aariПроблемы Арктики и АнтарктикиArctic and Antarctic Research0555-26482618-6713Государственный научный центр Российской Федерации Арктический и антарктический научно-исследовательский институт10.30758/0555-2648-2020-66-4-515-533aari-323Research ArticleПРИКЛАДНЫЕ ПРОБЛЕМЫAPPLIED PROBLEMSМетодика формирования архитектуры системы мониторинга ледовых нагрузок для ледостойкой самодвижущейся платформыMethodology for developing the configuration of an ice load monitoring system for an iceresistant self-propelled drifting platformЧерновА. В.ChernovA. V.

Санкт-Петербург

Aleksey V. Chernov

St. Petersburg

chernov@aari.ruМаксимоваП. В.MaksimovaP. V.

Санкт-Петербург

Polina V. Maksimova

St. Petersburg

ЛихомановВ. А.LikhomanovV. A.

Санкт-Петербург

Vladimir A. Likhomanov

St. Petersburg

СвистуновИ. А.SvistunovI. A.

Санкт-Петербург

Ivan A. Svistunov

St. Petersburg

КрупинаН. А.KrupinaN. A.

Санкт-Петербург

Nina A. Krupina

St. Petersburg

СавицкаяА. В.SavitskayaА. V.

Санкт-Петербург

Anna V. Savitskaya

St. Petersburg

ГНЦ РФ Арктический и антарктический научно-исследовательский институтРоссияState Scientific Center of the Russian Federation Arctic and Antarctic Research InstituteRussian Federation202028112020664515533Copyright © Чернов А.В., Максимова П.В., Лихоманов В.А., Свистунов И.А., Крупина Н.А., Савицкая А.В., 20202020Чернов А.В., Максимова П.В., Лихоманов В.А., Свистунов И.А., Крупина Н.А., Савицкая А.В.Chernov A.V., Maksimova P.V., Likhomanov V.A., Svistunov I.A., Krupina N.A., Savitskaya А.V.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.aaresearch.science/jour/article/view/323

В статье описывается разработка технических требований к системе мониторинга ледовых нагрузок для ледостойкой самодвижущейся платформы (ЛСП) «Северный полюс», выполненная в отделе ледовых качеств судов ААНИИ. Процесс разработки технических требований включал в себя анализ эксплуатационных ледовых условий ЛСП, определение сценариев взаимодействия льда с корпусом ЛСП, постановку задач для системы мониторинга ледовых нагрузок (СМЛН), разработку архитектуры СМЛН, конечно-элементный анализ напряженно-деформированного состояния корпуса ЛСП, а также разработку требований к размещению датчиков на конструкциях корпуса ЛСП. Основной целью работы является создание комплексной системы исследования процессов воздействия льда на сооружения для получения новых данных по параметрам и характеру действия ледовых нагрузок.

The ice-resistant self-propelled platform (IRSPP) named North Pole that is currently under construction at the JSC Admiralty Shipyards is designed to carry out year-round scientific research in the Arctic Ocean. The IRSPP will be equipped with a unique ice loads monitoring system (ILMS). The technical requirements for the ILMS were developed in the Department of Ship Performance in Ice of the AARI. The ILMS should ensure a safe operation of the IRSPP in ice conditions (operational function) and serve as a measuring tool for researching of the mechanics of deformation and destruction of ice (scientific function). Analysis of ice conditions at different stages of IRSPP operation showed that the main scenario of ice interaction with the IRSPP hull will be the action of ice under compression on the middle part of the hull during drift.

The monitoring of the stress-strain state of the hull is carried out by a complex system of fiber-optic strain sensors placed on different elements of the hull structures. The largest number of sensors are located on the side plating in the middle part of the IRSPP hull. The locations of the sensors were determined by finite element analysis of the stress-strain state of the IRSPP hull under the action of ice load. To monitor the stress-strain state of the surrounding ice field, up to 16 pressure sensors frozen into the ice are provided. Also, the system receives and stores data on the angles of roll, trim, yaw of IRSPP, its longitudinal, lateral and vertical accelerations, and the surrounding hydrometeorological conditions: wind speed and direction, air temperature, atmospheric pressure, and the geographical position of the platform.

ILMS will significantly improve the safety of IRSPP operation during prolonged drift in ice conditions. Besides, the ILMS provides the platform hull with the functions of a measuring tool for studying the mechanics of deformation and destruction of sea ice in interaction with the engineering structures.

The main purpose of this work is to create a comprehensive system for studying the processes of ice impact on structures in order to obtain new data about the parameters and nature of ice loads.

