General purpose – nave cu mai puțin de 25000 tdw [308896]

[anonimizat] a [anonimizat]. [anonimizat]. [anonimizat], metoda obișnuită de transport folosită fiind încărcarea lichidelor în butoaie.

Navele de tip tanc sunt nave destinate transportului și depozitării mărfurilor lichide sau al gazelor naturale. Aceste tipuri de nave au fost utilizate pentru prima dată de industria petrolieră pentru transferul produselor petroliere nerafinate către rafinării sau pentru distribuția derivatelor din petrol. Popularitatea acestor tipuri de nave a luat amploare deoarece și alte produse lichide pot fi transportate în vrac cu costuri reduse.

Astfel, necesitatea transportului unei game variate de mărfuri în stare lichidă a [anonimizat], sau nave de tip LNG („Liquified Natural Gas”- gaz petrolier lichefiat). [anonimizat], sau a [anonimizat].

În anul 1954, compania Shell Oil a dezvoltat sistemul de evaluare a [anonimizat] („Average Freight Rate Assessment”) în scopul standardizării claselor de nave tanc în funcție de capacitățile de transport al lichidelor:

[anonimizat] 25000 [anonimizat] 25000 și 4500 [anonimizat] 45000 tdw

Datorită evoluției accelerate a [anonimizat] a fost readaptată în anii 1970:

10000 – 24999 tdw: Small tanker

25000 – 34999 tdw: Intermediate tanker

35000 – 44999 tdw: Medium Range 1 (MR1)

45000 – 54999 tdw: Medium Range 2 (MR2)

55000 – 79999 tdw: Large Range 1 (LR1)

80000 – 159999 tdw: Large Range 2 (LR2)

160000 – 319999 tdw: Very Large Crude Carrier (VLCC)

320000 – 549999 tdw: Ultra Large Crude Carrier (ULCC)

[anonimizat] 5000 și 35000 tdw, capacitate mai mică decât a [anonimizat] a mărfii transportate și datorită restricțiilor de dimensiune ale terminalelor de încărcare/descărcare din porturi.

Organizația Maritimă Internațională clasifică navele de tip tanc chimic în următoarele categorii:

IMO 1 – [anonimizat].

IMO 2 – [anonimizat].

IMO 3 – Tancuri chimice destinate transportului produselor chimice cu risc suficient de sever pentru a necesita un grad moderat prevenție pentru a crește șansele de supraviețuire în caz de urgență.[9]

Obiectivul lucrării de față presupune analiza structurală a unui tanc de marfă din zona cilindrică a unei nave de tip tanc chimic de 16300 tdw și evaluarea rezultatelor în situația în care nava se află la pescajul de plină încărcare și este poziționată pe gol sau creastă de val. [anonimizat], [anonimizat]xime în zona centrală a navei.

Prin urmare, în vederea realizării analizei propuse, lucrarea parcurge câteva etape de proiectare preliminară a navei: de la stabilirea dimensiunilor principale, a eșantionajului și a detaliilor structurale la realizarea unui model 3D simplificat care va fi supus analizei propriu-zise.

CAPITOLUL I DESCRIEREA GENERALĂ A NAVEI

Tipul și destinația navei

Conform temei de proiectare, nava este un tanc chimic de 16300 tdw, construit în sistem longitudinal de osatură, cu o singură punte continuă de la pupa la prova de-a lungul celor 6 magazii de marfă.

Așa cum este definit în Convenția internațională de prevenire a poluării – „MARPOL”, o navă de tip tanc chimic, este o navă capabilă sa transporte în vrac orice lichid menționat în capitolul 17 din Codul internațional pentru produse chimice în vrac – „IBC” [7]. Excluzând substanțele chimice industriale și produsele petroliere rafinate, aceste nave pot transporta ocazional lichide care necesită un standard ridicat de curățare a magaziilor de marfă, precum uleiurile vegetale, soda caustică sau metanolul.

Dimensiunile principale

Lungimea maximă 149,90 m

Lungimea între perpendiculare 146,64 m

Lungimea la plutire 139,36 m

Lățimea 22,8 m

Înălțimea de construcție 12,10 m

Pescajul 8,85 m

1.3. Clasa navei

Nava este construită și amenajată în conformitate cu regulile registrului de clasificare Bureau Veritas. Notațiile de clasă ale navei sunt: I ✠ HULL ✠ MACH, CHEMICAL TANKER, UNRESTRICTED NAVIGATION, CLEAN SHIP.

Capacitatea de transport

Nava are capacitatea de a transporta 20000 la o încărcare de 98% a tancurilor cu marfă având densitatea maximă admisă de 1,54 .

