"Пионер-М" - альтернативный вариант

Исследовательский катамаран из композитов: альтернативные решения

Автор статьи — инженер-кораблестроитель, кандидат технических наук, FRINA, CEng, MSNAME, в настоящее время — директор КБ "Альбатрос Марин Дизайн", член рабочих групп ISO и DNVGL по прочности многокорпусных судов и по скоростным судам. В предлагаемом материале сделана попытка проанализировать, каким может быть научно-исследовательский катамаран из композитов для Севастопольского госуниверситета при профессиональном подходе к его проектированию.

(Примечание: открытая информация по текущему состоянию проекта "Пионер" доступна на сайте госзакупок).

Давать оценку чужим проектам — это неблагодарное дело. Даже когда проект сделан для родного Севастопольского университета. Более интересная задача — предложить альтернативу, попытаться решить задачу в контексте "а как бы к этому проекту подошли мы?", систематизировать опробованные на практике подходы к созданию таких судов, проанализировать типичные ошибки проектирования и озвучить решения, позволяющие повысить эстетические, функциональные качества и безопасность.

Следует напомнить, что под руководством автора статьи разработано около 50 реализованных проектов катамаранов различного назначения, большей частью из композитных материалов (КМ) (рис. 1а-в). Некоторые этих судов построены в России; суда эксплуатируются от Большого барьерного рифа в Австралии до Обской губы в Сибири. Более того, нашим коллективом выполнен ряд экспериментальных исследований на подобных судах, опубликован ряд научных работ и др. Поэтому вновь берущимся за подобные проекты не помешает прислушаться к актуальному опыту создания аналогичных уже действующих судов.

Взаимодействие маломерного судна со стихией сложно и не поддается полному моделированию. Поэтому существуют определенные подтвержденные практикой каноны проектирования, при существенном отклонении от которых судно может продемонстрировать непредсказуемые и опасные качества.
 

Рисунок 1а / Альберт Назаров

Рисунок 1а. Прогулочный катамаран пр. PV199 из КМ длиной 19,9 м, построен в России компанией "Композитное кораблестроение" по проекту КБ "АМД", сертификация ГИМС. Судно признано значительным проектом 2018 года британским Королевским обществом морских инженеров.
 

Рисунок 1б / Альберт Назаров

Рисунок 1б. Прогулочный катамаран пр. H65 из КМ длиной 19,5 м, построен в Таиланде, имеет сертификацию СЕ "А". Судно оборудовано системой солнечных батарей, способной обеспечить бытовых потребителей.
 

Рисунок 1в / Альберт Назаров

Рисунок 1в. Спасательный катамаран с пожарным оборудованием пр. SMFF18 длиной 18 м, построен из КМ на основе углепластика на Шри-Ланке на класс LR.

Сразу заметим, что в рассматриваемом случае длина проектируемого судна была ограничена до 20 м — чтобы попасть в категорию "маломерных", иначе Морской регистр никогда не согласует судно из КМ по применяемым им (и не имеющим аналогов в мире!) требованиям конструктивной противопожарной защиты. Совершенно разумное стратегическое решение — работать на адекватной нормативной базе, "под ГИМС" и технический регламент ТС-026, который, в свою очередь, позволяет использовать хорошо отработанные стандарты ISO. Это должно позволить, казалось бы, спроектировать эффективное современное судно...

Особенности архитектуры

Архитектура катамаранов и их общее расположение обусловлены наличием тоннеля. По этой причине по своей природе катамараны "высокие", благо начальная остойчивость вроде бы позволяет увеличить высоту судна. Опыт эксплуатации катамаранов показывает, что необходимо стремиться к увеличению вертикального клиренса тоннеля одновременно без чрезмерного роста высоты надстроек. Катамаран с избыточным объемом надстройки имеет избыточную парусность, что приводит к снижению мореходности, невозможности управления судном в условиях ветра и волнения, особенно при сходе с волны. На рис. 2 показан анализ площади боковой парусности A_LV ряда судов в сравнении с судном "Пионер" (текущий вариант), проектируемым для СевГУ. Очевидно, что проектируемое судно по рассматриваемому параметру A_LV/L_H² существенно превышает существующие суда, в том числе плавучие дачи, используемые в закрытых водоемах...
 

Рисунок 2 / Альберт Назаров

Рисунок 2. Статистические данные по боковой парусности судов катамаранного типа

Для мореходных судов положительно себя зарекомендовала компоновка с обитаемыми помещениями в корпусах, что позволяет минимизировать объем надстройки и понизить центр масс судна (см. рис.3 и 4).

