Проектування суднових конструкцій із врахуванням концентрацій напружень та місцевих підкріплень

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Національний університет кораблебудування імені Адмірала Макарова

УДК 629.5.023.4

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Проектування суднових конструкцій із врахуванням концентрацій напружень та місцевих підкріплень

Спеціальність 05.08.03 - конструювання та будування суден

Ліщук Огнєслав Михайлович

Миколаїв - 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Національному університеті кораблебудування імені адмірала Макарова Міністерства освіти і науки України

Науковій керівник

Доктор технічних наук, професор Коробанов Юрій Миколайович, Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, завідувач кафедри конструкції корпусу корабля

Офіційні опоненти: судновий конструкція математичний

Доктор технічних наук, професор Зайцев Володимир Васильович, Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, завідувач кафедри морських технологій

Кандидат технічних наук, Давидов Ігор Пилипович, Одеська національна морська академія, доцент кафедри теорії і устрою судна

Захист відбудеться “21” березня 2011 р. о 13 години на засіданні спеціалізованої вченої ради

Д 38.060.02 Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова за адресою: 54025, м. Миколаїв, проспект Героїв Сталінграда, 9, ауд. 360.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова за адресою: 54025, м. Миколаїв, проспект Героїв Сталінграда, 9.

Автореферат розісланий “16” лютого 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради доктор технічних наук, доцент Коростильов Л.І.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Інтенсивний шлях розвитку суднобудування в Україні можливий тільки на основі впровадження прогресивних інженерних рішень та інформаційних технологій в процес проектування. Це обумовлено жорсткою конкурентною боротьбою на ринках проектування, ускладненням конструкції й технології виготовлення, а також підвищеними вимогами замовників до корпусних конструкцій. Сучасні інформаційні технології передбачають використання CAD/CAM/CAE-систем у процесі проектування й підготовки виробництва складних технічних об'єктів (ТO); також передбачають можливості впровадження чисельних методів і засобів виконання розрахункових процедур, які базуються на використанні єдиної інформаційної моделі складного ТO.

Проблема вдосконалення корпусних конструкцій багато в чому залежить від раціонального використання полегшуючих вирізів, з однієї сторони, й заходів щодо їхнього підкріплення, з іншої. Особливий інтерес викликають задачі про вплив на корпусні конструкції значних зосереджених навантажень.

Поєднання засобів виконання розрахунків напружено-деформованого стану (НДС) при роботі с різноманітними CAD-системами дає змогу проаналізувати поведінку розроблюваних конструкцій на етапі їх проектування під впливом діючих навантажень і зовнішніх умов. Такий аналіз дозволяє оперативно вносити зміни в проектні рішення і позбавляє проектанта від необхідності створення додаткових зразків конструкцій для їх випробовування.

Конструювання та проектування суднового корпуса у вітчизняній практиці ведеться окремо від виконання розрахунків НДС конструкцій засобами, що засновані на методах скінченних елементів (МСЕ). І системи розрахунків за МСЕ складно поєднати з вітчизняною корпусною САПР в наслідку різної будови ядер систем.

Одним зі шляхів вирішення задач конструювання корпусних конструкцій, що мають концентратори напружень, локальні підкріплення й підданих впливу зосереджених і розподілених навантажень, є реалізація в рамках корпусних САПР деяких варіацій методів граничних елементів (МГЕ).

Актуальність теми полягає в тім, що проведені в рамках даної роботи дослідження спрямовані на впровадження засобів виконання аналізу НДС при проектуванні корпусних конструкцій на базі САПР/АСТПВ.

Великий внесок у розвиток обраного напряму внесли такі відомі вітчизняні та закордонні вчені як Барабанов М.В., Гарбуз В.С., Маслов Л.Б., Кочанов Ю. П., Короткін Я.І., Крауч С., Старфилд А., Бреббія К., Уокер С.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Напрям дослідження дисертації відповідає планам науково-дослідних робіт Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова (НУК) і є складовою частиною досліджень Науково-дослідного інституту автоматизованих систем та автоматики у суднобудуванні “Центр” в рамках держбюджетної науково-технічної теми №6-3572/07 “Розробка передконтрактного й техноробочого проектів контейнеровоза дедвейтом 3200т”, державний реєстраційний № 0104U004990, 2007 р.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи: розробка основ для виконання розрахунків напружено-деформованого стану суднових конструкцій у вітчизняних САПР, що дає змогу враховувати концентрацію напружень на етапі проектування та конструювання конструкцій.

Задачі дослідження:

1. Оцінка можливостей методу граничних елементів з метою його використання й адаптації в побудові алгоритмів по виконанню розрахунків конструкцій на міцність у системах автоматизованого проектування.

2. Створення комплексу математичних моделей та розрахункових процедур, призначених для впровадження у суднобудівну САПР, для виконання аналізу напружено-деформованого стану конструкцій.

