Проектирование разнообразных морских сооружений, предназначенных для освоения минерально-сырьевых ресурсов на арктическом континентальном шельфе, сопряжено с необходимостью решения широкого круга статических и динамических задач, с изучением перемещения этих объектов под действием волнения, ветра, течения и льда. Как правило, такие исследования направлены на обоснование безопасности эксплуатации сооружения на различных стадиях его функционирования или безопасности выполнения морских операций с его участием. Перемещения плавучих сооружений возможны, как правило, во всех шести степенях свободы и сложным образом связаны с самими нагрузками, вызывающими эти перемещения, с гидродинамическим влиянием находящихся поблизости иных плавучих или стационарных объектов, с реакцией отбойных устройств или систем удержания, которыми оснащаются некоторые сооружения. Сложность описания поведения морских объектов под действием природных нагрузок усугубляется нерегулярным характером последних. В такой ситуации использование простых инженерных методов анализа, на которых основываются российские нормативные документы, далеко не всегда обеспечивает получение надежных результатов.
Наиболее универсальным и относительно дешевым способом решения широкого круга сложных инженерных задач, возникающих на стадиях проектирования, возведения и эксплуатации сооружений для обустройства морских месторождений, является применение методов математического моделирования.
В настоящее время применительно к проблемам проектирования морских сооружений наблюдается параллельное развитие двух подходов в компьютерном моделировании. Первый, наиболее наукоемкий подход, базируется на использовании универсальных программных комплексов, таких как ANSYS, CFX, STAR-CD, позволяет решать отдельные инженерные задачи, но нередко требует больших вычислительных ресурсов, которые может обеспечить только суперкомпьютер.
Второй подход направлен на развитие проблемно-ориентированных комплексов, которые могут решать широкий круг инженерных задач с помощью персональных компьютеров и поэтому доступны любому инженеру. Примерами таких программных комплексов являются программные продукты семейства SESAM, такие как DEEPC, Wadam, SIMO, RiflexDeepC и др.
Названные программные комплексы производятся за рубежом, поэтому создание и развитие отечественных средств аналогичного назначения является сегодня актуальной задачей. В настоящей статье представлены функциональные возможности и приведены примеры использования проблемно-ориентированного программного комплекса «Anchored Structures», который уже более 20 лет развивается в России, успешно использовался в различных проектах и не уступает программным продуктам семейства СЕЗАМ.
Состав и возможности программного комплекса
Программный комплекс «Anchored Structures» [11] разработан сотрудниками Санкт-Петербургского политехнического университета (СПбПУ), в установленном порядке зарегистрирован в Роспатенте, имеет действующий Сертификат Российского Морского Регистра судоходства, включен в Единый Реестр российских программ для ЭВМ и способен решать большое число разнообразных статических и динамических задач, возникающих на стадии проектирования, возведения и эксплуатации морских сооружений.
Программный комплекс построен по модульному принципу – каждый пользователь в зависимости от объема и сложности решаемых задач может расширять состав комплекса в соответствии со спецификой собственных инженерных разработок. Всего программный комплекс содержит около 50 программных модулей, которые объединены в блоки по функциональному назначению.
Блок подготовки исходных данных позволяет в удобной форме задать и корректировать все исходные данные, необходимые для математического моделирования. Блок программных модулей «Pre-processor» позволяет сформировать трехмерную модель изучаемого объекта средствами собственного редактора или с помощью созданного интерфейса передать ее из среды AUTOCAD или ANSYS. При подготовке к моделированию поведения сооружения под действием внешних сил в программном комплексе рассчитываются гидродинамические характеристики морских сооружений, жесткостные характеристики якорных и швартовых связей, описываются характеристики отбойных устройств.
