КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 23-29-00933

НазваниеРазработка вероятностной имитационной модели механического взаимодействия современных судов с ледяным покровом в обеспечение безопасной круглогодичной арктической навигации

РуководительЯкимов Владимир Владимирович,

Организация финансирования, регион Акционерное общество "Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт морского флота", г Санкт-Петербург

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. 

Конкурс№78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-602 - Моделирование технических систем

Ключевые словавероятностное имитационное моделирование; механическое взаимодействие; корпус судна; ледяной покров; ледовая нагрузка; достижимая скорость хода; случайная величина; метод Монте-Карло; прямой расчёт; компьютерный эксперимент; теоретическое распределение; статистическая характеристика; вероятность отказа; безопасная эксплуатация

Код ГРНТИ73.34.61

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Плавание судна во льдах должно быть безопасным и тем самым гарантировать экономически обоснованную величину негативных рисков в отношении собственно судна, перевозимого груза, человеческой жизни, окружающей среды. В процессе многолетнего освоения Северного морского пути был накоплен колоссальный опыт работы отечественного флота в ледовых условиях арктических морей, за счёт чего был достигнут высокий уровень безопасности эксплуатации судов. Однако, в настоящее время ведётся активное промышленное освоение Арктической зоны. В связи с этим претерпевает изменение традиционная организация ледового судоходства, появляются новые тенденции, связанные с ростом объёма и интенсивности грузоперевозок, эксплуатацией крупнотоннажных транспортных судов и мощных атомных ледоколов, использованием высокоширотных трасс плавания, продлением навигационного периода (вплоть до круглогодичного), переходом к новым тактикам ледового плавания, увеличением скорости хода судов во льдах и др. Это актуализирует проблему обеспечения безопасности эксплуатации судов в ледовых условиях. Как показывает практика, эксплуатация судов в ледовых условиях сопровождается повышенной повреждаемостью взаимодействующих со льдом элементов конструкций корпуса и пропульсивного комплекса. Ключевая причина получения ледовых повреждений – эксплуатация судна в более тяжёлых ледовых условиях, не допустимых для присвоенного ему ледового класса. Реальные процессы взаимодействия объектов морской инфраструктуры с внешней средой носят явно выраженный стохастический характер, и их отличительной особенностью является наличие значительного числа различных случайных компонент, непосредственно влияющих на величину выходных параметров взаимодействия. Поэтому особое значение приобретает применение вероятностного имитационного моделирования на различных этапах жизненного цикла объектов морской инфраструктуры в целях оценки и прогнозирования внешних природных (волновых, ветровых, ледовых и др.) воздействий. Во-первых, решение задач, предусматривающих учёт фактора случайности, требует использования вероятностных методов, которое обеспечивает возможность наиболее полно и достоверно рассматривать фактические условия эксплуатации системы, отличающиеся сложностью, изменчивостью и многообразием. Во-вторых, для большинства современных систем ввиду объективного наличия и влияния фактора случайности имитационное моделирование в его вероятностной постановке предусматривается в качестве единственно возможного метода исследования. Главная цель выполнения проекта – разработка оригинальной вероятностной имитационной модели механического взаимодействия современных судов с ледяным покровом на основе междисциплинарного подхода, предусматривающего интеграцию физически обоснованных и практически апробированных решений в области морской ледотехники, ледовой ходкости и ледовой прочности. Рассматриваемая комплексная вероятностная имитационная модель объединяет стохастические модели физико-механических характеристик морского льда, достижимой скорости хода судна во льдах и нагрузки от воздействия льда на корпус судна, причём фактор случайности воспроизводится в рамках как внешней динамики, так и внутренней механики. Это определяет научную новизну проекта. Внедрение концепции вероятностного имитационного моделирования, наряду с применением методов прямого расчёта, для оценки и прогнозирования параметров механического взаимодействия судна с ледяным покровом будет в конечном итоге способствовать значительному снижению уровня повреждаемости и повышению уровня безопасности эксплуатации морского транспорта в ледовых условиях.

