Експериментально-теоретичний метод розрахунку втомної міцності суднових корпусних конструкцій

У сьомому розділі викладено вирішення двох практичних задач, які пов'язані з конструктивно-технологічними проблемами порушення непроникливості конструкцій танкера в умовах змінних навантажень.

На експлуатуючих танкерах проекту 15966, побудованих Херсонським суднобудівним заводом, були виявлені тріщини в нових конструктивних вузлах поперечних перегородок і зварних з'єднань внутрішнього борту. За припущенням деяких спеціалістів причиною виникнення таких пошкоджень міг бути низький рівень втомної міцності при високій напруженості у вказаних вузлах. Тож були проведені теоретичні і експериментальні дослідження з метою встановлення істинних причин появи тріщин в конструкціях.

На основі аналізу можливих варіантів навантажень на поперечні перегородки танкера встановлено найбільш небезпечний рівень змінних (від навантажувально-розвантажувальних операцій) номінальних напружень у досліджуваному вузлі гофр-затулка. Для цього, спираючись на розрахункову схему гофра перегородки, як балки з пружним затисненням кінцевих перерізів, виявлено умови розташування гофра по ширині судна, за яких номінальні напруження в нижньому опорному перерізі будуть максимальними. Розрахунковим методом і натурним експериментом підтверджено незначний рівень підвищення напружень у досліджуваних вузлах при розмасі номінальних напружень =180…195 МПа, що відповідає ~ 0,6.

Утомні випробування спрощених моделей із вузлами гофр-затулка і розрахунки довговічності в осередку концентрації за критеріальними залежностями втоми експериментально-теоретичного методу показали, що виникнення видимої тріщини у досліджуваному вузлі при вказаному вище рівні номінальних напружень можливе після 2,5·10⁵ циклів навантажень. Це значно перебільшує реальну кількість навантажувально-розвантажувальних операцій за весь експлуатаційний період судна.

Серед нових конструктивних рішень у корпусі танкера проекту 15966 є також вузол зварного з'єднання обшивки внутрішнього борту з верхнім горизонтальним листом скулової цистерни в районі вантажних танків. Використання на побудованому судні в такому з'єднані двостороннього кутового зварного шва без розкриття кореня перед підварюванням (шов підвищеної технологічності) суттєво знизило трудомісткість робіт, витрати електроенергії, а відповідно і собівартість виготовлення конструкції. Як і в попередньому випадку, були виконані дослідження із встановлення величини номінальної навантаженості вузла зварного з'єднання і його втомної міцності.

Розрахунки номінальних напружень у вказаному вузлі методами будівельної механіки корабля дозволили визначити відповідний навантажувально-розвантажувальним операціям рівень максимальних номінальних напружень, який не перевищував 0,75. Цей рівень слугував базою для встановлення максимального навантаження моделей вузлів зварних швів різних типів - підвищеної технологічності і нормального, виконаного з розкриттям кореня шва. Результати втомних випробувань моделей вузлів зварного з'єднання, які були виготовлені у виробничих умовах заводу, показали, що шви підвищеної технологічності мають у півтора рази нижчі показники довговічності у порівнянні з нормальними швами. Розрахунки за критеріальними залежностями експериментально-теоретичного методу дозволили визначити довговічність зварних швів підвищеної технологічності, яка при розмасі номінальних напружень =1,5 в умовах симетричного циклу навантажень (= 0) дорівнює близько 1700.

Таким чином, спираючись на результати розрахунків довговічності за критеріальними залежностями втоми експериментально-теоретичного методу і дані втомних випробувань моделей, можна стверджувати, що у досліджуваних вузлах з якісними зварними швами втомні тріщини від навантажувально-розвантажувальних операцій, кількість яких за весь строк експлуатації танкера не перевищує 1000…1500, не виникнуть. Тож причиною появи тріщин у вузлах корпусу на експлуатуючому судні може бути наявність значних дефектів у зварних швах.

Висновки

1. Аналіз виявлених втомних тріщин в корпусних конструкціях новозбудованих і старих суден показав, що основною причиною їх виникнення є концентрація напружень в конструктивних вузлах при високому рівні номінальної навантаженості.

2. Застосування методів розрахункової оцінки втомної міцності конструкцій, які нині використовуються у вітчизняному суднобудуванні, часто утруднене при вирішенні конкретних міцнісних і проектувальних задач, а інколи неможливе через велику різноманітність конструктивних вузлів та необхідність урахування локальної геометрії. Такий стан проблеми вказує на необхідність створення нового методу розрахунку втомної міцності конструктивних вузлів, який дозволяє безпосередньо оперувати із абсолютними показниками довговічності і враховує вплив на ці показники геометричних параметрів типових концентраторів напружень у вузлах.