Обводы корпуса, ходовые и мореходные качества

Выбор параметров обводов катамаранов включает как форму полукорпуса, так и взаимное положение полукорпусов и моста, существенно влияющее на интерференцию корпусов и мореходные качества. Можно отметить следующие рекомендации в части вертикального клиренса моста, оказывающего первостепенное влияние на мореходные качества:
- минимально допустимый вертикальный клиренс моста на миделе для водоизмещающего катамарана t_M≥(0,045 — 0,060)L;
- относительно эксплуатационной высоты волны h_1/3, из условия начала слеминга моста вертикальный клиренс на миделе t_M≥0,5h_1/3; в носовой оконечности вдвое больше t_F≥h_1/3.

Эти рекомендации автора были включены в недавно изданный всеобъемлющий труд по проектированию многокорпусных судов; аналогичные рекомендации приводят другие специалисты.

Очевидно, что, например, проектная высота клиренса на миделе всего t_M=0,85 м недостаточна для мореходного катамарана длиной L=19,9 м (0,043 L). Из условия мореходности 5 баллов по волнению (среднее h_1/3=3,25 м по STANAG 4194) необходим клиренс на миделе t_M≥1,62 m; в носу t_F≥3,25 m.

Имиджевый фактор

Проект "Пионер" имеет, безусловно, важную имиджевую составляющую — не просто как университетское исследовательское судно, но и как демонстратор российских технологий, место для проведения встреч и международных семинаров. Поэтому приоритетное внимание должно быть уделено внешнему виду судна — дизайн экстерьера должен быть инновационным, функциональным, стильным... а не напоминать брошенный в воду холодильник. Эти же соображения работают для внутренних помещений — рациональное использование и конвертирование пространства на судне, подход "дизайн вокруг человека" (human-centered design), достижение необходимого "вау-эффекта" для коллег и гостей — без этого современное инновационное судно немыслимо.
 

Рисунок 3 / Альберт Назаров

Рисунок 3 / Альберт Назаров

Рисунок 3 - Концептуальный проект катамарана P199 длиной L=19,9 м (предложение автора).

Что предлагается?

Итак, как можно было бы решить эту задачу? Несколько лет назад нами был разработан концепт-проект 65-футового исследовательского катамарана для клиента из Гонконга. На его базе в самом конце 2018 года мы сделали несколько предлагаемых вниманию читателей эскизов катамарана названного P199 (рис. 3) длиной 19,9 м; в них должным образом реализованы как особенности мореходных качеств и конструкции катамаранов, так и имиджевые ожидания от проекта в части современного дизайна и уровня функциональности. (Заметим, что на этот дизайн нами уже подана заявка на патент.)

Внешний дизайн сочетает современные формы с функциональностью рабочего судна. Надстройка имеет адекватные пропорции, силуэт рационален и сбалансирован. Палуба бака имеет доступ для обслуживания устройств, и высоко поднята над ватерлинией. На судне достаточно места для шлюпок, оборудования, устройств.

В предлагаемом варианте внутренней компоновки салон выполнен на всю ширину судна (рис. 4), имеет панорамное остекление, функционально является кают-компанией и рабочей зоной открытого типа, конвертируемой при необходимости в лекционное помещение. Экипаж и персонал (всего не более 16 человек!) во время отдыха могут воспользоваться брекфаст-баром по левому борту или рабочей зоной по правому борту — чтобы с комфортом посидеть с ноутбуком, провести сеанс связи с коллегами и родными. Это очень отличается от виденных автором проектных компоновок, где "кок несет кастрюлю с борщом из камбуза в кают-компанию через несколько дверей".

Исследовательский блок в виде сменного модуля примыкает к кормовой части салона; при этом для улучшения эстетических и функциональных свойств судна и снижения массы модуль может быть выполнен из КМ (зачем возить на маломерном судне 20-футовый контейнер — это лишние 2 тонны!). Верхний ярус надстройки представляет собой рулевую рубку и комнату совещаний. На нижней палубе корпусов и в носовой части главной палубы размещены каюты экипажа и персонала.

Обводы корпуса P199 отражают наш опыт постройки подобных судов и результаты CFD-моделирования выполненных ранее проектов. Можно заметить значительный вертикальный клиренс и необходимый подъем мостовой конструкции в носу. Форма кормовой оконечности позволяет защитить винторулевой комплекс даже при постановке судна на грунт; винт имеет максимальный диаметр, что особенно важно для судов с электродвижением. Носовое и кормовое подруливающие устройства имеют должное заглубление и плечо. Заглубление и килеватость носовой части придает судну благоприятные характеристики качки на встречном волнении. Увеличена плавучесть носовой оконечности, что улучшит поведение судна на волнении с кормовой четверти. Кормовой подзор в виде платформы также служит демпфированию килевой качки. Для снижения заливаемости, повышения обитаемости и жесткости предназначены гофры на бортах катамарана...
 