Ожидаемые результаты
В ходе выполнения проекта ожидается получение следующих результатов: 1. будет разработана усовершенствованная модель динамического (ударного) взаимодействия корпуса судна с ледяным покровом; 2. будет разработана имитационная модель для оценки и прогнозирования случайных значений физико-механических характеристик морского льда; 3. будет разработана имитационная модель для оценки и прогнозирования случайных значений достижимой скорости хода судна во льдах; 4. будет разработана имитационная модель для оценки и прогнозирования случайных значений нагрузки от воздействия льда на корпус судна; 5. будет разработан пошаговый алгоритм вероятностного имитационного моделирования механического взаимодействия современных судов с ледяным покровом, приспособленный для практического использования. Результаты выполнения проекта дадут возможность ставить и решать ряд практически значимых задач, в числе которых: – оценка нормативной обеспеченности проектных ледовых нагрузок для конструкций ледовых усилений корпуса судна с учётом их фактического технического состояния; – проектирование новых конструкций корпуса судна ледового плавания при заданной обеспеченности проектных ледовых нагрузок; – обеспечение равнопрочности различных судов, относящихся к одному ледовому классу, или различных конструкций корпуса одного и того же судна ледового плавания с учётом изменчивости ледовых нагрузок; – прогнозирование характеристик повреждаемости и показателей надёжности конструкций корпуса в процессе эксплуатации судна в разнообразных ледовых условиях; – обоснование соответствия ледового класса, присваиваемого судну, фактическим условиям его плавания во льдах. Кроме того, они позволят учитывать стохастическую природу параметров механического взаимодействия судна с ледяным покровом при разработке по требованиям к ледовой прочности и к ледовой ходкости специальной судовой документации и бортового программного обеспечения, которые непосредственно использует судоводитель для оценки и прогнозирования параметров безопасных режимов движения судна во льдах. В качестве примеров можно привести проект "вероятностного" Ледового сертификата на судно, в том числе в автоматизированном исполнении, и проект бортовой риск-ориентированной информационной системы обеспечения безопасности эксплуатации судов в ледовых условиях. Прогрессивным и перспективным направлением представляется применение результатов выполнения проекта в целях построения вероятностной модели ледовой повреждаемости судов, управления рисками при эксплуатации судов в ледовых условиях в рамках концепции формальной оценки безопасности, проектирования и классификации судов ледового плавания на основе рисков.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В ходе выполнения Плана работы получены следующие основные научные результаты: 1. разработана усовершенствованная модель динамического (ударного) взаимодействия корпуса судна с ледяным покровом, учитывающая фактические геометрические характеристики ледяного покрова, действие сил трения в зоне контакта корпуса судна со льдом и податливость борта судна при ударе о кромку льда; 2. разработана имитационная модель для оценки и прогнозирования случайных значений физико-механических характеристик морского льда; 3. разработана имитационная модель для оценки и прогнозирования случайных значений достижимой скорости хода судна во льдах; 4. разработана имитационная модель для оценки и прогнозирования случайных значений нагрузки от воздействия льда на корпус судна; 5. разработан пошаговый алгоритм вероятностного имитационного моделирования механического взаимодействия современных судов с ледяным покровом, приспособленный для практического использования. Результат по п. 1 описан в работе: Nan, M., Yakimov, V., Hu, J., Wang, X., Gaidai, O. An Enhanced Analytical Model for Ship-Ice Collision and Its Application to Simulate in the Time Domain, статья на рецензировании в журнале Journal of Cold Regions Engineering. Результаты по пп. 2-5 описаны в работе: Yakimov, V., Reutskii, A. Probabilistic Simulation of Ice-Induced Loads Acting on Ship Hull: Fundamentals, статья на рецензировании в журнале Journal of Ocean Engineering and Science. Результат по п. 4 описан в работах: Yakimov, V., Gaidai, O., Wang, F., Wang, K., 2023. Arctic Naval Launch and Recovery Operations, under Ice Impact Interactions. Applications in Engineering Science 15, 100146. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666496823000213 Якимов, В.В., Глебко, П.Ю., 2023. Вероятностное моделирование распределения ударных импульсов по длине корпуса при движении судна во льдах. Труды Крыловского государственного научного центра 3(405), 89-98. https://elibrary.ru/item.asp?id=54391970 Дополнительно разработан оригинальный вероятностный пространственно-временной метод оценки надёжности многомерных динамических систем, включающих нелинейные перекрёстные корреляции между компонентами. Соответствующий результат описан в работах: Gaidai, O., Xu, J., Yakimov, V., Wang, F., 2023. Analytical and Computational Modeling for Multi-Degree of Freedom Systems: Estimating the Likelihood of an FOWT Structural Failure. Journal of Marine Science and Engineering 11, 1237. https://www.mdpi.com/2077-1312/11/6/1237 Yakimov, V., Gaidai, O., Wang, F., Xu, X., Niu, Y., Wang, K., 2023. Fatigue Assessment for FPSO Hawsers. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering 15, 100540. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2092678223000298 Gaidai, O., Yakimov, V., Wang, F., Zhang, F., Balakrishna, R., 2023. Floating Wind Turbines Structural Details Fatigue Life Assessment. Scientific Reports 13, 16312. https://www.nature.com/articles/s41598-023-43554-4 Gaidai, O., Yakimov, V., Wang, F., Hu, Q., Storhaug, G., Wang, K., 2023. Lifetime Assessment for Container Vessels. Applied Ocean Research 139, 103708. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0141118723002493 Таким образом, разработана оригинальная вероятностная имитационная модель механического взаимодействия современных судов с ледяным покровом на основе междисциплинарного подхода, предусматривающего интеграцию физически обоснованных и практически апробированных решений в области морской ледотехники, ледовой ходкости и ледовой прочности. Рассматриваемая комплексная вероятностная имитационная модель объединяет стохастические модели физико-механических характеристик морского льда, достижимой скорости хода судна во льдах и нагрузки от воздействия льда на корпус судна, причём фактор случайности воспроизводится в рамках как внешней динамики, так и внутренней механики. Внедрение концепции вероятностного имитационного моделирования, наряду с применением методов прямого расчёта, для оценки и прогнозирования параметров механического взаимодействия судна с ледяным покровом будет в конечном итоге способствовать значительному снижению уровня повреждаемости и повышению уровня безопасности эксплуатации морского транспорта в ледовых условиях.