3. Розроблені основні положення і принципи створення нового розрахункового методу. Показано, що визначальним фактором втомних пошкоджень є напружено-деформований стан у вузлі. Утомна міцність конструкції обумовлюється найслабкішим за довговічністю конструктивним вузлом з наявними в ньому осередками концентрації напружень. Для зменшення кількості об'єктів в розрахунках на втому за первинний з них приймається типовий осередок концентрації у вузлі з оточуючою його невеликою зоною («осередковий» підхід). Напруження на границі цієї зони розглядаються як номінальні, відповідно до яких визначають показники довговічності.

4. Вперше наведена практична схема реалізації експериментально-теоретичного «осередкового» підходу для створення методу розрахунку втомної міцності конструктивних вузлів. За цією схемою виділено три основні задачі: визначення експлуатаційної навантаженості вузлів, розробка критеріальних залежностей втоми для типових осередків концентрації, оцінка втомної міцності конструктивних вузлів за експлуатаційний період судна.

5. Вперше виконана класифікація типових осередків концентрації напружень в конструктивних вузлах за формою і різновидом навантаження. Складена таблиця типових осередків концентрації, набір яких рекомендується використовувати при розрахунках втомної міцності корпусних конструкцій.

6. Розроблена процедура визначення експлуатаційної навантажуваності вузлів за діючими «Нормами міцності». Отримані розрахункові формули для параметрів номінального навантаження основних вузлів днища і палуби у поздовжньому і поперечному напрямках.

7. Вперше сформульовані принципові положення, за якими отримано критеріальні залежності втомної міцності для узагальненого типового осередку концентрації напружень в діапазоні числа циклів від 1 до 10⁸. В основу цих залежностей покладені деформаційні і силові критерії втоми матеріалу, «прив'язка» яких до типового осередку концентрації виконана в одній точці. Координати цієї точки встановлюються за результатами втомних випробувань моделі з концентраторами даного типу при конкретних геометричних параметрах. Розроблені на основі критеріїв Ленджера і Хейвуда критеріальні залежності містять спеціальну функцію, яка враховує вплив геометричних параметрів концентратора на довговічність. Вказані шляхи побудови такої функції і отримані прості формули для її розрахунку.

8. Вперше виконані серійні випробування при циклічних навантаженнях моделей з трьома типами осередків концентрації для отримання експериментальних даних про їх абсолютні показники довговічності. Накопичено великий обсяг інформації про вплив рівня навантаження і геометричних параметрів на втомну міцність досліджуваних концентраторів. Ці дані дозволили побудувати криві втоми для вказаних осередків концентрації з конкретними геометричними параметрами і підтвердити надійність розроблених критеріальних залежностей.

9. Вперше на основі результатів експериментальних і теоретичних досліджень розроблена практична формула для розрахунку коефіцієнта концентрації напружень при пружному деформуванні в типовому осередку концентрації типу «злам стінки».

10. Викладена процедура розрахункової оцінки втомної міцності конструктивних вузлів за новим експериментально-теоретичним методом з використанням лінійної гіпотези підсумовування втомних пошкоджень і лінійного закону розподілу номінальних навантажень на логарифмічній шкалі числа циклів за весь експлуатаційний період судна.

11. Вперше на основі критеріальних залежностей втоми типового осередку концентрації розроблені практичні методики визначення числа циклів до появи втомної тріщини, параметрів номінального навантаження, а також встановлення геометричних параметрів концентратора за показниками втомленості.

12. Розроблені критеріальні залежності експериментально-теоретичного методу розрахунку втомної міцності конструктивних вузлів використано для вирішення двох практичних задач, пов'язаних з пошкодженнями, що виникли в процесі експлуатації танкерів. Встановлено, що у досліджуваних вузлах з якісними зварними швами виникнення втомних тріщин за весь експлуатаційний період судна неможливе.

Практичне застосування результатів дисертаційної роботи підтверджено актами впровадження ЦКБ «Чорноморсуднопроект», Херсонського суднобудівного заводу, Національного університету кораблебудування. Новий експериментально-теоретичний метод розрахунку втомної міцності корпусних конструкцій (вузлів) суден може бути використаний спеціалізованими КБ, підприємствами суднобудівної галузі, Регістром судноплавства України при розробці нормативно-методичних матеріалів.

Основні результати дисертації, що опубліковані в спеціалізованих виданнях

1. Суслов В.П., Коростылев Л.И., Штырев Н.А. О расчетной оценке усталостной прочности конструктивных узлов судового корпуса // Строительная механика корабля: Сб. науч. тр. - Николаев: НКИ, 1987. - С. 35-42.