Tancul SLOP 1 Tb 667,30

Tancul cargo 1 Bb 667,30

Tancul cargo 2 Tb 1916,90

Tancul cargo 2 Bb 1916,90

Tancul cargo 3 Tb 1765,80

Tancul cargo 3 Bb 1765,80

Tancul cargo 4 Tb 2097,50

Tancul cargo 4 Bb 2097,50

Tancul cargo 5 Tb 2103,90

Tancul cargo 5 Bb 2103,90

Tancul cargo 6 Tb 1598,20

Tancul cargo 6 Bb 1598,20

Deadweight

Deadweight-ul navei în apă de mare cu densitate de 1,025 este de 16300 tone la un pescaj de 8,85 m.

Putere. Viteză. Autonomie

Propulsia navei este asigurată de un motor de tip G40ME-C9/-GI, executat sub licența MAN-B&W, supraalimentat, cu 6 cilindri in linie, având puterea la flanșă de 6600 kW.

Viteza navei având carena curată la pescajul de plină încărcare, în apă calmă și adâncă, este de 14 Nd la o turație de 125 rot/min.

Rezervele de combustibil, ulei, apă și hrană asigură navei o autonomie de 4000 Mm, zona de navigație fiind nelimitată.

Echipaj

Echipajul navei este format din 20 de membri: comandant, ofițer de punte, șef mecanic, 2 ofițeri secunzi, mecanic secund, 2 mecanici treiari, 2 cadeți, electrician, 2 motoriști, pompagiu, bucătar, steward și 4 marinari.

CAPITOLUL II DIMENSIUNILE PRINCIPALE ALE NAVEI

2.1. Determinarea dimensiunilor principale

Așa cum reiese din tema de proiectare, tancul chimic subiect trebuie să aibă un deadweight de 16300 tdw. Pentru lucrarea de față s-au ales dimensiunile principale de la 20 de nave de tip tanc chimic construite, cu valori deadweight cuprinse între 13.000 și 20.000 tdw, pentru a fi prelucrate într-o baza statistică necesară derivării dimensiunilor principale ale navei subiect.

2.2. Verificarea dimensiunilor principale

Se realizează verificarea preliminară a dimensiunilor principale obținute anterior prin derivare. Metoda constă în calculul pe baza unor formule statistice a dimensiunilor și a rapoartelor între dimensiunile principale deja obținute [2]. Rezultatele obținute vor fi comparate cu cele obținute prin derivare în scopul validării sau modificării lor, pentru adoptarea dimensiunilor definitive.

2.2.1. Lungimea navei

Lungimea navei influențează suprafața udată a carenei și implicit rezistența sa la înaintare. În același timp, pentru menținerea deadweight-ului, vor rezulta forme mai pline ale carenei.

În calcule se va folosi valoarea lungimii între perpendiculare sau a lungimii la plutirea de plină încărcare, care se determină cu formula:

(2.2.1)

Se folosesc formulele corespunzătoare tipului de navă, vitezei de serviciu sau de probe și numărului de axe de propulsie, formule propuse de Galin, Pozdiunin, Jager și Noghid.

Galin

(2.2.2)

Coeficientul „c” are valoarea de 7,17 pentru nave cu o elice și viteze cuprinse între 11 și 16,5 Nd.

Pozdiunin

(2.2.3)

Coeficientul „c” are valoarea de 7,05 pentru viteze de probe cuprinse între 11 și 16,5 Nd și .

Jager

(2.2.4)

unde , și coeficientul b are valoarea 5/6 pentru nave obișnuite.

Noghid

(2.2.5)

Deplasamentul este calculat pe baza formulei , unde coeficientul de utilizare a deplasamentului este obținut din diagrama Schünemann.

2.2.2. Lățimea navei

Arkenbout și Schokker recomandă ca lățimea navei să fie mai mică decât valoarea obținută cu formula: , iar Watson propune relația următoare pentru nave de tip tanc: .

2.2.3. Rapoarte între dimensiuni

Principalele rapoarte între dimensiuni sunt L/B, B/T, L/D și D/T, unde L reprezintă lungimea navei, B este lățimea, T este pescajul și D înălțimea de construcție.

Raportul L/B conturează alungirea relativă a carenei și influențează rezistența la înaintare. Valorile uzuale ale raportului recomandate de Galin pentru nave cu forme pline sunt situate în intervalul [6;7,5].

(2.2.6)

Raportul B/T influențează stabilitatea de drum a navei și valorile obișnuite propuse Galin se încadrează în intervalul [2,4;2,8].