Альберт Назаров

Рисунок 4 – Планировка палуб катамарана Р199 (предложение автора).

Конструкция и прочность

Поскольку для судов из КМ материал корпуса проектируется непосредственно в процессе создания проекта судна, конструкция и прочность таких судов имеет первостепенное значение для определения их проектных характеристик, в том числе определения масс на ранних стадиях проектирования. При отсутствии должного опыта и отсутствии данных по судам-прототипам недооценка массы конструкций (включая технологические факторы и запасы) приводит к существенному превышению расчетного водоизмещения и радикальной утрате катамараном эксплуатационных качеств.

Принято рассматривать местную прочность отдельных пластин обшивки и балок набора и общую прочность, когда корпус рассматривается как составная балка.

Определяющими для расчета местной прочности являются базовые давления при слеминге. Нами выполнена серия экспериментов по замеру ударных нагрузок на днище на волнении, которые выполнялись на натурных катамаранах датчиками давлений, синхронизированными с датчиками ускорений. Эти результаты убедительно показывают, что унифицированные методики иностранных классификационных обществ (ИКО) и ISO12215-5 наиболее адекватно отражают действующие нагрузки. По сравнению с ИКО, формулы российских классификационных обществ и стандартов пока не имеют достаточной истории применения.

Опыт проектирования конструкций катамаранов свидетельствует, что общая прочность корпуса длиной до 30 — 40 м всегда обеспечивается с большим запасом, а определяющей является именно местная прочность. Для практического проектирования конструкций из КМ нашим КБ применяются два вида расчетных методов: двухмерный пакетный анализ для пластин и балок и трехмерный анализ, реализуемый методом конечных элементов (МКЭ) для задач общей прочности. В отличие от судов из изотропных материалов, для конструкций из КМ используется одновременно несколько критериев прочности, которые унифицированы у большинства ИКО.

Практика показывает, что для судна длиной 19,9 м, особенно в зонах слеминга, неподкрепленные размеры трехслойных панелей всегда ограничены общей жесткостью панели, прочностью оболочек, прочностью на сдвиг сэндвича, минимальным количеством слоев и т.д. Так, панели борт/днище размером 2,5 х 5 м или мостовые панели в носу 1,5 х 4,5 м не пройдут сразу по нескольким критериям "в разы" — при расчете как по правилам LR SSC, так и по стандарту ISO12215-5. Хотелось бы, чтобы при проектировании судов катамаранного типа из КМ вопросам прочности конструкций уделялось должное внимание.

Применяемые материалы

В конструкции катамаранов из КМ рассматриваемого размера применяется до 10 — 20 типов ламинатов для различных участков, состоящих в комбинациях из разных типов армирующих материалов, а также заполнителя трехслойной конструкции — сэндвича. Это позволяет оптимизировать весовые и прочностные характеристики конструкции.

Определенную сложность представляет обоснованное применение различных материалов сэндвича. В настоящее время на рынке доступно большое их количество — пенопласты, соты, бальза, балкинговые маты и т.д. В частности, находят применение полипропиленовые сотовые заполнители типа Nidaplast, Nidacore, Hexacor, Plascore.

Полипропиленовые сотовые материалы обладают низкой прочностью на сдвиг — всего 0,3 — 0,6 МПа при плотности в конструкции до 120 кг/м³ (с учетом поглощения смолы). Из нашего опыта, эти материалы могут с успехом применяться на судах длиной до 12 м, исключая нагруженные конструкции. При использовании на судах большего размера панели конструкции требуют частого набора, что приводит к неоправданному усложнению и утяжелению конструкции. На ряде судов автору приходилось наблюдать явления "ползучести" сотовых заполнителей в зоне слеминговых нагрузок, а также явления поглощения воды при повреждении наружной оболочки, что может приводить к замерзанию и разрыву ламината при хранении на берегу в холодном климате.

Более того, общепринятый стандарт ISO12215-5 (и следовательно, ссылающийся на него ISO12215-2, указанный в ТР ТС-026) напрямую запрещает использовать для днища судов L>15 м сотовый заполнитель с прочностью на сдвиг менее 0,8 МПа (см. табл. 11 и 13 в ISO12215-5). Например, прочность материала Nidaplast ниже указанной величины, поэтому не следует применять его в днищевой конструкции судов рассматриваемого размера.

