و سطوح محلی

.بیشینه فشارهای ناشی از امواج روی اجزای سازهای

.کوبش دماغه

.فشارهای شبهاستاتیکی مخزن در حالت کجشدگی سازه

.نیروهای اینرسی ناشی از اجزای سنگین

این موارد با استفاده از تحلیلهای سازهای انجام میگیرد و میتواند در افزایش کمینهی ابعاد سازهای نیز موثر باشد.

مرحله سوم: تحلیل کلی پاسخ سازه در مقابل بارهای ناشی از موج، بارهای آب آرام و نیروهای اینرسی باید تحلیل گردد. معمولا استفاده از مدل المان محدودی سازهی کلیدر انجام تحلیل کلی استفاده میگردد و این کار بر اساس فرض رفتار تغییرشکل الاستیک کوچک است. کیفیت نتایج محاسبهشده به درست بودن تعریف مدل و نوع المانها و تنشهای محاسبهشده بستگی خواهد داشت.بازهای از شرایط بارگذاری باید در نظر گرفته شود تا ترکیببندی حیاتی نواحی مختلف سازه بدست آید. با توجه به موارد بالا، هر گونه تلاشی به منظور بهینه سازی سازهای باید برای ترکیب بارهای مختلف و نه فقط یک شرایط بارگذاری استفاده شود. - این مورد مشابه تحلیل بارگذاری دینامیکی در استاندارد ABS میباشد - .

مرحله چهارم: در نظر گرفتن خستگی برای اطمینان یافتن از این موضوع که عمر خستگی سازه برابر یا بیشتر از عمر طراحی شناور است، این تحلیل باید انجام گیرد. احتمالا این تحلیلتاثیر اندکی روی ابعاد پایه خواهد داشت. اگرچه این امکان وجود دارد که ممکن است برای گرید مادهای که از ابتدا انتخاب شده بود باید تغییراتی انجام گیرد و لذا انجام این تحلیل نیز قبل از اجرای مرحله بعد ضروری به نظر میرسد.مرحله پنجم: استحکام نهایی برای این مرحله نیز یکی از روشهای انجام، نرمافزار المان محدودی است. در برخی موارد استانداردها روشهای مبتنی بر ضرایب اطمینانی را درارتباط با قابلیت استحکامی نهایی ارائه کردهاند.

یکی از ضعفهای موجود در طراحی شناورهای نوین نبود و یا کمبود ملزومات طراحی آییننامهای است، لذا در طراحی اینگونه شناورها استفاده از روشهایی بر مبنای طراحی منطقی از اهمیت فراوانی برخوردار است. لیکن روشهای طراحی منطقی نیز در خصوص شناورهای پیشرفته نوین و دارای ویژگیهای خاص همانند فرم بدنه غیر متداول به طور کامل در دسترس نیست. لذا نیاز است با شناخت طرحهای موجود و با استفاده از امکانات آزمایشگاهی و نرمافزاری اقدام به ارائه روشها و فرآیندهای جدیدی نمود که در طراحی و یا باز طراحی شناورهای نوین قابل استفاده باشند.

فرم بدنه
در حال حاضر اشکال مختلفی از هندسههای زیرآب شناور موجود است که در طراحی سازههای تکبدنه و دوبدنه از آنها استفاده میشود. شاخصترین و متمایزترین شکل بدنه در میان این بدنهها بدنهی »راند بیلج«1 و »دیپ-وی«2 هستند - شکل . - 1 امروزه تلاش بر این است که عملکرد این شناورها با مقادیر جابجایی بزرگتر در سرعت و دریامانی و نیز پایداری بهبود یابد.شناورهای چندبدنه پایداری خود را با استفاده از دو یا چند بدنه زیرین که با یک تیر عریض به هم متصلاند بدست میآورند. این تیر عامل ایجاد عرشه بزرگتری در شناور است. اگرچه، مشکل این تیر عریض که بدنهها را جدا میکند این است که ارتفاع متاسنتر شناور را نسبت به شناورهای