(2.2.7)

Raportul L/D are efect asupra rezistenței longitudinale a navei. Valorile uzuale ale raportului se află în intervalul [10;12,5], iar anumite societăți de clasificare precum American Bureau of Shipping limitează valoarea maximă a raportului la 15.

(2.2.8)

Pentru vrachiere și nave de tip tanc limitele valorilor raportului L/D se pot determina cu formula:

(2.2.9)

Raportul D/T evidențiază bordul liber al navei și reprezintă regulă de registru a societăților de clasificare. Galin propune valori uzuale ale acestui raport cuprinse între 1,2 și 1,4 pentru nave cu punte continuă. De asemenea, pentru nave de tip tanc, raportul se poate estima cu relația:

(2.2.10)

(2.2.11)

2.2.4. Coeficienți de finețe

În etapa de proiectare preliminară se pot utiliza formule empirice pe baza cărora se pot obține valori estimative pentru coeficienții de finețe ai navei.

Coeficientul bloc se determină cu relația și influențează stabilitatea și caracteristica de marș a navei. Literatura de specialitate propune câteva expresii de calcul al coeficientului bloc:

Relația Așik pentru nave cu număr Froude cuprins între 0,14 și 0,26:

(2.2.12)

sau

(2.2.13)

Relație statistică de calcul pentru nave tip tanc sau vrachiere:

(2.2.14)

sau

(2.2.15)

Coeficientul suprafeței plutirii este în strânsă legătură cu capacitatea de nescufundabilitate a navei și se determină cu formula , unde reprezintă aria suprafeței plutirii de plină încărcare.

Relația Galin

(2.2.16)

Relație statistică pentru nave de mare tonaj, după Jeleazkov

(2.2.17)

Relație statistică pentru nave cu forme „U”

(2.2.18)

Coeficientul secțiunii maestre se calculează cu relația , unde reprezintă aria secțiunii maestre. Acest coeficient influențează capacitatea navei de amortizare a oscilațiilor de ruliu.

Relația Jeleazkov

(2.2.20)

Relația Noghid pentru nave cu coeficient bloc mai mare de 0,615

(2.2.21)

Relație pentru nave de mare tonaj

(2.2.22)

Coeficientul prismatic longitudinal influențează rezistența navei la înaintare și se determină cu relația .

Relația Așik pentru nave cu număr Froude cuprins între 0,12 și 0,30

(2.2.23)

Relația Noghid pentru nave cu număr Froude cuprins între 0,17 și 0,32 și coeficient bloc mai mare de 0,615

(2.2.24)

Relație statistică pentru nave cu porțiune cilindrică extinsă și coeficient bloc mai mare de 0,74

(2.2.25)

CAPITOLUL III COMPARTIMENTAREA NAVEI

3.1. Generalități

Compartimentarea are rolul de a asigura nescufundabilitatea navei, de a limita extinderea incendiilor dintr-un compartiment în altul și de a împărți nava în încăperi cu diferite destinații. Principalul obiectiv al compartimentării navei îl constituie maximizarea spațiilor de marfă. În acest sens, celelalte spații vor fi reduse la minimul necesar, asigurând totuși spațiile necesare pentru amplasarea echipamentelor și pentru circulație, inspecție și mentenanță [3].

Principalele compartimente etanșe ale navei, obținute prin dispunerea pereților transversali etanși, sunt următoarele:

Compartimentele de coliziune ale navei dispuse la prova și la pupa. La prova, compartimentul cuprins între etravă și primul perete transversal etanș, se numește pic prova și este folosit de regulă ca magazie de materiale de întreținere și vopsele, dar poate fi folosit și ca tanc de balast. La pupa, compartimentul cuprins între ultimul perete transversal etanș și etambou se numește pic pupa și este folosit ca tanc de balast, sau ca magazie de materiale.

Compartimentul mașini, în care sunt dispuse mașinile principale și auxiliare, precum și toate celelalte instalații importante ale navei. Acesta poate fi împărțit în mai multe încăperi neetanșe cu destinații diferite: atelier, camera pompelor, magazii de materiale.

Compartimentele etanșe destinate magaziilor de marfă.

Coferdamurile sunt compartimentele etanșe realizate între pereții transversali dubli, care despart compartimentul mașini de magazii sau de tancurile de combustibil. De regulă, coferdamurile sunt compartimente de izolare, foarte înguste, în care nu sunt montate instalații și nu se depozitează nimic.