Блок расчета нагрузок позволяет моделировать внешние воздействия на морской объект (регулярное или нерегулярное волнение, волны малой или конечной высоты, течение, ветер с учетом ветровых порывов, поля ровного или торосистого льда и т.п.), вычислять внешние нагрузки на морские объекты при различных постановках задачи. В частности, нагрузки от волнения на сооружения, сравнимые по размеру с длиной волн, определяются с учетом дифракции численным путем с помощью метода пространственных источников излучения [19]; на сооружения, состоящие из элементов небольших по сравнению с длиной волны размеров, используется метод расчета по формуле Моррисона [2]. Нагрузки от ровных и торосистых льдов в программном комплексе можно рассчитывать по российским нормам [1, 2], а в случае податливых сооружений доступен модуль, основанный на авторской методике, позволяющий вычислять ледовые нагрузки в динамической постановке [10]. Нагрузки от ветра и течения вычисляются с учетом эпюр изменения скорости по высоте, а в случае ветра – и с учетом динамики ветровых порывов.
Семейство статических задач, решаемых в модулях блока статики, позволяет найти исходное положения податливого (заякоренного) сооружения, определить его смещение под действием статических нагрузок. Кроме того, в этот блок включены модули, позволяющие рассчитывать остойчивость плавучих объектов, а также решать разнообразные задачи балластировки морских сооружений.
Программные модули динамических задач основаны на численном решении нелинейных дифференциальных уравнений движения сооружения (или группы сооружений). Решение выполняется во временной области, но в зависимости от выбора пользователя постановка динамической задачи (и трудоемкость моделирования) может варьироваться. В наиболее простой постановке дифференциальные уравнения движения учитывают нелинейность реакции якорных, швартовых связей, нелинейность реакции отбойных устройств, взаимное влияние близко расположенных корпусов морских сооружений, их взаимное движение при наличии швартовки и т.п. В более сложной постановке решаются интегро-дифференциальные уравнения движения, учитывающие изменение во времени гидродинамических характеристик морского сооружения. Такой подход необходим, например, при моделировании постановки сооружения на морское дно, когда присоединенная масса сооружения может измениться в несколько раз по мере приближения его опорной плоскости к морскому дну. Наиболее трудоемкой задачей является совместное решение уравнений движения сооружения, якорных линий и линий, обладающих изгибной жесткостью. Однако в ряде случаев оценка динамики якорных связей как анализ динамики трубопроводов необходим.
При решении практических инженерных задач с помощью данного программного комплекса, для принятия решений выполняется математическое моделирование поведения сооружения в течение длительного интервала времени. Это может быть расчетный шторм (чаще всего длительностью 6 часов) или совокупность режимов эксплуатации, формируемых по полновероятностной схеме и описывающих поведение сооружения в течение его жизненного цикла. В зависимости от использованного динамического подхода длительность моделирования 6-часового шторма на стандартном персональном компьютере составляет от нескольких минут до нескольких часов.
Результаты математического моделирования поведения морских объектов обрабатываются в модулях «Postprocessor» и представляются в табличной, спектральной, вероятностной, графической и мультимедийной форме. Программные модули блока управления обеспечивают не только координацию всех вычислительных процессов, позволяют моделировать задачи в пакетном режиме, но и обеспечивают отображение в реальном времени поведения исследуемых объектов в процессе математического моделирования. Таким образом, выполняющий разработку исследователь имеет возможность визуального анализа поведения объектов в тех или иных ситуациях, что нередко оказывается эффективным инструментом инженерного анализа.
Программный комплекс позволяет реализовывать параллельные вычисления, распределяя вычислительные процедуры на различные процессоры персонального компьютера. Этот прием позволяет, например, одновременно моделировать поведение морского сооружения под действием 8 штормов, действующих с различных румбов. Высокая вычислительная эффективность моделирования позволяет решать весьма трудоемкие задачи оптимизации систем удержания морских заякоренных сооружений, работающих на шельфе [18], или решать задачи в полновероятностной постановке [15].
