При проектировании ледоколов инженеры сталкиваются с непростым вопросом: какой формы сделать нос, чтобы судно эффективно ломало лёд и не застревало? От этого напрямую зависит ледовое сопротивление — сила, которую нужно преодолеть при движении сквозь сплошной ледяной покров. Существующие расчётные методы часто либо слишком грубо учитывают обводы корпуса, либо вовсе дают сбои — например, предсказывают бесконечно большое сопротивление для ледоколов с углом входа 90 градусов, хотя на практике такие суда (как российский проект 1191 «Капитан Евдокимов») вполне успешно работают во льдах.
Специалисты из Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева и ООО «Судостроительная компания Ракета» — Наталья Тихонова и Михаил Тихонов — предложили автоматизированный метод, который точно вычисляет так называемые геометрические характеристики носовой оконечности. Это набор интегралов по поверхности корпуса, которые наиболее полно описывают форму судна и используются в методе профессора Грамузова — одном из самых совершенных на сегодняшний день. Проблема в том, что вручную такие интегралы считать чрезвычайно трудоёмко из‑за сложных криволинейных обводов.
Авторы предложили следующий метод: вся часть корпуса, которая контактирует со льдом, автоматически разбивается на множество маленьких треугольников. Вершинами этих треугольников служат точки на шпангоутах (поперечных рёбрах корпуса), а количество точек можно менять в зависимости от нужной точности. Для каждого треугольника легко найти направление нормали (перпендикуляра к поверхности) и его площадь, после чего интеграл превращается в сумму значений по всем треугольникам. Всё это делает компьютерная программа «Программа для расчёта ледового сопротивления».
Чтобы проверить, насколько метод точен, его испытали на сфере — фигуре с гораздо большей кривизной, чем у судового корпуса. При разбиении на 20 окружностей по 20 точек на каждой погрешность составила всего 0,2%. Для реального корабля, у которого обводы более пологие, точность будет ещё выше. С помощью программы уже рассчитали геометрические характеристики для семи ледоколов — российских проектов 16, Р47, 1105, 1191, американского Healy, канадских Katmai bay и R-class. Результаты сведены в таблицу и могут использоваться для оценки сопротивления в разных ледовых условиях.
Этот подход ускоряет работу проектировщиков и позволяет гибко настраивать точность расчётов. Благодаря автоматическому разбиению на треугольники и численному интегрированию можно учесть даже самые хитроумные изгибы носовой оконечности, а значит — спроектировать ледокол, который действительно уверенно чувствует себя в полярных морях.
Исследование опубликовано в журнале «Морские интеллектуальные технологии»