3.2. Distanțe regulamentare

Distanțele regulamentare pentru fiecare compartiment, precum și lungimile extinderii acestora, sunt determinate în etapa preliminară pe baza unei nave tanc chimic model, ale cărui dimensiuni și soluții constructive sunt apropiate de tema de proiectare propusă. Astfel, în urma calculelor de compartimentare preliminară (Anexa I), se identifică următoarele compartimente cu distanțe regulamentare aferente:

Picul pupa 600 mm

Compartimentul mașini 800 mm

Spațiile de marfă 800 mm

Picul prova 600 mm

Distanța regulamentară în zona centrală a navei este aproximată pe baza formulei de mai jos, pentru care se permit abateri de 25%.

(3.2.1)

3.3. Picul pupa

Picul pupa este dimensionat în concordanță cu gabaritul și amplasarea instalației de guvernare a navei. Acesta se extinde pe o lungime de 7,2 m, de-a lungul a 12 intervale de coaste. În picul pupa sunt amenajate tancurile de apă dulce și tancurile de combustibil de serviciu pentru motorul principal al navei.

3.4. Compartimentul mașini

Compartimentul mașini este amplasat în pupa navei între coastele C7 și C35. Lungimea de 22,4 m a compartimentului asigură atât spațiul necesar echipamentelor, instalațiilor și tancurilor aferente cât și spațiul necesar căilor de acces și spațiilor de mentenanță.

3.5. Spațiile de marfă

Zona centrală a navei este dedicată amenajării tancurilor de marfă, delimitate de pereții transversali etanși și de dublul înveliș. Zona de transport a mărfii este divizată într-un număr de 12 tancuri delimitate atât transversal cât și longitudinal, după cum urmează:

Tancurile 6 Bb/Tb C36-C57

Tancurile 5 Bb/Tb C57-C82

Tancurile 4 Bb/Tb C82-C107

Tancurile 3 Bb/Tb C107-C128

Tancurile 2 Bb/Tb C128-C153

Tancurile 1 Bb/Tb C153-C167

3.6. Picul prova

Picul prova este delimitat prin amplasarea peretelui de coliziune conform regulilor SOLAS. Acesta este delimitat de coastele C172 și C190 și este amenajat pentru apa de balast. În peretele de coliziune aflat la coasta C172 există o singură penetrare pentru tubulatura instalației de balast.

3.7. Dublul fund

Conform normelor de registru, structura dublului fund este extinsă de la peretele de coliziune al picului prova până la picul pupa, luând în considerare amenajarea compartimentului mașini.

Înălțimea dublului fund este suficientă pentru a asigura accesul pentru tubulatură și mentenanță și nu este mai mică decât valoarea calculată de formula de mai jos:

(3.7.1)

Înălțimea adoptată în dublu fund variază de la tunelul central la tancul de gurnă de la 1550 mm la 1850 mm.

3.8. Dublul bord

Structura dublului bord se extinde pe toată lungimea tancurilor de marfă, de la nivelul dublului fund, până la puntea principală. Lățimea dublului bord nu trebuie să fie mai mică decât valoarea de 760 mm, impusă de normele registrului de clasificare.

Valoarea adoptată a lățimii dublului bord este de 1400 mm. Pentru asigurarea volumului necesar de balast, sunt prevăzute tancuri laterale inferioare în zona gurnei. Plafonul înclinat al tancurilor de gurnă facilitează scurgerea mărfii și evitarea depunerilor, astfel panta suprafețelor înclinate este de 8°.

3.9. Pereții transversali etanși

Pereții etanși sunt capabili să susțină presiunea apei în cazul inundării în orice direcție până la plutirea de bord liber și presiunea datorată mărfii transportate. Treptele și nișele din pereții etanși sunt la fel de rezistente ca peretele respectiv în orice punct.

Nava are 9 pereți transversali etanși, amplasați considerând corespondența cu osatura transversală și care respectă numărul minim de pereți transversali etanși, conform normelor de registru pentru nave cu lungimi cuprinse între 120 și 145 m și compartiment mașini amplasat la pupa.

3.10. Punți și platforme

Nava este prevăzută cu o punte principală continuă de la pupa la prova și cu o platformă de acces între punțile teugă și dunetă la înălțimea de 16700 mm.

În compartimentul mașini sunt amenajate două punți intermediare, la înălțimi de 3600 mm și 8100 mm.

Suprastructura are în componență puntea timoneriei la înălțimea de 27700 mm și încă 3 punți intermediare la 18700 mm, 21700 mm și 24700 mm.