На протяжении 20 лет программный комплекс поставляется научно-исследовательским и проектным организациям. В Политехническом университете организовано обучение пользователей, компания правообладатель (ООО «ЦКМ ДМС») обеспечивает консультации заинтересованных организаций, сопровождение программного комплекса и при необходимости выполнение совместных пилотных проектов. В настоящее время программный комплекс используется рядом известных организаций: ОАО ЦКБ МТ «Рубин», ОАО ЦКБ «Коралл», ФГУП «Крыловский государственный научный центр», ООО «ЛУКОЙЛ-Инжиниринг», ООО «ВолгоградНИПИморнефть», ООО «Арктический Научный Центр», ООО «Си Эн Жи Эс Инжениринг», ООО «Фертоинг» и др.
Программный комплекс «Anchored Structures» используется также в учебном процессе в ряде высших учебных заведений. Согласно концепции подготовки современной генерации инженеров [3, 4], для специалистов и магистров, специализирующихся в области проектирования, строительства и эксплуатации морских объектов, на платформе этого комплекса проводится практикум по освоению основных его возможностей. Обучение студентов организовано в Санкт-Петербургском государственном морском университете, СПбПУ, Севастопольском государственном университете, Дальневосточном федеральном университете. В СПбПУ опубликованы учебные пособия [12, 13], в том числе доступные дистанционно в электронном формате, помогающие осваивать математическое моделирование с использованием программного комплекса «Anchored Structures».
Использование программного комплекса в научно-технических проектах
За последние 20 лет большое число значимых проектов реализовано с использованием данного программного комплекса. Несколько примеров таких проектов приводятся ниже.
В период с 2003 по 2008 гг. цикл работ, выполненных научными сотрудниками СПбПУ, был посвящен математическому моделированию плавучих заякоренных морских сооружений, предназначенных для обустройства Штокмановского газоконденсатного месторождения (ШГКМ). Акватория, где необходимо устанавливать сооружения для освоения месторождения, имеет глубину 320 м. Экстремальные внешние воздействия на сооружения обусловлены в летний период волнением с высотой волн столетней повторяемости до 27 м, льдами в зимний период времени толщиной до 3 м и прочностью 1,5 МПа.
Для этих условий в 2003 г. в ЦКБ МТ «Рубин» с нашим участием были разработаны ледостойкие конструкции платформ типа SPAR и TLP (рис. 1). Варианты систем удержания этих платформ создавались и совершенствовались на основании численных экспериментов, моделирующих в ПК «Anchored Structures» поведение платформ в условиях шторма, воздействия полей ровного или торосистого льда [17]. Подготовленные конструктивные решения затем были проверены в условиях физического эксперимента в Крыловском государственном научном центре.
В дальнейшем в 2008 г. методами математического моделирования изучены несколько вариантов сооружений (рис. 2), предложенных ЦКБ МТ «Рубин» и компанией Sdag (платформы типа SPAR и судно FPU). Выявлены существенные динамические эффекты, происходящие при взаимодействии судна с поворотной турелью с грядами торосов, и определены параметры системы удержания судна FPU, позволяющие существенно снизить опасность динамических усилий в якорных связях [16]. Полученные в рамках математического моделирования результаты впоследствии были экспериментально проверены норвежскими партнерами проекта и учтены в проекте технического задания на рабочее проектирование.
По проблемам айсберговой угрозы для объектов обустройства ШГКМ по заказу ОАО «ГНИНГИ» было выполнено вероятностное моделирование последствий возможного контакта айсбергов с корпусом объектов обустройства или с системой их удержания [15]. Рассматривалось два типа сооружений: судно с поворотной турелью и платформа типа SPAR (рис. 3).
Ввиду того что ряд важнейших параметров носили случайный характер, они были представлены в форме вероятностных гистограмм. В результате множество событий, связанных с прохождением айсберга в непосредственной близости от сооружения, представлялись совокупностью расчетных случаев с вычисленной заранее вероятностью (рис. 4).
