Визначення форми і напружено-деформованого стану гнучких огороджень суден на повітряній подушці

Результати досліджень, які отримані в роботі, надають можливість інженерам, конструкторам, проектувальникам і студентам проводити аналіз НДС ГО СПП, а також виявляти і використати їх резерви міцності.

Практичне застосування результатів дисертаційної роботи відображено в актах впровадження таких підприємств і організацій: ВАТ "Феодосійська суднобудівна компанія "Море" у вигляді розрахункових методик "Урахування параметрів повітряпроводних вирізів при визначенні форми і напружено-деформованого стану гнучкого огородження", "Проектування гнучких огороджень з урахуванням впливу на їх параметри вентиляторної установки", а також програмних продуктів, що забезпечують їх реалізацію. Крім того, результати досліджень впроваджені у навчальний процес кафедри морських технологій, використані при виконанні дипломних проектів, при написанні навчального посібника з грифом "Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів" у Національному університеті кораблебудування (НУК) імені адмірала Макарова за спеціальністю 8.100.201 "Кораблі і океанотехника"; у навчальний процес кафедри "Океанотехники і кораблебудування" Севастопольського Національного технічного університету за спеціальністю 8.100.201 "Кораблі і океанотехника", у держбюджетну НДР №9/1404 "Нові підходи до розрахунку міцності гнучких огороджень суден на повітряній подушці амфібійного типу" (№ держ. реєстрації 0100U001909).

Особистий внесок дисертанта. Всі положення і виводи, математичні моделі, методики і методи розрахунків, аналітичні залежності, програми розрахунків і їх результати, які виносяться на захист, розроблені і належать особисто авторові. З робіт, опублікованих у співавторстві, на захист виносяться тільки ті частини, які розроблені особисто автором: проектування і розрахунок ГО СППА [1 (глава 8), 11], математична модель проектування підйомного комплексу СППС [12, 13], урахування хвильового поршня при проектуванні підйомного комплексу СППС [13].

Апробація результатів дисертації. Результати дисертації були апробовані на: Науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу УДМТУ (Україна, Миколаїв, 22-26 квітня 2002 р.), Міжнародній конференції, присвяченій 100-річчю кораблебудівній освіти в Україні "Кораблебудування: освіта, наука, виробництво" (Україна, Миколаїв, 24-25 вересня 2002 р.), Міжнародній науково-практичній конференції "Соціальні і економічні проблеми мотивації праці в умовах ринкової економіки" (Україна, Миколаїв, 30 вересня - 2 жовтня 2003 р.), Всеукраїнській науково-методичній конференції "Проблеми наскрізної комп'ютерної підготовки у вищій школі" (Україна, Миколаїв, 14-15 жовтня 2003 р.), Обласній науковій конференції, присвяченій пам'яті адмірала С.Й. Макарова і художника В.В. Верещагіна (до 100-річчю трагічної загибелі) (Україна, Миколаїв, 14-16 квітня 2004 р.), Міжнародній науково-технічній конференції "Безпека мореплавання і її забезпечення при проектуванні і побудові суден (БМС-2004)" (Україна, Миколаїв, 21-22 жовтня 2004 р.), на засіданнях кафедри морських технологій і НТР з кораблебудування НУК (Миколаїв).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 13 друкованих наукових праць: 1 навчальний посібник з грифом "Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів" (у співавторстві), 8 статей у збірниках наукових праць (з них 7 - без співавторів), в 4 тезах за матеріалами конференцій і у матеріалах Міжнародних науково-практичних конференцій (з них 2 - без співавторів).

Досліджена за допомогою МКЕ механіка плоскої ізотропної прямокутної антивібраційної діафрагми з прямокутним повітряпроводним вирізом, матеріал якої підпорядковується закону Гука, і такою же діафрагмою з урахуванням стовщення в районі повітряпроводного вирізу. У задачах розглянуті ділянки діафрагм, вирізані двома паралельними перетинами посередині між повітряпроводними вирізами. Діафрагми навантажені уздовж однієї короткої кромки рівномірно-розподіленим навантаженням, переданим з боку гнучкого ресиверу ГО СПП. Ця кромка може переміщуватися в напрямку дії навантаження. Друга коротка кромка нерухомо закріплена, але може обертатися, що відповідає реальним умовам закріплення діафрагми в гнучкому ресивері ГО, тому що діафрагма одним кінцем кріпиться на петлях до жорсткого ресиверу корпусу СПП, а другим - до оболонки ГО в районі ЗЕ. Для вирішення зазначеної задачі були розроблені кінцево-елементні моделі антивібраційних діафрагм. У першому випадку досліджувався вплив товщини і довжини діафрагми, а також розмірів повітряпроводних вирізів у ній на її НДС.