CAPITOLUL IV EȘANTIONAJUL NAVEI ÎN ZONA CENTRALĂ

4.1. Generalități

Dimensionarea elementelor structurale din zona cuplei maestre a navei este realizată conform regulilor Societății de Clasificare Bureau Veritas, corespunzătoare navelor maritime construite din oțel. În vederea realizării eșantionajului se utilizează pachetul de programe MARS 2000 v2.9n. Acesta permite determinarea proprietăților geometrice ale elementelor de osatură din zona centrală a navei și evaluarea rezistenței locale și a rezistenței generale a grinzii-navă.

Utilizând modulul „Basic Ship Data” sunt introduse informații generale despre notația de clasă a navei, dimensiunile principale, momentele de încovoiere ale grinzii-navă, materiale utilizate și distanțe regulamentare.

4.2. Generarea secțiunii maestre

Secțiunea maestră este generată prin intermediul modului „Create & Edit Section”. Acesta permite construcția unei secțiuni transversale a carenei navei utilizând o serie de instrumente integrate în modul. În figurile de mai jos este prezentat grafic procesul de generare a secțiunii maestre: generarea geometriei secțiunii, definirea panourilor și a grosimilor tablelor de înveliș și dublu înveliș, a panoului punții și a osaturii longitudinale.

4.3. Verificarea proprietăților elementelor dimensionate

Utilizând modulul „Rules” se realizează o verificare automată a eșantionajului preliminar al navei în raport cu regulile Societății de Clasificare Bureau Veritas pentru nave construite din oțel. În situația în care programul semnalează neconformități, se intervine manual asupra proprietăților elementelor care nu corespund normelor impuse.

Tot prin intermediul modulului „Rules” sunt calculate proprietățile geometrice ale secțiunii maestre și este evaluată rezistența locală a tablelor și a osaturii longitudinale. Pe baza acestor informații și a diagramelor de forțe tăietoare și momente încovoietoare se realizează o imagine de ansamblu asupra fiabilității soluției constructive și a eșantionajului preliminar.

În acest moment se va avea în vedere valoarea înălțimii axei neutre a secțiunii maestre, valoare necesară ulterior pentru generarea modelului simplificat de analiză FEM: =5,29 m.

Pe baza elementelor din tabelul prezentat mai sus și a cerințelor temei de proiectare este realizat desenul secțiunii maestre (Anexa II). În acest scop, s-a utilizat programul cu licență educațională Autodesk AutoCAD 2021 Student Version.

CAPITOLUL V ANALIZA PRIN METODA ELEMENTULUI FINIT

5.1. Bazele metodei elementului finit

Metoda elementului finit a fost inițial aplicată la proiectarea aeronavelor, structurile fiind idealizate prin modele simple, alcătuite din rețele de bare. Noțiunea de element finit a fost introdusă de Clough în anul 1960 [4]. Metoda elementului finit a cunoscut o dezvoltare rapidă în concomitență cu creșterea capacităților tehnicii de calcul și s-a impus ca o metodă numerică generală de rezolvare a problemelor inginerești din domenii diverse, inclusiv cel naval.

În general, analiza structurală presupune următoarele etape:

stabilirea obiectivelor, tipului și dimensiunii analizei;

modelarea structurii și a condițiilor de margine;

stabilirea și modelarea sarcinilor;

efectuarea analizei și evaluarea rezultatelor.

Tipul și dimensiunea analizei depind de natura răspunsului structural ce urmează a fi obținut. La analizele structurale se pot obține următoarele categorii de răspunsuri:

tensiuni și deformații pentru un caz de încărcarea;

moduri proprii de vibrație;

comportarea elementelor structurale la pierderea stabilității.

Încărcările la analiza structurilor navale includ forțe și presiuni externe, forțe ce rezultă din masa proprie a navei și a încărcăturii din magaziile navei, sarcini termice la navele ce transportă marfă încălzită, suprapresiuni la navele tancuri de gaze, etc.

Răspunsul structural poate depinde de intensitatea solicitărilor, liniar sau neliniar. În cazul structurilor navale, analizele liniare sunt de cele mai multe ori suficiente. Efectele neliniare devin semnificative în următoarele cazuri:

la structuri relativ elastice cu deformații mari (neliniarități geometrice);

la analiza stabilității elementelor structurale;

în cazul apariției deformațiilor în domeniul plastic (neliniarități de material).

La structurile navale, deformațiile și tensiunile pot fi împărțite în următoarele categorii, în funcție de problema analizată:

deformații și tensiuni globale ale grinzii navă și ale elementelor structurale principale;

deformații și tensiuni locale ale elementelor structurale principale și secundare;

concentrări de tensiuni în componentele structurale.