 

Публикации

1. Гайдай О., Сюй Ц., Якимов В., Ван Ф. Analytical and Computational Modeling for Multi-Degree of Freedom Systems: Estimating the Likelihood of an FOWT Structural Failure Journal of Marine Science and Engineering, 11, 1237 (2023) (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/jmse11061237

2. Гайдай О., Якимов В., Ван Ф., Ху Ц., Сторхауг Г., Ван К. Lifetime Assessment for Container Vessels Applied Ocean Research, 139, 103708 (2023) (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.apor.2023.103708

3. Гайдай О., Якимов В., Ван Ф., Чжан Ф., Балакришна Р. Floating Wind Turbines Structural Details Fatigue Life Assessment Scientific Reports, 13, 16312 (2023) (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1038/s41598-023-43554-4

4. Якимов В., Гайдай О., Ван Ф., Ван К. Arctic Naval Launch and Recovery Operations, under Ice Impact Interactions Applications in Engineering Science, 15, 100146 (2023) (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.apples.2023.100146

5. Якимов В., Гайдай О., Ван Ф., Сюй С., Ню Ю., Ван К. Fatigue Assessment for FPSO Hawsers International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, 15, 100540 (2023) (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.ijnaoe.2023.100540

6. Якимов В.В., Глебко П.Ю. Вероятностное моделирование распределения ударных импульсов по длине корпуса при движении судна во льдах Труды Крыловского государственного научного центра, 3(405), 89-98 (2023) (год публикации - 2023) https://doi.org/10.24937/2542-2324-2023-3-405-89-98

7. - 23-24 марта 2023 года состоялась VI Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Полярная механика» Официальный сайт АО «ЦНИИМФ», - (год публикации - )

Возможность практического использования результатов
Результаты выполнения проекта дают возможность ставить и решать ряд практически значимых задач, в числе которых: – оценка нормативной обеспеченности проектных ледовых нагрузок для конструкций ледовых усилений корпуса судна с учётом их фактического технического состояния; – проектирование новых конструкций корпуса судна ледового плавания при заданной обеспеченности проектных ледовых нагрузок; – обеспечение равнопрочности различных судов, относящихся к одному ледовому классу, или различных конструкций корпуса одного и того же судна ледового плавания с учётом изменчивости ледовых нагрузок; – прогнозирование характеристик повреждаемости и показателей надёжности конструкций корпуса в процессе эксплуатации судна в разнообразных ледовых условиях; – обоснование соответствия ледового класса, присваиваемого судну, фактическим условиям его плавания во льдах. Кроме того, они позволяют учитывать стохастическую природу параметров механического взаимодействия судна с ледяным покровом при разработке по требованиям к ледовой прочности и к ледовой ходкости специальной судовой документации и бортового программного обеспечения, которые непосредственно использует судоводитель для оценки и прогнозирования параметров безопасных режимов движения судна во льдах. В качестве примеров можно привести проект "вероятностного" Ледового сертификата на судно, в том числе в автоматизированном исполнении, и проект бортовой риск-ориентированной информационной системы обеспечения безопасности эксплуатации судов в ледовых условиях. Прогрессивным и перспективным направлением представляется применение результатов выполнения проекта в целях построения вероятностной модели ледовой повреждаемости судов, управления рисками при эксплуатации судов в ледовых условиях в рамках концепции формальной оценки безопасности, проектирования и классификации судов ледового плавания на основе рисков.