Механіка гнучких глибоководних систем

Характер кінематичного збудження, що розглядається, такий, що внаслідок динамічного повороту судна трубопровід деформується в просторі за формою, близькою до першої моди його власних коливань. Як показали розрахунки, внесок у загальну форму вільного руху трубопроводу при t>Т більш високих мод коливань виявляється відносно малим. У трубчастих приєднаних до судна-носія пружних системах з внутрішніми потоками рідини можуть бути реалізовані найбільш типові динамічні ефекти, властиві механічним системам з рухомою масою. Участь елементів таких систем одночасно в декількох видах руху в залежності від взаємодії між ними може привести до вияву системою властивостей консервативності або неконсервативності. Тому внаслідок таких взаємодій система може бути як стабілізована, так і дестабілізована, причому її втрата стійкості може виявлятися в формах дивергенції або флатера. Відмічені явища можуть мати місце, наприклад, у гнучких армованих шлангах при відкачуванні рідкої суміші з дна моря або з великих глибин.Приведено результати числового дослідження динаміки консольного армованого шланга. У ненавантаженому, тобто в неробочому, стані, коли рідина не подається, шланг має просторово викривлену форму, показану на рис. 14 (верхня крива) в аксонометричному зображенні, отриманому за допомогою комп'ютерної графіки за результатами числового розрахунку. Отримано також форми коливань шланга, одна з яких показана на рис. 14 (нижня крива), її вид незначно відрізняється від деформування при квазістатичному навантаженні. Аналіз числового розрахунку свідчить про те, що значення швидкості 1,5 м/с є критичним, оскільки при ньому збуджуються сталі незатухаючі коливання.

У Висновках викладено результати дисертаційної роботи загалом і сформульовані основні положення, які виносяться на захист:

1. На підставі проведеного аналізу стану робіт в галузі дос-лідження гнучких елементів морських систем визначено нові напрями досліджень з метою створення методів розрахунку, що дозволяють досліджувати їх механіку безпосередньо в реальних умовах експлуатації. Обгрунтовано необхідність урахування механіки приєднаних гнучких об'єктів для забезпечення технологічних параметрів судна-носія.

2. На підставі дослідження характеристик зовнішнього сило-вого впливу на гнучкі глибоководні елементи конструкцій розроблено способи задавання навантажень морського характеру: вітрових сил, хвильових навантажень, навантажень від течій, гідростатичного тиску.

3. Розвинено математичну модель дослідження гнучких мор-ських конструкцій, засновану на відомих підходах Лагранжа і Ейлера. Узагальнені теоретичні передумови дозволили сформулювати систему розв'язальних звичайних диферен-ціальних рівнянь вісімнадцятого порядку, які є опорними при модифікації алгоритмів розв'язку прикладних задач і розв'язок яких вперше отримано автором дисертаційної роботи.

4. Розроблено способи задавання граничних умов для різних видів опирання гнучких елементів, способи задавання навантажень, притаманних глибоководному середовищу, що дозволяє наблизити числові експерименти до реальних умов експлуатації об'єкта.

5. Розроблено методи визначення геометрії гнучкого елемента у ненапруженому стані при довільній плоскій або просторовій початковій конфігурації осьової лінії з її подальшим застосуванням у розв'язальних рівняннях.

6. На підставі сучасних методів числового аналізу і аналітичної геометрії розроблено методи і обчислювальні алгоритми числового дослідження нелінійного просторового деформування гнучких глибоководних конструкцій із згинальною і крутильною жорсткістю, що дозволяють визначати основні характеристики напружено-деформованого стану об'єкта як в його агрегатному стані, так і локально.

7. Створено обчислювальні алгоритми, що дозволяють, на від-міну від раніше відомих, розв'язувати принципово нові типи задач механіки гнучких глибоководних систем, уніфікувати типи конструкцій, що досліджуються, ефективно переходити від однієї розрахункової схеми до іншої у залежності від фізико-геометричних параметрів і умов навантаження, отримувати вихідні дані в зручному для користувача вигляді.