Metoda elementului finit este o metodă numerică matriceală de analiză a structurilor medii continue. Pentru orice problemă structurală, două metode în formulare matriceală complementare sunt posibile:

metoda deplasărilor (rigidității), în care necunoscutele principale nodale sunt deplasările;

metoda eforturilor (flexibilității), în care necunoscutele principale nodale sunt forțele.

În formularea standard matriceală a unei probleme cu elemente finite s-a generalizat varianta prin metoda deplasărilor, aceasta fiind și opțiunea din studiul de față.

O analiză tipică a unei structuri prin metoda elementului finit conține următoarele etape:

Discretizarea structurii continue în elemente finite. Această etapă reprezintă preprocesarea structurii reale și obținerea modelului cu elemente finite echivalente.

Formularea proprietăților pentru fiecare element finit. Pe baza informațiilor de la structura reală se determină proprietățile geometrice și proprietățile de material.

Asamblarea elementelor în vederea obținerii modelului cu elemente finite global echivalent al structurii reale.

Aplicarea pe modelul cu elemente finite echivalente a încărcărilor externe reduse la noduri.

Precizarea condițiilor de margine. Această etapă presupune impunerea unor deplasări date într-o serie de noduri ale modelului cu elemente finite.

Rezolvarea sistemului de ecuații algebric liniar, rezultat pe baza ecuațiilor de echilibru structural pe modelul cu elemente finite echivalent și determinarea deplasărilor nodale.

Calculul câmpului deformațiilor specific și al câmpului de tensiuni pe elemente, folosind valorile deplasărilor nodale ale modelului cu elemente finite.

5.2. Modelări în statica structurilor

Analiza unei structuri este precedată de definirea modelul fizic pe baza căruia se stabilește modelul matematic de analiză propriu-zisă. Analiza este urmată de interpretarea rezultatelor, operarea unor modificări și/sau repetarea analizei sau unor părți ale acesteia.

A defini modelul fizic înseamnă a stabili schema de calcul. Structurile reale prezintă o multitudine de particularități geometrice si mecanice. A ține cont în calcule de toate particularitățile structurii reale nu este posibil, dar nici nu este neapărat necesar.

Acceptând o serie de simplificări, structura reală se înlocuiește cu un model căruia i se atașează un număr redus din atributele structurii reale. Prin astfel de simplificări se obține o modelare geometrică, de comportare a materialului și de interacțiune a structurii studiate cu cele învecinate.

Cele mai simple modele geometrice utilizate în studiul structurilor marine sunt elementele primare de tip grindă, placă, sau membrană utilizate larg și în analiza prin metoda elementului finit în care se mai folosesc diverse macro-elemente.

Modelele structurilor navale realizate prin metoda elementului finit se pot împărți în trei categorii principale [4]:

Modele globale ale grinzii navă;

Modele extinse pe o parte din lungimea navei;

Modele pentru analiză locală structurală.

În cazul modelelor cu elemente finite 2 și 3 trebuie considerate condițiile de margine care să modeleze corespunzător interacțiunea cu elementele structurale adiacente (simetria în planul diametral). Dacă acest lucru nu este posibil, se impune mărirea distanței dintre zona condițiilor de margine și cea a zonei de interes la analiza efectuată.

În cazul studiului prezentat în capitolul următor se va aplica analiza prin metoda elementului finit unui model extins pe lungimea unei magazii din zona cilindrică a tancului chimic descris la începutul lucrării.

CAPITOLUL VI ANALIZA REZISTENȚEI STRUCTURALE A UNUI COMPARTIMENT DE MARFĂ

6.1. Modelul 3D-CAD

Luând în considerare formele prismatice ale navei tanc chimic studiate în zona centrală, zonă destinată tancurilor de marfă, modelul structural simplificat poate fi generat utilizând doar dimensiunile principale ale carenei, și parametrii geometrici ai secțiunii maestre definite anterior, cu mențiunea că extinderea modelului pe lungime este suficientă pentru ca zona analizată să nu fie influențată ulterior de condițiile la limită.

Modelul structural este realizat utilizând modelatorul CAD integrat în pachetul de programe FEMAP/NX NASTRAN, al firmei UGS Corporation / Siemens PLM Software Inc, versiunea STUDENT.

Zona considerată pentru analiză este reprezentată de tancul central de marfă nr.4, poziționat între coastele C82 și C107 și tancurile de marfă adiacente nr.5 (C57-C82) spre pupa și nr.3 (C107-C128) spre prova.

Modelul este prevăzut cu structurile tipice unui sistem longitudinal de osatură și prezintă coaste simple, dispuse la intervale de 800 mm și coaste de tip cadru întărit la fiecare 2400 mm, cu excepția zonelor de amplasare a pereților transversali gofrați și etanși, în vederea descărcării corecte a solicitărilor.