Результати розрахунків (сумарні переміщення, напруження за Мізесом і за 1-ю теорією міцності) для антивібраційної діафрагми без стовщення і зі стовщенням у районі вирізу представлені в графічному вигляді. Аналіз результатів досліджень антивібраційної діафрагми без стовщення показав, що концентрації напружень виникають у районі скруглення вирізу, і ця частина діафрагми є небезпечним місцем даної конструкції, що зі зростанням довжини діафрагми L_d відбувається незначне зменшення максимальних напружень Ду_miz.max за Мізесом: для L_d (2,0…2,2) м Ду_miz.max < 1%. Збільшення товщини діафрагми t чинить більш помітний вплив на зменшення максимальних напружень: для мм . Зміна відносної ширини вирізу (для , де B_отв - ширина повітряпроводного вирізу; B_о - ширина розрахункової ділянки антивібраційної діафрагми) чинить більший вплив на НДС діафрагми, ніж зміна його відносної довжини (для , де - довжина повітряпроводного вирізу; L_d - довжина антивібраційної діафрагми).

Аналіз результатів досліджень антивібраційної діафрагми зі стовщенням у районі вирізу показав, що збільшення ширини смуги стовщення з 20 до 40 мм (при товщинах смуги від 7 до 11 мм) зменшує максимальні напруження за Мізесом з 5 до 11 %, збільшення товщини смуги з 7 до 11 мм (при ширині від 20 до 40 мм) зменшує максимальні напруження за Мізесом з 12,8 до 18,4 %. Отже, введення смуги стовщення дозволяє зменшити максимальні напруження за Мізесом на 27,9 % (при t₂ = 11 мм; b₁ = 40 мм).

У третьому розділі досліджена механіка гнучких ресиверів ГО СПП. Розроблено математичну модель визначення просторової форми і НДС носового одноярусного гнучкого ресиверу без урахування повітряпроводних вирізів у його оболонці. Оболонка ресиверу навантажена ступінчастим тиском повітря. Матеріал оболонки вважається ізотропним, розтяжним і абсолютно гнучким. На відміну від жорстких конструкцій різні зовнішні навантаження впливають не тільки на НДС, але й, значною мірою, на форму м'яких оболонок. Великі переміщення створюють і великі складнощі при вирішенні таких задач. Тому дослідження НДС ресиверу проведено за допомогою МКЕ. Одержати достовірне вирішення таких задач за допомогою більшості програм МКЕ неможливо, тому що вони не враховують великі переміщення розглянутої конструкції.

Ця задача вирішена за допомогою ітераційного методу: конструкція навантажується поступово (протягом декількох етапів навантаження збільшується до розрахункового значення); після кожного етапу навантаження проводиться новий розрахунок за МКЕ, знаходиться нова форма конструкції, і наступний етап розрахунку провадиться вже з урахуванням форми, яка змінилась. Для досягнення достовірних результатів при вирішенні задач визначення форми і НДС ГО необхідно зробити не менш 100 ітерацій. На кількість ітерацій і на саму можливість одержати вирішення задачі великий вплив чинить форма оболонки ресиверу, задана як перше наближення. Для використання в розрахунках за МКЕ необхідно знайти такі параметри початкової форми ресиверу, які дозволять провести побудову форми ГО без використання додаткових графоаналітичних операцій. Раніше, як показав аналіз публікацій, автори математичних моделей визначення форми ГО для її побудови використовували графічні операції, що зовсім не підходе при розрахунках форми і НДС ГО за допомогою МКЕ.

Початкова форма носового ресиверу для першого наближення визначена вирішенням системи геометричних співвідношень і рівнянь рівноваги ізотропної, нерозтяжної і абсолютно гнучкої оболонки, навантаженої ступінчастим тиском повітря. При розрахунку за МКЕ в якості кінцевого елементу прийнятий 8-вузловий оболонковий елемент. У розрахунковій моделі розглянута тільки характерна частина носової секції ГО. Вплив відкинутої частини секції враховується накладенням на розглянуту твердотільну модель відповідних граничних умов. У результаті розрахунків, виконаних за МКЕ, визначені просторова форма і НДС всієї конструкції ГО під впливом зовнішніх навантажень. Максимальні переміщення конструкції в порівнянні з формою розрахованої за аналітичними залежностями - 3 мм, відмінність натягів у ресивері - не перевищують 0,1%. Це підтверджує достовірність аналітичних залежностей, наведених у математичній моделі носового одноярусного гнучкого ресивера.