конечно-элементное моделированиеледовые нагрузкиледовые условияледостойкая платформасистема мониторингаfinite element methodice conditionsice loadsice-resistant platformmonitoring systemРабота выполнена в рамках договора с ООО «НТИ». Авторы выражают благодарность специалистам АО КБ «Вымпел» (Нижний Новгород), АО «ОСК-Технологии» (Санкт-Петербург) и ООО «НТИ» (Санкт-Петербург), принимавшим участие в проектировании системы мониторинга ледовых нагрузок. Авторы также благодарны Роману Сергеевичу Мудрику, выполнившему большой объем конечно-элементных расчетовThis work was carried out under the agreement with NTI LLC. The authors are grateful to JSC DO Vympel (Nizhny Novgorod), OSK-Technologies (St. Petersburg), NTI LLC (St. Petersburg). The authors would also like to thank Roman Mudrik, who performed a large volume of finite element calculationsReferencesМакаров А.С., Лихоманов В.А., Соколов, В.Т, Чернов А.В., Половинкин В.Н., Тимофеев О.Я., Могутин Ю.Б, Симонов Ю.А. Концептуальные принципы создания полярной дрейфующей исследовательской платформы // Арктика: экология и экономика. 2018. № 3 (31). С. 65-75.Makarov A.S., Likhomanov V.A., Sokolov V.T., Chernov A.V., Polovinkin V.N., Timofeev O.Ya., Mogutin Yu.B., Simonov Yu.A. Conceptual principles for creation of the drifting polar research platform. Arktika: ekologiia i ekonomika. Arctic: ecology and economy. 2018, 3 (31): 65-75. [In Russian].Максимова П.В., Крупина Н.А., Лихоманов В.А., Чернов А.В., Свистунов И.А. Системы мониторинга ледовых нагрузок для судов и инженерных сооружений: К вопросу о создании системы мониторинга состояния объекта // Проблемы Арктики и Антарктики. 2016. № 2. С. 101-112.Maksimova P.V., Krupina N.A., Likhomanov V.A., Chernov A.V., Svistunov I.A. Ice loads monitoring systems for ships and engineering structures. On the problem of creating an object state monitoring system. ProblemyArktiki iAntarktiki. Problems ofArctic and Antarctic. 2016, 2: 101-112. [In Russian].Makarov A.S., Maksimova P.V., Likhomanov V.A., Sokolov V.T., Frolov, I.Ye., Chernov A.V., Svistunov I.A. Savitskaya A.V. Perspectives of using a drifting ice-resistant platform of the “North Pole” type, which is under construction, as a multifunctional research complex in the Arctic // Proceedings of the 25th International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions June9-13, 2019, Delft, The Netherlands. URL: http://poac.com/Papers/2019/pdf/POAC19-123.pdf (дата обращения 16.06.2020).Makarov A.S., Maksimova P.V, Likhomanov V.A., Sokolov VT., Frolov, I.Ye., Chernov A.V, Svistunov I.A. Savitskaya A.V. Perspectives of using a drifting ice-resistant platform of the “North Pole” type, which is under construction, as a multifunctional research complex in the Arctic. Proceedings of the 25th International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions June 9-13, 2019, Delft, The Netherlands. Available at: http://poac.com/Papers/2019/pdf/POAC19-123.pdf. (accessed 16.06.2020).Бородачев В.Е. Льды Карского моря. СПб.: Гидрометеоиздат, 1998. 182 с.Borodachev V.E. L'dy Karskogo moria. The Kara Sea ice. St. Petersburg: Gidrometeoizdat, 1998: 182 p. [In Russian].Бузуев А.Я. Изменчивость ледовых условий на пути плавания // Метеорология и гидрология. 1981. № 2. С. 69-76.Buzuev A.Ia., Fediakov V.E. Variability of ice conditions on the way of navigation. Meteorologiia i gidrologiia. Meteorology and hydrology. 1981, 2: 69-76. [In Russian].Бузуев А.Я., Федяков В.Е. Справочное пособие для учета ледовых условий на трассах Северного морского пути. Л.: ААНИИ, 1977. 133 с.Buzuev A.Ia. Spravochnoe posobie dlia ucheta ledovykh uslovii na trassakh Severnogo morskogo puti. Reference guide for accounting for ice conditions on the Northern sea route. Leningrad: AANII, 1977: 133 p. [In Russian].Бузуев А.Я., Дубовцев В.Ф., Захаров В.Ф., Смирнов В.И. Условия плавания судов во льдах морей Северного полушария. М.: Изд. Главного управления навигации и океанографии Министерства обороны СССР, 1988. 280 с.Buzuev A.Ia., Dubovtsev V.F., Zakharov V.F., Smirnov V.I. Usloviia plavaniia sudov vo l'dakh morei Severnogo polushariia. Conditions of navigation of vessels in the ice seas of the Northern hemisphere. Moscow: Izd. Glavnogo upravleniia navigatsii i okeanografii Ministerstva oborony SSSR, 1988: 280 p. [In Russian].Лавров А.М. Северный морской путь. Карское море, Лаптевых и Восточно-Сибирское море. Морской сборник. 