2. Суслов В.П., Коростылев Л.И. О расчетном методе оценки усталостной прочности узлов судового корпуса // Конструкция и строительная механика корабля: Сб. науч. тр. - Николаев: НКИ, 1989. - С. 53-62.

3. Коростылев Л.И. Усталостная прочность узлов пересечения поясков балок судового корпуса // Конструкция и строительная механика корабля: Сб. науч. тр. - Николаев: НКИ, 1989. - С. 62-67.

4. Коростылев Л.И. Об усталостной прочности некоторых типовых очагов концентрации напряжений корпусных конструкций // Строительная механика корабля: Сб. науч. тр. - Николаев: НКИ, 1990. - С. 16-21.

5. Коростылев Л.И. О долговечности конструктивных узлов судового корпуса при циклических нагрузках // Строительная механика корабля: Сб. науч. трудов. - Николаев: НКИ, 1991. - С. 24-31.

6. Коростылев Л.И. О влиянии предварительной статической перегрузки на усталостную прочность конструктивных узлов судового корпуса // Строительная механика корабля: Сб. науч. трудов. - Николаев: НКИ, 1992-93. - С. 34-39.

7. Коростылев Л.И. Практическая реализация экспериментально-теоретического метода расчетной оценки усталостной долговечности судовых конструкций // Зб. наук. праць УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ, 1998. - №3 (351). - С. 3-9.

8. Коростылев Л.И. Морозов Д.Д. О кривых усталости типовых очагов концентрации напряжений в судовых конструкциях // Зб. наук. праць УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ, 1998. - №3 (351). - С. 9-15.

9. Коростылев Л.И. О критериальных зависимостях усталостной прочности типовых очагов концентрации напряжений // Зб. наук. праць УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ, 1998. - №7 (355). - С. 46-54.

10. Коростылев Л.И. Об определении нагруженности конструктивных узлов корпуса судна в условиях эксплуатации // Зб. наук. праць УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ, 1999. - №1 (361). - С. 17 - 22.

11. Морозов Д.Д., Коростылев Л.И. Усталостная долговечность отремонтированных узлов судового корпуса // Зб. наук. праць УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ, 1999. - №2 (362). - С. 24-29.

12. Коростылев Л.И. Об использовании приближенных зависимостей для упругопластических деформаций в задачах усталости конструктивных узлов // Зб. наук. праць УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ, 1999. - №3 (363). - С. 15-20.

13. Об особенностях построения кривых усталости типовых очагов концентрации напряжений конструктивных узлов / Л.И. Коростылев, Ю.П. Кочанов, Д.Д. Морозов, С.Е. Рынейский // Зб. наук. праць УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ, 2000. - №3 (369). - С. 17-24.

14. Коростильов Л.І. Про показник асиметричності циклу напружень в елементах конструкцій при змінному навантажуванні // Зб. наук. праць УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ, 2000. - №5 (371). - С. 3-7.

15. Коростильов Л.І. Вплив механічних характеристик суднокорпусних сталей на криві втоми типових концентраторів // Зб. наук. праць УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ, 2001. - №1 (373). - С. 12-18.

16. Кочанов Ю.П., Коростылев Л.И., Морозов Д.Д. О напряженности в районе конструктивных узлов поперечных гофрированных переборок танкеров // Зб. наук. праць УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ, 2001. - №2 (374). - С. 3-11.

17. Коростылев Л.И., Морозов Д.Д., Алексенко В.Л. Экспериментальное исследование статической и усталостной прочности конструктивных узлов гофрированных переборок танкеров // Зб. наукових праць УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ, 2001. - №3 (375). - С. 49-56.

18. Коростылев Л.И. Прочность узлов тонкостенных конструкций судового корпуса // Зб. наук праць УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ, 2001. - №4 (376). - С. 57-64.

19. Коростильов Л.І. Утомна довговічність конструктивних вузлів з концентраторами різних типів // Зб. наук. праць УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ, 2002. - №1 (379). - С. 13-17.

20. Коростильов Л.І. Утомні пошкодження корпусних конструкцій танкерів та їх наслідки // Зб. наук. праць УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ, 2002. - №2 (380). - С. 10-16.

21. Коростылев Л.И. Расчет усталостной прочности конструктивных узлов судового корпуса // Зб. наукових праць УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ, 2002. - №3 (381). - С. 3-9.

22. Коростылев Л.И. Проектирование конструктивных узлов судового корпуса с учетом усталости // Зб. наукових праць УДМТУ. - Миколаїв: УДМТУ, 2002. - №4 (382). - С. 24-31.

23. Коростильов Л.І. Аналіз і класифікація конструктивних вузлів корпусу суден і їх концентраторів напружень // Зб. наук. праць НУК. - Миколаїв: НУК, 2005. - №2 (401). - С. 27-32.

Размещено на Allbest.ru