8. Розроблено методи визначення достовірності результатів розрахунків, що отримуються, за допомогою числового або натурного експеримента. Розв'язання тестових задач і проведені експерименти показали достовірність і ефективність розроблених методів і алгоритмів.

9. Отримано результати розв'язків прикладних задач, що доз-воляють визначати напружено-деформований стан, стійкість, закритичну поведінку і динаміку гнучких елементів різних типів морських конструкцій.

10. Отримано характеристики напружено-деформованого стану підводного трубопроводу при його просторовому деформуванні в процесі укладання і підйому з метою ремонту або заміни. Розв'язано принципово нову задачу визначення тягового зусилля лебідки при відриві трубопроводу від основи (дна) в його просторовому деформуванні і дії течії.

11. Визначено критичні навантаження і закритичні форми трубопроводу при дослідженні його локальної стійкості при заглибленні в грунт і при недосконалості виготовлення.

12. Досліджено просторове деформування гнучких армованих шлангів з урахуванням геометрії арматури при навантаженнях від протікання рідини і від зовнішньої течії.

13. Розроблено принципи розв'язання задач динаміки гнучких морських систем, приєднаних до судна-носія, і практично реалізовано методи розв'язку.

14. Поставлено і розв'язано задачу оптимізації гнучких гли-боководних систем з метою мінімізації їх фізико-геометричних параметрів.

15. Приведено опис обчислювальних алгоритмів і тексти ос-новних обчислювальних програм, що реалізовують методи і алгоритми, розроблені автором.

16. На підставі проведених досліджень розробники суднових систем можуть створювати нові типи гнучких довгомірних конструкцій з урахуванням складностей їх механіки у нелінійному просторовому деформуванні.

Основні положення дисертації відображені в публікаціях

1. Кравцов В.И. Механика гибких глубоководных систем: [Моногр.]. - Киев: Наук. думка, 1997. - 237 с.

2. Кравцов В.І Механіка гнучких морських конструкцій: [Моногр.]. - Київ: Наук. думка, 1999. - 131 с.

3. Кравцов В.И. Нелинейная постановка задач устойчивости равновесия механических систем // Нелинейные краевые задачи математической физики и их приложения: [Сб. науч. тр.]. - Киев: Ин-т математики НАН Украины, 1995. - С. 128-130.

4. Кравцов В.И., Гудкова Н.В. Нелинейная постановка задач устойчивости равновесия и колебаний механических систем // Математическое моделирование: [Сб. науч. тр.]. - Киев: Ин-т математики НАН Украины, 1996. - С. 127-130.

5. Кравцов В.И. Оптимизация параметров гибкой оболочки при ограничении по нелинейной устойчивости //Вестник ХГТУ. - 1997. - № 1. - С. 22-23.

6. Кравцов В.И. Устойчивость гибких трубопроводов // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы. - 1997. - № 1. - С. 190-198.

7. Кравцов В.И. Исследование уравнений разветвления в механике гибких элементов // Вестник ХГТУ. - 1997. - № 2. - С. 161-164.

8. Кравцов В.И. Нелинейная постановка задач устойчивости и колебаний гибких протяженных оболочек // Ресурсосберегающие и энергосберегающие технологии: [Сб. науч. ст.]. - Херсон, 1996. - С. 51-53.

9. Бардачев Ю.Н., Кравцов В.И. Определение динамических характеристик привода управляемых неавтономных подводных объектов // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы. - 1998. - № 1.

10. Кравцов В.И. Метод численного расчета пространственно искривленных гибких элементов // Збірник наукових праць УДМТУ. - № 2 (350). - Миколаїв: УДМТУ, 1998. - С. 30-36.

11. Кравцов В.И. Пространственное деформирование гибкого шланга с неоднородной движущейся жидкостью // Збірник наукових праць УДМТУ.- № 3 (351).- Миколаїв: УДМТУ, 1998.- С. 54-60.

12. Бардачев Ю.Н., Кравцов В.И. Геометрия кривых в механике гибких подводных элементов // Збірник наукових праць УДМТУ. - № 6 (354). - Миколаїв: УДМТУ, 1998. - С. 53-57.