3. Перевірка достовірності результатів роботи розрахункових процедур за МГЕ з теоретичними результатами і розрахунками, виконаними МСЕ, а також з експериментальними даними досліджень інших авторів.

4. Дослідження напруженого стану корпусних конструкцій за допомогою МГЕ та МСЕ, з метою розширення функціональних можливостей розрахункових процедур за МГЕ, а також виконання досліджень по вдосконаленню корпусних конструкцій, що мають полегшуючі вирізи й підкріплення.

5. Впровадження удосконалених конструктивних вузлів, отриманих за результатами досліджень, у робоче й технічне проектування.

6. Впровадження результатів дослідження в проектних організаціях.

Об'єкт дослідження - реалізація розрахункових процедур корпусних конструкцій при проектуванні у САПР.

Предметом дослідження є корпусні конструкції транспортних суден, піддані впливу зосереджених і розподілених навантажень, а також що мають концентратори напружень й підкріплення.

Методи дослідження прийняті чисельні: методи граничних та скінченних елементів.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше отримано аналітичні залежності, які розроблено за допомогою МГЕ, що зв'язують габаритні розміри вирізу, форма якого утворена трьома дугами окружностей, із його геометричними параметрами, що дозволяє одержати форму лазу для різних типорозмірів з меншою (на 6…13%) концентрацією напружень у порівнянні з типовим вирізом при спільній дії різних комбінацій навантажень розтягування, зсуву та згину.

2. Вперше встановлено вплив співвідношення висоти до товщини підкріплюючих вирізи оптимальних кілець на концентрацію напружень у пластині й кільці для розтягування, зсуву і згину, що дає змогу визначити співвідношення висоти до товщини (h/b=7…8) підкріплюючих кілець оптимальної податливості (л=3,5…4,0), які забезпечують найменшу концентрацію напружень для роздільної та спільної дії зазначених навантажень.

3. Вперше отримано аналітичну залежність для визначення параметрів форми удосконаленого підкріплення контейнерних фітингів днищевих корпусних конструкцій, що дає змогу проектувати підкріплення під коробку фітинга в днищевих конструкціях судна, концентрація напружень в якому більш ніж на 20% менше в порівнянні з типовою конструкцією.

4. Дістало подальший розвиток задача врахування концентрації напружень в конструкціях на етапі їх проектування та конструювання, яка реалізується шляхом побудови математичних моделей і алгоритму розрахункових процедур за МГЕ, що дає змогу визначити НДС розроблюваних конструкцій при їх моделюванні у вітчизняній суднобудівній САПР та зменшити концентрацію напружень в конструкціях з полегшуючими вирізами у середньому більш ніж на 9%.

Обґрунтованість та достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечується аналітичними й експериментальними методами. Результати роботи математичних моделей та розрахункових процедур, заснованих на базі одного з методів граничних елементів, підтверджено зіставленням з відомими експериментальними та аналітичними рішеннями розглянутих задач [3, 4].

Практичне значення отриманих результатів. Розроблено математичні моделі і розрахункові процедури, що засновані на МГЕ, для виконання розрахунків місцевої міцності й аналізу конструкцій та їх елементів у складі вітчизняної суднобудівної САПР; побудовано зведену таблицю типорозмірів лазів для суднових корпусних конструкцій, утворених трьома дугами окружностей, із зіставленням характеристик типових і вдосконалених вирізів, що була створена відповідно до галузевого “Робочого альбому типових конструкцій”. Запропоновано систематизацію типових підкріплень контейнерних фітингів днищевих корпусних конструкцій в залежності від розташування фітингів відносно рамних днищевих в'язей, а також відносно кількості кутових фітингів, що доводяться на один вузол підкріплення. Удосконалено конструкцію типового підкріплення днищевих контейнерних фітингів. Встановлено значення оптимальної податливості підкріплюючих вирізи кілець із урахуванням співвідношення висоти до товщини кільця, а також найкращі співвідношення висоти до товщини кілець оптимальної податливості для роздільної та спільної дії навантажень розтягування, зсуву і згину.

Результати досліджень дають практичну можливість проводити аналіз НДС суднових конструкцій з вирізами, досліджувати вплив форми й розташування вирізів і підкріплень на концентрацію напружень в конструкції, а також виявляти та перерозподіляти резерви міцності конструкцій, досягаючи рівноміцності.

Практичне застосування результатів дисертаційної роботи відображено в актах впровадження суднобудівних підприємств і проектних організацій у вигляді застосування удосконалених конструктивних вузлів, а також математичних моделей і розрахункових процедур для виконання розрахунків міцності конструкцій та їх елементів.