Каждый расчетный случай моделировался в программном комплексе «Anchored Structures». Для каждого варианта сооружения (заякоренного судна или платформы), находящегося в том или ином расчетном положении, последовательно моделировалось взаимодействие того или иного айсберга, движущегося из заданного исходного положения, с заданной скоростью, в заданном направлении. В результате реализации процедуры полновероятностного моделирования было получено 2160 расчетных случаев, отличающихся сочетанием значений параметров, влияющих на последствия прохождения айсберга через зону моделирования. По итогам анализа прохождения айсберга через зону моделирования выявлены ситуации, классифицируемые как «авария», и вычислена суммарная вероятность аварии при попадании айсберга в зону постановки сооружения. Полученные вероятностные оценки подтвердили возможность эксплуатации сооружения в этой акватории (зона допустимого риска) и показали целесообразность реализации мероприятий по айсберг-менеджменту для снижения этого риска.
ПК «Anchored Structures» использовался также для математического моделирования накатки верхнего строения платформы (ВСП) «Хаттон» на опорное основание платформы, созданной для освоения месторождения «Приразломное» [9].
Суть операции заключалась в предварительной установке опорного кессона, доставке ВСП на барже к кессону и накатке ВСП на кессон. Использование разработанных программных средств позволило одновременно моделировать воздействие ветра, течения и волнения, гидродинамическое взаимодействие корпусов барж и кессона, а также движение ВСП вдоль палубы кессона. При этом осуществлялось моделирование во времени заполнения 30 балластных цистерн баржи для компенсации передачи веса ВСП на кессон, упор баржи в опорное основание и шарнир, обеспечивающий соединение барж с кессоном, движение транспортных тележек и контактные усилия в 25 колесных парах (рис. 5).
На основании моделирования обеспечивалось изучение динамических параметров накатки ВСП «Хаттон» на опорное основание при различных направлениях ветра, течения, волнения и некоторых случайных воздействиях. На различных фазах накатки, проверялась текущая осадка баржи в процессе передачи веса на опорное основание, контролировалась работоспособность захвата, соединяющего баржу и опорное основание.
Результаты математического моделирования использовались для обеспечения необходимого уровня безопасности данной операции. Успешно проведенная в сентябре 2006 г. силами ПО «Севмашпредприятие» с участием российских и зарубежных соисполнителей операция накатки показала, что принятые основные технические решения, основанные, в том числе, и на представленных авторами результатах математического моделирования, себя оправдали.
Математическое моделирование морских операций, связанных с погрузкой нефти, выполнялось авторами совместно с инженерами ОАО «ЦКБ Коралл» в 2005 г. В процессе реализации этой операции стационарный морской ледостойкий отгрузочный причал (СМЛОП), устанавливаемый в районе полуострова Варандей, отгрузочный шланг, танкер и удерживающий его буксир должны были находиться в непрерывном взаимодействии, динамические аспекты которого во многом определяли условия обеспечения допустимого уровня безопасности.
Математическое моделирование было направлено на изучение поведения танкеров дедвейтом 70 000 т и 20 000 т при стоянке в ошвартованном состоянии у причала в процессе отгрузки нефтепродуктов [7]. Полагалось, что танкеры могут быть подвержены воздействиям ветра, течения, волнения и льда. Под действием постоянных и переменных во времени сил танкер может совершать колебания в различных степенях свободы. При этом на основании математического моделирования необходимо было определить условия, при которых можно обеспечить безопасность выполнения данной операции и найти оптимальные режимы взаимодействия танкера, вспомогательного судна, швартовой системы, нефтеотгрузочного шланга для максимального расширения погодных условий, при которых гарантируется безопасность отгрузки нефтепродуктов.
Программный комплекс позволил рассчитывать внешние нагрузки на объекты, участвующие в этой морской операции, определять силы, возникающие в швартовных тросах, анализировать динамику отгрузочного шланга с учетом мгновенных значений скорости движения нефти внутри него и давления, под которым она находится.