Розроблено і проаналізовано математичну модель визначення форми і НДС носового одноярусного гнучкого ресиверу з урахуванням параметрів повітряпроводних вирізів і трьох стрибків тиску повітря в їхньому районі (рис. 5). Конструкція розгортки має лінійну циклічність (рис. 5,б), тому розглядається її характерна частина - контур A''A'''D'''D'' або AA'E'M'S'D'DSME. Вихідні дані: p_р - тиск повітря в ресивері, Па; p_п - тиск повітря в подушці, Па; L - довжина поперечного перетину гнучкого ресиверу(ППГР), м; D - відстань між точками закріплення ресиверу, м; f = b_отв/b_п - відносна ширина вирізу; b_отв - ширина вирізу, м; b_п - найбільша ширина характерної частини розгортки ресиверу, м; c₃ = L₃/L = L₄/L - відносна довжина вирізу; c = L₁/L₂ - співвідношення довжин внутрішньої і зовнішньої частин ППГР без урахування районів вирізу; д - кут між відрізками AD і ND (тут L₁, L₂, L₃, L₄ - довжини дуг частин ППГР, м).

Розглянута вище математична модель реалізована вирішенням системи двох трансцендентних рівнянь з двома невідомими ц₂, б, отриманої після перетворення геометричних співвідношень для оболонки ресивера, рівнянь рівноваги і введення безрозмірних залежностей, позначених малими буквами:

де - коефіцієнт перепаду тисків;

- безрозмірна відстань між точками закріплення ресиверу;

- безрозмірні довжини хорд частин ППГР;

- безрозмірні радіуси кривизни частин ППГР;

- безрозмірні довжини дуг частин ППГР;

, , , - безрозмірні кільцеві натяги.

Інші величини знаходяться з наступних залежностей.

Наведено залежності для визначення координат точок S, M, E, O₁, O₂, O₃, O₄, виконано аналіз отриманих результатів, зроблено перевірку достовірності математичної моделі за МКЕ. Результати досліджень форми і НДС носового гнучкого ресиверу з урахуванням параметрів повітряпроводних вирізів і трьох стрибків тиску повітря в їхньому районі.

Розроблено і проаналізовано математичну модель визначення форми і НДС кормового багатоярусного (триярусного) ресиверу ГО СПП у режимі висіння над водою з урахуванням впливу на його форму і НДС двох діафрагм, у яких може бути різна довжина). Кріплення КГО до корпусних конструкцій здійснюється по двох паралельних напрямних A і D на петлях, навколо яких ресивер може безперешкодно обертатися. Діафрагми DC і DF верхніми кінцями кріпляться до корпусу судна також на петлях на невеликій відстані від петель кріплення гнучкого ресивера. Нижні кінці діафрагм кріпляться до оболонки гнучкого ресиверу (утворюючі C і F). Знімні елементи в КГО не передбачаються.

Прийняті припущення: матеріал оболонки і діафрагм вважається ізотропним, невагомим, нерозтяжним і абсолютно гнучким; форма оболонки - циліндрична; стрибок тиску повітря відбувається по утворюючій M; петлі діафрагм збігаються з петлями гнучкого ресивера. Математична модель реалізована вирішенням системи шести трансцендентних рівнянь з шістьома невідомими , , , , , , отриманої після перетворення геометричних співвідношень для оболонки ресиверу і рівнянь рівноваги. Досліджено вплив безрозмірних довжин діафрагм d₁, d₂ на їхні безрозмірні натяги , , (вихідні дані: ). Графічні залежності. До розрахунку триярусного КГО

Виконаний аналіз отриманих графічних залежностей вказує на те, що при проектуванні триярусних ресиверів ГО СПП діафрагми бажано виготовляти однакової довжини. У цьому випадку натяги в діафрагмах будуть близькі один до одного, а максимально допустима безрозмірна їх довжина буде більше, ніж у випадках, коли d₁ ? d₂.