13. Кравцов В.И., Бардачев Ю.Н. Метод определения динамических характеристик подводного трубопровода // Збірник наукових праць УДМТУ.- № 11(359).- Миколаїв: УДМТУ, 1998. - С. 35-40.

14. Кравцов В.И. Вероятностно-гидродинамический метод определения волновых нагрузок // Вестник ХГТУ. -1998. - № 1(3). - С. 9-11.

15. Бардачев Ю.Н., Кравцов В.И. Постановка граничных условий при исследовании уравнений, описывающих деформирование гибких стержней // Вестник ХГТУ. -1998. - № 2(4). - С. 7-9.

16. Кравцов В.І. Вплив навантажень від течій на гнучкі підводні конструкції // Вестник ХГТУ. - 1998. - № 2(4). - С. 26-29.

17. Кравцов В.И. Механика подводного трубопровода при ремонте способом поднятия на поверхность с учетом реакции основания // Вестник ХГТУ. - 1998. - № 2(4). - С. 209-211.

18. Кравцов В.І. Оптимізація параметрів гнучких суднових антен // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы. - 1999. -№1. - С. 124-131.

19. Бучинский И.В., Кравцов В.И. Состояние исследований в области виртуальной реальности // Вестник ХГТУ: Спец. вып. - 1999. - С. 43-46.

деформація гнучкий елемент морська конструкція

АНОТАЦІЯ

Кравцов Віктор Іванович. Механіка гнучких глибоководних систем. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05-08-03 механіка і проектування суден. Український державний морський технічний університет ім. адм. Макарова, Миколаїв, 1999.

Дисертація присвячена розробці методів і алгоритмів числового дослідження нелінійного пружного деформування просторово викривлених гнучких елементів морських конструкцій із згинальною і крутильною жорсткістю під дією довільно розташованих у просторі статичних, квазістатичних або динамічних зосереджених, розподілених або моментних навантажень, викликаних кінематичним або деформаційним впливом водного середовища, при роботі в умовах, близьких до реальних. Розроблено пакети обчислювальних прикладних програм, які дозволяють оперативно вирішувати поставлені задачі з метою прийняття конструктивних і технологічних рішень безпосередньо у процесі експлуатації гнучких морських конструкцій. Достовірність перевірена розробленими методами числового і натурного експеримента. Досліджена механіка підводного трубопроводу і його вплив на судно-носій при укладанні, ремонті і експлуатації. Визначено напружено-деформований стан гнучких, приєднаних до судна-носія протяжних конструкцій під дією статичних і динамічних навантажень. На основі створених методів і алгоритмів уперше розв'язано ряд оригінальних прикладних задач механіки глибоководних гнучких конструкцій, досліджено їх напружено-деформований стан, стійкість і динаміка в режимах експлуатації, близьких до реальних.

Ключові слова: гнучкі елементи, трубопровід, судно-носій, статика, динаміка, стійкість, деформування, просторовість, механіка, числові методи.

SUMMARY

Krawtsov Viktor І. Mechanics of flexible deep-water systems. - Manuscript.

Thesis for degree of the doctor of technical sciences on speciality 05.08.03 -mechanic and designing of ships. - Ukrainian State Maritime Technical University, Mykolaiv 1999.

The dissertation is devoted to methods development and algorithms of numerical research of unlinear resilient deforming of spatially warper flexible elements of sea constructions from by bend and torsion inflexibility attached to action of almost static or dynamic loadings allotted or moment concentrated, static, at will disposed in space, called by velocity or deformation influence of water environment, attached to work in conditions, near to real. Developed the packets of calculable applied programs, which allow officient to decide the put tasks with view reception of of constructive and technological decisions immediately in act of exploitation of flexible sea constructions. A veracity is well-tried by developed methods of numeral and on location experiment. Explored mechanics submarine to conduit and his influence on ships-carrier attached to concluding, repair and exploitation. Defined tensely-deformed to state of drawling constructions tack to ships-carrier flexible, attached to action of static and dynamic loadings. On base of created methods and algorithms for the first time untied a row of original applied mechanics tasks of deep-water flexible constructions, inquired into their tensely-deformed state, steadiness and dynamics in exploitation modes, near to real.