Для всестороннего анализа поведения системы «СМЛОП – танкер – буксир» было сформировано около 400 расчетных ситуаций, различающихся дедвейтом танкера, его осадкой, режимом нерегулярного волнения, направлением распространения волн, скоростью и направлением ветра и течения, толщиной льда, упором движительного комплекса танкера и тягой буксира. С помощью программного комплекса все расчетные ситуации были последовательно промоделированы, получено общее представление о поведении системы «СМЛОП – танкер – буксир» (рис. 6).
Кроме того, на основании проведенного численного моделирования получены результаты, позволяющие определить условия, при которых обеспечивается безопасность выполнения операций по перегрузке нефти со СМЛОП, и определены оптимальные режимы взаимодействия танкера, вспомогательного судна и швартовой системы для максимального расширения погодных условий, при которых гарантируется безопасность отгрузки нефтепродуктов. Затем полученные решения, обеспечивающие безопасность СМЛОП, были проверены с помощью физического эксперимента в Крыловском государственном научном центре в диапазоне допустимых погодных условий. Физический эксперимент подтвердил полученные ранее результаты математического моделирования. При этом объем лабораторных исследований по сравнению с численными расчетами удалось минимизировать за счет сокращения на порядок числа расчетных ситуаций, подлежащих экспериментальному моделированию. В 2007 г. этот самый северный в мире стационарный морской ледостойкий отгрузочный причал вошел в эксплуатацию и успешно функционирует до настоящего времени.
На базе разработанного программного комплекса можно создавать сложные модели, синтезирующие возможности описанных выше методологий с результатами, получаемыми из других программных комплексов. Примером такой технологии является разработанный способ решения задачи о динамике двустворчатого плавучего затвора с сегментными батопортами, входящего в состав судопропускного сооружения С-1 «Комплекса защитных сооружений Санкт-Петербурга от наводнений».
Плавучий затвор представляет собой два криволинейных водоизмещающих корпуса, которые предназначены для перекрытия судоходного канала при возникновении угрозы наводнения. Входящие в состав створки плавучего затвора – батопорты, после вывода их в рабочее положение должны быть погружены по заданному пространственно-временному закону на порог и находиться в этом положении в устойчивом состоянии, перекрывая собой судопропускной канал С-1. Посадка батопорта на порог должна осуществляться путем заполнения водой балластных цистерн, а всплытие – с помощью удаления воды из балластных цистерн.
Вопросы моделирования заполнения балластных цистерн, моделирования волновых нагрузок, расчета гидродинамических характеристик являются стандартными для программного комплекса «Anchored Structures».
Однако сложность моделирования поведения плавучего затвора в большой степени оказалась связанной с течением жидкости под батопортами, которая провоцировала развитие его автоколебаний. Для адекватного описания поведения батопортов постановка задачи обтекания в идеальной жидкости, свойственная «Anchored Structures», являлась недостаточной. В этой связи в СПбПУ в Лаборатории прикладной математики и механики на многопроцессорном кластере (суперкомпьютере) было выполнено комплексное моделирование процессов обтекания вязкой жидкостью створок батопорта [8] с помощью программного комплекса CFX.
Анализ процессов обтекания позволил объяснить характер поведения батопорта в потоке вязкой жидкости, параметрически описать силы, действующие на батопорт со стороны потока и интегрировать описание этих сил в программный комплекс «Anchored Structures». На основе математического моделирования в ПК «Anchored Structures» совместно с ОАО ЦКБ МТ «Рубин», ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева» [14] был отработан алгоритм функционирования плавучего затвора, минимизированы его колебания, исследована и оптимизирована система мягкой посадки батопортов на порог (рис. 7). В настоящее время плавучий затвор с сегментными батопортами введен в эксплуатацию и уже защитил Санкт-Петербург от нескольких опасных наводнений.