Розроблено і проаналізовано математичну модель визначення форми і НДС кормового багатоярусного (триярусного) ресиверу ГО СПП у режимі руху на тихій воді з урахуванням впливу на його форму і НДС двох діафрагм, у яких може бути різна довжина, а також сил опору води.

У четвертому розділі досліджено врахування особливостей конструкції ГО і різних факторів, що діють на ресивер НГО при визначенні його форми і НДС. З цією метою розроблені математичні моделі і вирішені задачі визначення форми і НДС носового одноярусного ресиверу з антивібраційною діафрагмою з урахуванням властивостей матеріалу (нерозтяжний і розтяжний) з перевіркою достовірності за МКЕ. Оболонка гнучкого ресиверу навантажена ступінчастим тиском повітря. При експлуатації СПП матеріали ГО піддаються низькочастотній вібрації, що приводить до їхнього розшарування і руйнування ГО. Запобіганню низькочастотної вібрації сприяє включення до складу конструкції ГО антивібраційних діафрагм, які не дають опускатися нижній кромці ГО відносно рівноважного положення, не перешкоджаючи при цьому піддатливості ГО при проходженні його над вершиною хвилі. Матеріал оболонки і діафрагми вважається ізотропним, невагомим, нерозтяжним або розтяжним (залежно від розв'язуваної задачі), абсолютно гнучким; форма оболонки - циліндрична; стрибок тиску повітря відбувається в районі кріплення нижнього кінця діафрагми.

Чисельна реалізація систем трансцендентних рівнянь, отриманих у результаті ряду перетворень зазначених математичних моделей, дозволила провести аналіз їх результатів, одержати залежності для визначення форми і НДС носового одноярусного ресиверу як з розтяжної, так і з нерозтяжною антивібраційною діафрагмою без виконання додаткових графічних побудов, досліджувати умови, при яких діафрагма працює на розтягнення або втрачає стійкість. Перехід до безрозмірних характеристик дозволив узагальнити отримані результати. Відмінність результатів порівняльного розрахунку за МКЕ не перевищує 0,1%, що підтверджує достовірність створеної математичної моделі.

Досліджено механіку і визначено форму і НДС носового одноярусного ресиверу ГО СПП з урахуванням впливу розмірів повітряпроводних вирізів в антивібраційній діафрагмі і оболонці ресиверу, трьох стрибків тиску повітря в районі повітряпроводних вирізів у ресивері. Результати розрахунків показують, що зі збільшенням довжини діафрагми натяги в ній знижуються. Врахування вирізів в оболонці ресиверу викликає зменшення натягів в антивібраційній діафрагмі в порівнянні з математичною моделлю, яка їх не враховує. Нульове значення натягу в антивібраційній діафрагмі з урахуванням вирізів в оболонці ресиверу наступає при менших значеннях її довжини. напружений деформований ресивер судно

Досліджена за допомогою МКЕ форма і просторовий НДС носової секції ГО СПП з урахуванням впливу на них просторового знімного елементу і місцевих напружень, які виникають у місцях стикування знімних елементів з ресивером, а також повітряпроводних вирізів у ресивері. Отримано картину НДС всієї конструкції. Визначено місця концентрації напружень і їх характер.

Аналіз отриманих результатів показав, що небезпечні місця концентрації напружень знаходяться у районі кріплення знімних елементів до гнучкого ресиверу і особливо сильно це проявляється на внутрішньому краї кріплення. З графіка еквівалентних напружень за Мізесом, побудованого на відрізку AB, видно (рис. 10,б), що в цьому районі напруження зростають приблизно в 10 разів і досягають значення 23,6 МПа при допустимих напруженнях для різних матеріалів ГО 10...70 МПа. Звідси зроблено висновок, що зношування і руйнування ГО починається в районі кріплення знімних елементів до ресиверу ГО, що підтверджує практика експлуатації СПП і що говорить про достовірність отриманих автором результатів.

У п'ятому розділі досліджена за допомогою МКЕ форма і просторовий НДС носового ГО СПП з урахуванням впливу на них одночасно вагомості матеріалу ГО, наявності знімних елементів, антивібраційної діафрагми, повітряпроводних вирізів у ресивері і в антивібраційній діафрагмі. В якості початкової форми ресиверу прийнята форма, розрахована відповідно до математичної моделі нерозтяжного ресиверу з антивібраційною діафрагмою без урахування повітряпроводних вирізів. Твердотільна модель, граничні умови і зовнішні навантаження створюються за допомогою програми, яка написана мовою APDL.