Данное исследование было просмотрен 235 раз

Цифровые технологии создания арктических энергетических сооружений с применением адаптированных материалов нового поколения и роботизированных систем

Группа научных исследований: Передовые Цифровые технологии. Цифровое проектирование, математическое моделирование и управление жизненным циклом изделия или продукции (Smart Design) и технологии «умного» производства (Smart Manufacturing).

Срок реализации: 2020-2025 гг.

Исполнитель: Научно-исследовательская лаборатория «Цифровое проектирование энергетических сооружений в Арктике» (ЦПЭСвА)

Решаемые научно-технические задачи, полученные и ожидаемые результаты

В 2020 году

Проведены тестовые сопоставительные расчеты и моделирование взаимодействия полей ровных или торосистых льдов с учетом механики разрушения ледовых образований при взаимодействии их со стационарными или податливыми основаниями сооружений произвольной формы.

1. Важнейшие результаты по направлению научных исследований, полученные в период реализации соглашения в отчётном году с момента заключения соглашения.

В работе рассматриваются проблемы определения ледовых нагрузок на морские арктические сооружения с учетом цифровой методологии расчета конструкций. Описываются основные характеристики ледовых образований, структура льда как однородной среды, стадии формирования ледяного покрова, анализируется изменчивость видов и форм ледовых образований, множественность моделей, описывающих характеристики поведения льдов в тех или иных условиях, описываются различные сценарии взаимодействия ледового покрова с морскими сооружениями.

Дается краткое описание морских сооружений, построенных в последние десятилетие в российской Арктике, приводятся их геометрические и топологические характеристики. Рассматриваются методы расчета ледовых нагрузок, используемые в российских и зарубежных нормативных документах. Отмечаются ограниченные возможности использования нормативных документов для расчета ледовых нагрузок при проектировании сложных по форме и податливых морских ледостойких сооружений. Сравниваются различные универсальные и специализированные программные комплексы для моделирования воздействия льдов на арктические объекты. Обсуждаются их достоинства и недостатки.  

Приводится описание предлагаемой методики моделирования воздействия ледяных полей на морские сооружения различной формы, главной целью которой является создание расчетного инструмента, позволяющего проводить математическое моделирование динамики взаимодействия сооружения с ледовыми образованиями и статистическую обработку результатов. Главное отличие предлагаемой методики от других методов – использование двумерной модели льда на основе теории пластин средней толщины, что позволяет значительно повысить вычислительную точность расчетов. Математическая модель с достаточной точностью учитывает конечный прогиб ледового поля и его погружение в воду, постепенное пластическое разрушение льда на отдельные льдины, накопление обломков под или надо льдом и многие другие эффекты взаимодействия. Предлагается рассматривать лед как упруго-хрупкая среду, допускающую при изгибе образование пластических шарниров в узловых точках модели. После образования трещины элементарная льдина обладает некоторой остаточной прочностью, в результате чего несущая способность трещины исчерпывается постепенно. Характеристики пластического разрушения получены с помощью решения специальных модельных задач (рис.11.1). Все перечисленные модели объединены в единый алгоритм описания поведения ледовых полей и их взаимодействия с сооружением с учетом принимаемых допущений и ограничений. Теоретические решения, предложенные авторами, и ряд концептуальных предложений по конструкции арктических сооружений опубликованы в трудах крупнейшей международной конференции по арктическому инжинирингу International Offshore and Polar Engineering Conference [1,2,3], в которой СПбПУ представлен также в Организационном комитете. Разработанные алгоритмы предназначены для интеграции в отечественный программный комплекс «Anchored Structures» имеющий сертификат Российского Морского Регистра Судоходства и включенного в Единый Реестр российских программ для электронных вычислительных машин и баз данных.

Рис.11.1а Пример панельной разбивки смоченной поверхности корпуса платформы типа «SPAR» для последующего анализа ледовых нагрузок

Рис 11.1б Пример панельной разбивки ледового поля для анализа взаимодействия с платформой типа «SPAR»

Рис 11.1в Пример решения модельной задачи с образованием вертикальной трещины в ледовой балке для меньшего (вверху) и большего (внизу) продольного усилия сжатия

Дальнейшее развитие данного направления моделирования взаимодействия арктических сооружений с ледовыми образованиями в рамках проекта предлагается в части:

  • расширения перечня моделей морского льда доступных для моделирования и расширение перечня типов ледовых образований, с которыми выполняется моделирование;
  • развитие методологий и алгоритмов моделирования задач изучения поведения морских арктических сооружений под действием разнообразных внешних нагрузок в условиях развития технологий цифрового проектирования.

2. Сопоставление полученных результатов по направлению научных исследований с мировым уровнем

В работе представлены сопоставления результатов моделирования взаимодействия полей ровного и торосистого льда на различные морские сооружения с данными лабораторных и натурных экспериментальных исследований. Для тестовых расчетов и сопоставлений использовались варианты морских платформ для Штокмановского газоконденсатного месторождения (типа TLP и SPAR), судно с поворотной турелью для работы в арктических льдах, платформа Кулук длительное время работающая в Арктике и др. конструкции. Констатируется хорошее совпадение результатов математического моделирования с лабораторными и натурными исследованиями.