1931. № 8. С. 80-93.Lavrov A.M. Northern sea route. Kara sea, Laptev sea and East Siberian sea. Morskoi sbornik. Marine collection. 1931. 8: 80-93. [In Russian].Международная символика для морских ледовых карт и номенклатура морских льдов. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 56 с.Mezhdunarodnaia simvolika dlia morskikh ledovykh kart i nomenklatura morskikh l'dov. International symbols for sea ice maps and nomenclature of sea. Leningrad: Gidrometeoizdat, 1984: 56 p. [In Russian].Svistunov I.A., Maksimova P.V., Likhomanov V.A., Chernov A.V., Krupina N.A. Experimental-analytical study of the platform “North Pole” stability under the conditions of intensive ice pressures // Proceedings of the 25th International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions June 9-13, 2019, Delft, The Netherlands. URL: http://poac.com/Papers/2019/pdf/POAC19-124.pdf (дата обращения 27.06.2020).Svistunov I.A., Maksimova P.V., Likhomanov V.A., Chernov A.V., Krupina N.A. Experimental-analytical study of the platform "North Pole" stability under the conditions of intensive ice pressures. Proceedings of the 25th International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions June 9-13, 2019, Delft, The Netherlands. Available at: http://poac.com/Papers/2019/pdf/POAC19-124.pdf. (accessed 27.06.2020).Свистунов И.А. Определение кренящего момента, действующего при ледовом сжатии на ледостойкую самоходную платформу «Северный полюс» методом модельных испытаний // Арктика: экология и экономика. 2019. № 3 (35). С. 97-106.Svistunov I.A. Determination of the heeling moment acting during ice compression on the iceresistant self-propelled platform “North Pole” by the method of model tests. Arktika: ekologiia i ekonomika. Arctic: ecology and economy. 2019, 3 (35): 97-106. [In Russian].Максимова П.В., Чернов А.В., Лихоманов В.А., Крупина Н.А., Лихоманов В.А. Исследование реакций корпусных конструкций НЭС «Академик Трёшников» на ледовые воздействия в рамках первого этапа экспедиции «Трансарктика-2019» // Проблемы Арктики и Антарктики. 2020. № 66 (1). С. 82-101.Maksimova P.V., Chernov A.V., Likhomanov V.A., Krupina N.A., Likhomanov V.A. Research of R/V “Akademik Tryoshnikov” hull structures response to ice actions during the first stage of the expedition “Transarktika-2019”. Problemy Arktiki i Antarktiki. Arctic and Antarctic Research. 2020, 66 (1): 82-101. [In Russian].Удд Э. Волоконно-оптические датчики: Вводный курс для инженеров и научных работников. М.: Техносфера, 2008. 518 с.Udd E. Volokonno-opticheskie datchiki. Vvodnyi kurs dlia inzhenerov i nauchnykh rabotnikov. Fiber Optic Sensors: An Introduction for Engineers and Scientists. Moscow: Tekhnosfera, 2008: 518 p. [In Russian].Blanchet D., DeFranco S.J. Global first-year ice loads: scale effect and non-simultaneous failure // Proceedings of the 13th International Symposium on Ice (IAHR). Beijing, China, August 27-30, 1996. P. 203-211.Blanchet D., DeFranco S.J. Global first-year ice loads: scale effect and non-simultaneous failure. Proceedings of the 13th International Symposium on Ice (IHAR), Beijing, China, August 27-30, 1996: 203-211.L0setS., ShkhinekK., Uvarova E. An overview of the influence of structure width and ice thickness on the global load // Proceedings of the 15th International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions, POAC’99. Espoo, Finland, August 23-27, 1999. P. 425-434.L0setS., ShkhinekK., UvarovaE. An overview of the influence of structure width and ice thickness on the global load. Proc. of the 15th International Conference on Port and Ocean Engineering under Arctic Conditions, POAC’99, Espoo, Finland, August 23-27, 1999: 425-434.Wright B.D. Insights from Molikpaq ice loading data // Report of the LOLEIF Project. NTNU, Department of Structural Engineering, Trondheim, Norway. 1998. 45 p.Wright B.D. Insights from Molikpaq ice loading data. Report of the LOLEIF Project. Norwegian University of Science and Technology, Trondheim. Norway. 1998: 45 p.Смирнов В.Н., Ковалев С.М., Нюбом А.А. Автоколебания в дрейфующем ледяном покрове Северного Ледовитого океана // Океанологические исследования. 2019. Т. 47. № 3. С. 122-138.Smirnov V.N., Kovalev S.M., Niubom A.A. Self-oscillation in the drifting ice cover of the Arctic ocean. Okeanologicheskie issledovaniia. Journal of Oceanological research. 2019, 47 (3): 122-138. [In Russian].

The authors declare that there are no conflicts of interest present.