Unitățile de măsură utilizate pe parcursul modelării sunt următoarele:

Lungime milimetri [mm]

Presiune megaPascali [N/]

Masă kilograme [kg]

Sistemul de coordonate global al modelului este definit de axele:

Axa X longitudinală, cu sens pozitiv spre prova

Axa Y transversală, cu sens pozitiv spre babord

Axa Z verticală, cu sens pozitiv în sus

Datorită faptului că majoritatea elementelor structurale sunt repetitive, este suficientă modelarea celor trei tipuri de coaste (Figura 6.1.1) ce urmează a fi multiplicate pe toată extinderea zonei considerate pentru analiză.

6.2. Modelul 3D-FEM

6.2.1. Discretizarea modelului

În vederea transformării modelului 3D-CAD într-un model capabil de analiză prin metoda elementului finit, acesta a fost discretizat în mod standard în 221 872 de elemente de formă patrulateră și triunghiulară, de tip placă, având dimensiunea medie de 225 mm.

Odată cu discretizarea modelului 3D-CAD este necesară stabilirea proprietăților de material și a grosimilor ce vor fi atribuite individual fiecărui element structural. Grosimile și dimensiunile acestor elemente au fost stabilite anterior, în capitolul IV.

6.2.2. Materialul utilizat

Materialul folosit pentru analiză este oțel de înaltă calitate cu rezistență ridicată, specific industriei navale. În această categorie se află oțelurile A32, A36 și A40. Având în vedere cerințele structurale impuse de faptul că zona de navigație este nelimitată, dar și costurile ridicate ale acestei game de oțeluri, se va alege tipul A36. Proprietățile oțelului A36 sunt prezentate în tabelul 6.2.3.

6.2.3. Condiții la limită

Modelului 3D-FEM îi sunt aplicate condiții la limită în cele două extremități pupa-prova. În acest sens, sunt definite nodurile de control pupa și prova, în planul diametral. Coordonatele acestora sunt prezentate în tabelul de mai jos, unde și reprezintă abscisele extremităților, iar și reprezintă cota axei neutre a secțiunii transversale, determinată în capitolul IV.

Utilizând elemente de tip „Rigid”, toate gradele de liberate ale nodurilor din secțiunile prova și pupa vor fi coordonate prin gradele de libertate ale nodurilor de control NDpp și NDpv.

Astfel, la prova modelului, pentru nodul NDpv se blochează deplasările longitudinale și transversale și rotirile în jurul axelor X și Z.

La pupa modelului, pentru nodul NDpp se blochează deplasările pentru toate axele și rotirile în jurul axelor X și Z.

Datorită faptului că modelul idealizează doar jumătate din lățimea reală a navei, se vor aplica și condiții la limită de simetrie. Astfel, în toate nodurile dispuse în planul diametral al modelului, se blochează translația de-a lungul axei Y și rotirea în jurul axei X.

6.2.4. Solicitări aplicate

Analiza rezistenței structurale a modelului presupune aplicarea următoarelor tipuri de solicitări:

Încărcarea gravitațională, din propria greutate a elementelor structurale ale carenei.

Încărcarea dată de marfa din interiorul tancurilor, idealizată pe dublul înveliș și pe pereții transversali gofrați ca presiunea hidrostatică din marfă pentru cota de referință HHC. Această cotă corespunde unei încărcări de 98% a volumului tancurilor de marfă, cu fluide având densitatea maximă de 1,54 t/. Legea variabilă prin care este aplicată presiunea hidrostatică din marfă este descrisă de relația (6.2.1).

Max(0.000;(1.54e-5*(!HHC-ZEL(!EL)))) (6.2.1)

Încărcarea din valul cvasi-static echivalent de întâlnire, corectat Smith, cu presiune echivalentă hidrostatică, cu elongația raportată la planul de bază al navei. În funcție de cazurile ce urmează a fi analizate, înălțimea valului este determină cu relația (6.2.2), unde coeficientul pentru zonă de navigație nelimitată.

(6.2.2)

Încărcarea din momentele încovoietoare pe nodurile de control pupa și prova din solicitările generale ale grinzii navă, calculate preliminar și furnizate de pachetul de programe MARS2000 sunt prezentate în tabelul de mai jos:

6.3. Analiza modelului 3D-FEM

S-a analizat rezistența globală și locală a modelului 3D-FEM simplificat și extins pe zona celor trei tancuri de marfă pentru cazul de gol și creastă de val. În ambele cazuri este prezentată situația în care nava se află la pescajul de plină încărcare (9,4 m) și în care nivelul de umplere al tancurilor de marfă corespunde cotei de 11,4 m față de planul de bază, adică 98% din volum. S-a considerat densitatea maximă admisibilă a încărcăturii lichide de 1,54 t/.