Рис.11.2 Моделирование динамических аспектов взаимодействия податливой платформы с малой осадкой (TLP) c полем ровного льда толщиной 1,3 м движущимся со скорость 0.95 м/сек

Рис.11.3 Моделирование динамических аспектов взаимодействия податливой платформы Spar, с полем льда толщиной 2 м движущимся со скорость 0.2 м/сек

Предложенные подходы, методики и алгоритмы поведения ледовых полей и их взаимодействия с сооружениями  использовались крупными проектно-конструкторскими фирмами: Крыловский научный центр, ЦКБ МТ Рубин, ЦКБ Коралл, ЦНИИМФ, Севмаш, Марин Оффшор, Фертоинг, CNGS и др. при проектных проработках в крупных российских и международных  проектах: создание плавучей платформы для освоения углеводородных ресурсов на Штокмановском газоконденсатном месторождении,  осесимметричной полупогружной платформы для работы в арктических условиях, самого северного в мире ледостойкого нефтеотгрузочного терминала в районе полуострова Варандей, оснований для оффшорного ветропарка в Северном море, плавучей платформы для ветроэнергетических арктических установок морского базирования и др. объектах, что свидетельствует о передовом уровне разработок.

Рис.11.4 Моделирование разворота судна FPSO с поворотной турелью для обустройства Штокмановского газоконденсатного месторождения в поле льда (толщина 2.0 м, скорость движения 0.2 м/с) с начального курсового угла 140 градусов (текущее положение 25 градусов)

Рис.11.5 Моделирование динамических аспектов ледового нагружения райзерного блока морской платформы при движении поля толщиной 0.98 м движущегося со скоростью 0.5 м/с

Список использованных источников:

1. Elistratov V.V., Bolshev A.S. Panfilov A.A. Megretsky K.V. Kupreev V.V. The Investigation of Conceptual Approaches to the Creation of Marine Ice-resistant Floating Wind Power Plant. Proceedings of the Twenty- Ninth (2019) International Offshore and Polar Engineering Conference, 2019, Vol.1, p. 429-434. 

2. Alexander S. Bolshev, Viktor V. Elistratov, Alexander A. Panfilov, Aleksandr E. Kharseev Conceptual Analysis of the Power of Offshore Wind Plants Designed to Operate in Arctic Conditions of the Thirtieth (2020) International Offshore and Polar Engineering Conference, 2020, Vol.1 , p. 508-514.

3. Alexander S. Bolshev, Sergey A. Frolov The Method of Numerical Modeling of the Level Ice Impact on the Sloping Profile Structures of the Thirtieth (2020) International Offshore and Polar Engineering Conference, 2020, Vol.1, p. 736-742. 

В 2021 году
  • Сформированы и структурированы требования к базам данных территориальной природно-климатической, ресурсно-производительной, социально-экономической, экологической и другой необходимой информации для принятия проектных решений сооружения арктических объектов и  разработаны алгоритмы систематизации и  каталогизации разнообразных пространственных атрибутивно-графических данных, поступающих из различных источников для создаваемой интерактивной геоинформационной системы.
  • Исследования возможности применения существующих и разработка новых материалов (сталей и композиционных материалов) для элементов конструкций энергетических сооружений, адаптированных к северным условиям.
  •  Разработана информационная база для принятия решений в формате интерактивной геоинформационной системы ИГИС «Арктика».
  • Разработана цифровая технология создании трехмерных геометрических моделей исследуемых арктических объектов с интерфейсами  блоков подготовки исходных данных, расчетных численных моделей, а также модулей сопряжения  программных средств для расчета конструкции и оценкипрочности ее элементов.
  • Разработана технология   расчета и проектирования  модульных ветроэнергетических установок и ее элементов в составе энергетического сооружения для  реальных природно-климатических условий территории  в арктической зоне РФ с использованием современных программных средств расчета и моделирования, 3D параметрического проектирования и   новых конструкционных материалов.
  •      Реализовано численное моделирование обтекания лопастей с нелинейной осью при расчете ветровых колес методами CFD анализа. Проведено многовариантное численное моделирование обтекания ветрового колеса и многокритериальная многопараметрическая оптимизация пространственной формы лопастей под заданные целевые показатели и ограничения для максимизации коэффициента использования энергии ветра (КИЭВ) ветроколеса
  • Осуществлено цифровое проектирование облегчённой конструкции лопасти длиной до 12 метров с несущим трёхмерным каркасом лопасти из углепластикового жгута с тонкостенными обшивками из стеклопластика или углепластика.  
В 2022 году
  • Проведена апробация ИГИС Арктика для совместного использования с платформой цифрового проектирования модульной ветроэлектростанции для условий Арктики.
  • Разработана технология   цифрового  проектирования  модульных ветроэнергетических установок и ее элементов в составе энергетического сооружения для  реальных природно-климатических условий территории  в арктической зоне РФ с использованием современных программных средств расчета и моделирования, 3D параметрического проектирования и   новых конструкционных материалов
  • Осуществлено цифровое проектирование   систем удержания подвижных морских ледостойких объектов. Проведено численное моделирование стационарных и плавучих сооружений, в том числе под действием экстремальных штормов, ветров, течений, дрейфующих торосистых льдов и айсбергов для обеспечения надежности и безопасности.
  • Разработана конструкция высокоэффективной лопасти ВЭУ с нелинейной осью и силовым каркасом из непрерывного углеродного жгута, изготавливаемым роботизированным методом.
  • Разработана технология роботизированного производства лопастей ВЭУ с целью повторяемости массо-габаритных характеристик лопасти и проведена апробация технологии на лабораторной установке.