Таблица 1 ? Варианты панелей обшивки днища катамарана L=19,9 м, DSPL=70 т

Тип заполнителя	Плот- ность, кг/м3	Тол-щина, мм	Максимальная неподкреплен-ная ширина панели, b, мм	Удельная масса панели, кг/м2
				без набора	с набором
Соты Nidaplast*	120	20	225	18,4	33,5
Соты Nidaplast*	120	40	400	20,8	29,3
Пенопласт H80	80	20	365	17,6	26,9
Пенопласт H100	100	20	750	18	22,5
Пенопласт H130	130	20	1400	18,6	21
Пенопласт ПХВ115	115	20	550	18,3	24,5

*- использование на днище судов L>15 м запрещено по ISO12215-5

В таблице 1 представлены равнопрочные (по критерию сдвига заполнителя) варианты обшивки днища катамарана при одинаковом армировании оболочек и варьировании типа заполнителя трехслойной конструкции. Расчет в таблице 1 выполнен по ISO12215-5; расчет по правилам LR SSC дает аналогичный результат — вариант с сотами наиболее тяжелый. Использование заполнителей с низкой прочностью на сдвиг требует частого набора и неоправданно повышает массу и трудоемкость конструкции. По мнению автора, наиболее перспективным материалом заполнителя является пенопласт необходимой плотности (варьируемой 60 — 130 кг/м³, в зависимости от элемента конструкции), в том числе российского производства. На тяжело и ударно нагруженных участках, а также в качестве закладных деталей и ледового пояса нами применяются маты типа Coremat/Soric, имеющие плотность после импрегнации 600 кг/м³.
 

Рисунок 5 / Альберт Назаров

Рисунок 5. Анализ запасов по критериям прочности r для двух ламинатов из табл. 1. Критерии: К1 и К2 – прочности оболочек на растяжение/сжатие, К3 – изгибная жесткость; К4 и К5 – критерии минимальной массы наружной и внутренней оболочек К6 – прочность заполнителя на сдвиг.

Помимо рационального выбора заполнителя, необходимо контролировать баланс критериев прочности при проектировании ламината в целом. На рис. 5 представлены используемые нами диаграммы распределения запасов по критериям прочности. В качестве индикатора используется отношение r располагаемого запаса прочности к требуемому запасу по каждому из критериев К1-К6, рассчитанных по стандарту ISO12215-5. Существенный дисбаланс в сторону удовлетворения одного из критериев приводит неоправданному утяжелению конструкции. Очевидно, что для днищевой панели ламинат на основе Nidaplast не является оптимальным – по критерию К3 жесткости ламината r=140, в то время как по К6 критерию сдвига заполнителя r=1. Для ламината на основе пенопласта H130 величины r более сбалансированы и лежат в диапазоне 1 — 3; это более рациональное проектирование, поэтому этот вариант панели легче. При проектировании ламинатов необходимо стремиться к сбалансированному удовлетворению критериев (то есть все r должны стремится к 1), в то же время учитывать технологические и эксплуатационные особенности конструкции.

Заключение

Подведем итог: считаем, что для обеспечения мореходных качеств вертикальный клиренс катамарана и пропорции надводной части должны соответствовать приведенным выше рекомендациям, выработанным на основе хорошо зарекомендовавших себя судов. В противном случае, катамаран превращается в плавучую дачу для закрытых водоемов. Особенно усугубляется проблема со снижением клиренса, если судно оказывается перетяжелено при постройке/дооборудовании, к чему катамараны очень чувствительны.

Прочность катамарана, по нашему мнению, должна соответствовать хорошо проверенным на практике стандартам/правилам, прежде всего — ИКО и ISO12215. В конструкции судна должны применяться материалы заполнителей, предусмотренные международной практикой.

Катамаран из КМ как тип судов широко распространен за рубежом; в России также имеется положительный опыт создания подобных судов. При разработке инновационного проекта исследовательского судна, наряду с новаторским подходом, следует опираться на уже опробованные решения в части компоновки судна, обводов корпуса, конструкции и материалов, применять проверенные на практике нормативные документы и привлекать для строительства и проектирования кадры с опытом реализации подобных проектов. Это позволит избежать дорогостоящих ошибок и гарантировать положительный результат проектирования и постройки. Без всего перечисленного реализацию проекта "Пионер" считаем преждевременной.