Rezultatele ce urmează a fi prezentate reprezintă distribuția deformațiilor și tensiunilor generale și locale a tancului de marfă nr.4, în ambele cazuri de val. Jumătățile tancurilor de marfă adiacente nr. 3 și nr. 5 au fost excluse după efectuarea analizei cu scopul de a nu influența rezultatele, întrucât extremitățile lor conțin condițiile la limită.

Cele două cazuri analizate produc așa numitele fenomene de „hogging” și de „sagging”. Aceste fenomene duc la încovoierea longitudinală a grinzii-navă în sens pozitiv sau negativ al axei verticale. Solicitările ating valoarea maximă atunci când lungimea valului este egală cu lungimea navei, iar creasta sau golul valului sunt la mijlocul carenei.

6.3.1. Cazul poziționării pe creastă de val

În figurile de mai jos sunt prezentate rezultatele analizei statice pentru cazul crestei de val, utilizând modulul de analiză NX NASTRAN, integrat în pachetul de programe FEMAP.

6.3.1. Cazul poziționării pe gol de val

În figurile de mai jos sunt prezentate rezultatele analizei statice pentru cazul golului de val, utilizând modulul de analiză NX NASTRAN, integrat în pachetul de programe FEMAP.

CONCLUZII

În lucrarea de față, este prezentată analiza comportamentului structural al navei propuse în tema de proiectare, respectiv un tanc chimic având capacitatea de 16000 tdw. În acest sens, au fost parcurse următoarele etape:

Determinarea și verificarea dimensiunilor principale ale navei pe bază statistică

Compartimentarea preliminară a corpului navei.

Dimensionarea elementelor structurale de osatură și de înveliș pe baza cărora s-a realizat modelul 3D simplificat supus analizei prin metoda elementului finit.

Generarea modelului 3D-FEM simplificat, utilizând pachetul de programe FEMAP/NX NASTRAN, al firmei UGS Corporation / Siemens PLM Software Inc, versiunea STUDENT.

Analiza modelului 3D-FEM simplificat a evidențiat stările de tensiune și deformație ale tancului de marfă nr. 4 în două dintre cele mai nefavorabile situații: nava aflată la pescajul de plină încărcare în cazul poziționării pe creastă sau gol de val.

În cazul poziționării pe creastă de val și a apariției fenomenului de „hogging”, se observă încovoierea longitudinală a modelului în sens negativ al axei verticale Z. Din punct de vedere al rezistenței globale, structura tancului de marfă prezintă tensiuni echivalente care nu depășesc limita admisibilă a oțelului utilizat de calitate A36. Tensiunile echivalente maxime sunt identificate în osatura longitudinală a punții, în special la nivelul îmbinărilor dintre curentul de punte longitudinal și osatura transversală compusă, unde acestea ating valori de până la 327 MPa, sub forma unor concentratori locali.

În cazul poziționării pe gol de val, se remarcă fenomenul de „sagging”, adică încovoierea longitudinală a modelului în sensul pozitiv al axei verticale Z. Comparativ cu situația anterior analizată, tensiunile echivalente maxime sunt mai scăzute, acestea ajungând la valori de aproximativ 290 MPa, însă se identifică tot la nivelul osaturii longitudinale a punții sub forma concentratorilor locali.

În ambele cazuri analizate nu s-au observat desprinderi ale elementelor structurale sau deformații date de deplasări excesive. Valorile acestora nu depășesc 29 mm.

Conform figurilor 6.3.1 și 6.3.7, se observă că una din sursele problemei concentrărilor locale de tensiune de la nivelul curentului longitudinal al punții ar putea fi îmbinarea cu pereții transversali etanși.

Analiza prezentată în această lucrare oferă o vedere de ansamblu asupra fiabilității soluției constructive adoptate pentru un tanc chimic cu dublu înveliș și sistem longitudinal de osatură și constituie o bază pentru eventuale optimizări care pot fi aduse din punct de vedere al rezistenței structurale și al costurilor al calității oțelului folosit.

BIBLIOGRAFIE

ANEXE

ANEXA I – CALCUL DE COMPARTIMENTARE PRELIMINAR

ANEXA II – SECȚIUNEA MAESTRĂ

ANEXA III – PLANUL DE FORME AL NAVEI

ANEXA IV – PLANUL GENERAL DE AMENAJARE AL NAVEI