Примером успешного использования программного комплекса «Anchored Structures» является также разработка уникальной морской операции, потребность в которой возникла при сооружении Крымского моста.
Мост представляет собой длинную эстакаду с пролетами от 54,2 до 64,2 м, а Керчь-Еникальский канал перекрывается арками (по одной на авто- и железнодорожном мостах) длиной 227 м и высотой 45 м с подмостовым судоходным габаритом высотой 35 м и шириной 185 м.
Установка судоходного пролета, согласно проекту [13], должна была выполняться с помощью понтонной плавучей системы. Плавучая система включала в себя две плавучие опоры длиной 60,2 м, шириной 16,5 м, высотой борта 5 м, соединенных между собой (рис. 8). На эти плавучие опоры надо было погрузить судоходный пролет с берегового стапеля (рис. 9), отбуксировать пролет к месту установки, а затем поднять и установить пролет на стационарные опоры Крымского моста.
Одной из наиболее сложных и ответственных задач являлось обеспечение позиционирования плавучей системы в момент передачи массивного пролетного строения со стапеля на систему плавучих опор и подъем пролетного строения с плавучей системы на стационарные опоры Крымского моста. Ввиду податливости плавучих опор, при воздействии ветра, течения и волнения система «плавучие опоры – пролетное строение» совершала колебания, которые могли стать причиной аварийной ситуации. Значительная масса этой системы, большие габаритные размеры определяют уникальность данной морской операции. Именно правильное определение параметров системы позиционирования, обеспечивающей выполнение технологических операций, связанных с перемещением плавучих опор по отдельности и плавучей системы в целом, имело огромное значение для успешного завершения важнейшего этапа строительства «Крымского моста» – этапа установки пролетных арочных строений на мостовые опоры.
Расчетный анализ, выполненный в программном комплексе «Anchored Structures», охватывал все этапы проведения морской операции, в том числе:
1) работы, выполняемые в операционной акватории «ковша» у стапеля;
2) транспортировка плавучей системы из акватории «ковша» по подходному каналу и далее по Керченскому подходному и Керчь-Еникальскому каналам к месту монтажа арочных пролетных строений;
3) позиционирование и монтаж пролетных строений в створе моста.
Требования, предъявляемые к точности позиционирования в «ковше» и в створе моста, были весьма высоки. Так, например, в условиях предельных внешних воздействий, требуемая точность позиционирования в «ковше» составляет всего лишь ±5 см, а при позиционировании в створе моста ±30 см.
Этапы выполнения морской операции были последовательно промоделированы в программном комплексе «Anchored Structures» инженерами ЦКБ «Коралл» [5, 6]. В ходе выполнения реальных операций в створе моста выбранные с помощью программного комплекса «Anchored Structures» параметры канатов и лебедок позволили добиться при позиционировании большей точности, чем это требовалось, и позволили установить плавучую систему с пролетными арочными строениями с отклонением менее 10 см от теоретического положения. При позиционировании в «ковше» была обеспечена необходимая точность ±5 см, а погрузка пролетных строений выполнена на проектные точки опирания (рис. 10–13).
Заключение
Разработанные методологии математического моделирования поведения морских плавучих объектов, реализованные в программном комплексе «Anchored Structures», одобрены Российским Морским Регистром Судоходства, комплекс включен в Единый Реестр российских компьютерных программ и используется рядом известных научно-исследовательских и проектных организаций.
На основе использованных методологий и с помощью единого программного комплекса удается осуществить моделирование поведения самых различных морских плавучих объектов на разных этапах их возведения или эксплуатации, в различных режимах их функционирования, при тех или иных внешних воздействиях. С помощью анализа широкого перечня моделируемых ситуаций удается принять наиболее обоснованные проектные решения, оптимизирующие конструкцию плавучего объекта или системы его удержания и обеспечивающие приемлемый уровень безопасности морских объектов.