Key words: flexible elements, conduit, ships-carrier, statics, dy-namics, steadiness, deforming, space, mechanics, numerical methods.

АННОТАЦИЯ

Кравцов Виктор Иванович. Механика гибких глубоководных систем. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.08.03 - механика и конструирование судов. Украинский государственный морской технический университет, г. Николаев, 1999.

Диссертация посвящена разработке методов и алгоритмов численного исследования нелинейного упругого деформирования пространственно искривленных гибких элементов морских конструкций с изгибной и крутильной жесткостью при действии произвольно расположенных в пространстве статических, квазистатических или динамичных сосредоточенных, распределенных или моментных нагрузок, вызванных кинематическим или деформационным влиянием водной среды. Направления исследований обусловлены важностью этих задач в современных условиях для обеспечения Украины собственными энергоресурсами, которые добываются путем разработки шельфов Азово-Черноморского бассейна, а также необходимостью развития фундаментальных разработок в области строительной механики корабля. На основании проведенного анализа состояния работ в области исследования гибких элементов морских систем определены новые направления с целью создания методов расчета, позволяющих исследовать их механику непосредственно в реальных условиях эксплуатации. Исследованы характеристики внешнего силового воздействия на гибкие глубоководные элементы конструкций, разработаны способы задания нагрузок морского характера: ветровых сил, волновых нагрузок, нагрузок от течений, гидростатического давления. Разработана математическая модель исследования гибких морских конструкций, основанная на известных подходах Лагранжа и Эйлера. Обобщенные теоретические предпосылки позволили сформулировать систему разрешающих обыкновенных дифференциальных уравнений восемнадцатого порядка, которые являются опорными при модификации алгоритмов решения прикладных задач и решение которых впервые получено автором диссертационной работы. Обоснована необходимость учета механики присоединенных гибких объектов для обеспечения технологических параметров судна-носителя. Разработаны способы задания граничных условий для различных видов опирания гибких элементов, способы задания нагрузок, присущих глубоководной среде, что позволяет приблизить численные эксперименты к реальным условиям эксплуатации объекта. Разработаны методы определения геометрии гибкого элемента в ненапряженном состоянии при произвольной плоской или пространственной начальной конфигурации осевой линии с ее дальнейшим применением в разрешающих уравнениях. Созданы вычислительные алгоритмы, позволяющие решать принципиально новые типы задач механики гибких глубоководных систем, унифицировать типы исследуемых конструкций, эффективно переходить от одной расчетной схемы к другой в зависимости от физико-геометрических параметров объекта и условий нагрузки, получать выходные данные в удобном для пользователя виде. Достоверность методики проверена разработанными методами численного и натурного эксперимента. Получены характеристики напряженно-деформированного состояния подводного трубопровода при его пространственном деформировании в процессе укладки и подъема с целью ремонта или замены. Решена задача определения тягового усилия лебедки при отрыве трубопровода от основы (дна) в его пространственном деформировании и при действии течения. Определено напряженно-деформированное состояние гибких, упругих, присоединенных к судну-носителю протяженных конструкций при действии статических и динамичных нагрузок. Определены критические нагрузки и закритические формы трубопровода при исследовании его локальной устойчивости при углублении в грунт и при несовершенстве изготовления. Исследовано пространс-твенное деформирование гибких армированных шлангов с учетом геометрии арматуры при нагрузках от протекания жидкости и от внешнего течения. Разработаны и практически реализованы принципы решения задач динамики гибких морских систем, присоединенных к судну-носителю. Поставлена и решена задача оптимизации гибких глубоководных систем с целью минимизации их физико-геометрических параметров. Результаты проведенных исследований позволяют разработчикам судовых систем создавать новые типы гибких длинномерных конструкций с учетом сложностей их механики при нелинейном пространственном деформировании.

Ключевые слова: гибкие элементы, трубопровод, судно-носитель, статика, динамика, устойчивость, деформирование, пространственность, механика, численные методы.

Размещено на Allbest.ru