Особистий внесок здобувача в одержанні наведених у дисертації наукових результатів полягає у використанні математичних моделей та пристосуванні МГЕ для виконання розрахунків НДС конструкцій у суднобудівних САПР. Математичні моделі та залежності, розрахункові процедури і їх результати, які виносяться на захист, розроблені і належать особисто авторові.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертації були апробовані на Обласній науковій конференції, присвяченій пам'яті адмірала С.Й. Макарова і художника В.В. Верещагіна (до 100-річчю трагічної загибелі) (Україна, Миколаїв, НУК, 14 - 16 квітня 2004 р.), Міжнародній науково-технічній конференції “Безпека мореплавання і її забезпечення при проектуванні і побудові суден (БМС-2004)” (Україна, Миколаїв, НУК, 21 - 22 вересня 2004 р.), Міжнародній науково-практичній конференції “Морські технології: проблеми вирішення - 2005” (Україна, Крим, Керч, КМТІ, 19 - 20 вересня 2005 р.), Науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу (Україна, Миколаїв, НУК, 26 - 28 квітня 2006 р.), Міжнародній конференції “Практичне застосування інформаційних технологій у суднобудуванні (InfoDBlaS)” (Україна, Крим, Севастополь, ЦКБ Чорноморець, 19 - 20 жовтня 2006 р.), Міжнародній науково-методичній конференції “Автоматизація суднобудівного виробництва та підготовка інженерних кадрів: стан, проблеми, перспективи” (Україна, Миколаїв, НУК, 26 - 27 червня 2007 р.), Міжнародної науково-технічної конференції «Безпека мореплавання і її забезпечення при проектуванні й будівлі суден (БМС 2007)» (Україна, Миколаїв, НУК, 25-26 жовтня 2007 р.), Науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу, присвяченої 90-річчю НУК ім. адмірала Макарова. (Україна, Миколаїв, НУК, 24 - 26 березня 2010 р.) на засіданнях кафедри конструкції корпусу корабля НУК (Миколаїв).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 11 друкованих праць: 7 статей у фахових збірниках наукових праць (у співавторстві), 4 тези за матеріалами міжнародних наукових конференцій. Отримано 2 патенти України.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел з 80 найменувань (8 сторінок) та двох додатків. Обсяг дисертації складає 127 стор., 38 ілюстрацій, 15 таблиць.

Основний зміст

Вступ містить обґрунтування актуальності теми дисертаційної роботи, її зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Сформульовано мету і задачі дослідження. Описано об'єкт, предмет і методи дослідження, наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, які виносяться на захист. Вказується особистий внесок дисертанта. Наведено відомості про апробацію результатів роботи та публікації автора за темою.

У першому розділі дисертації проведено аналіз стану щодо визначення та врахування концентрації напружень суднових конструкцій при їх проектуванні та конструюванні у вітчизняній і закордонній практиці. Використання чисельних методів активно реалізується у проектуванні корпуса судна, рис. 1. Так, у закордонних САПР існує можливість виконання аналізу НДС суднових конструкцій під час їх проектування. Однак, подібної реалізації не має у вітчизняних суднобудівних САПР. Висока вартість закордонних розробок із аналізу НДС конструкцій вимагає виконання досліджень та розробку інших засобів врахування концентрацій напружень при проектуванні корпуса судна.

а)	б)	в)

Рис. 1. Розрахунки конструкції: а) загальна схема роботи конструкції у складі корпуса; б) розташування вирізу у днищевому стрингеру; в) епюра напружень

Врахування концентрацій напружень під час проектування дозволяє зменшити напруження в конструкції та тим самим збільшити надійність корпуса судна, так як місцева концентрація є однією з причин виникнення утомних руйнувань. Зниження концентрації напружень досягається за рахунок застосування удосконалених конструкцій (наприклад [12], [13]) та виконання відповідного підкріплення. Крім того, врахування концентрації напружень при проектуванні потрібно для підвищення конкурентоспроможності вітчизняного проектування.

Визначено, що врахувати концентрацію напружень при проектуванні суднових конструкцій можливо завдяки поєднанню чисельних методів розрахунків із вітчизняною суднобудівною САПР. В дисертації проведено аналіз можливостей МГЕ для подальшого використання в розрахунках міцності конструкцій у складі суднобудівних САПР.

Перевага метода граничних елементів над методом скінченних елементів полягає в тому, що з обчислювальної точки зору МГЕ приводить до системи рівнянь меншого порядку, ніж МСЕ при вирішенні тієї ж задачі. Можна довільно вибирати точки, в яких бажано одержати рішення, замість автоматичної прив'язки результатів до ряду фіксованих точок (внутрішнім вузлам сітки). Крім того, МГЕ дозволяє природно відобразити досить складні умови взаємодії на стичних границях тіл.

Проблема конструювання корпусних конструкцій, що мають концентратори напружень, підкріплення, підданих зосередженим та розподіленим навантаженням, потребує вирішення наступних задач: 1) аналіз можливості реалізації МГЕ в суднобудівних САПР, 2) алгоритм побудови розрахункових процедур за МГЕ, 3) оцінка достовірності розрахункових процедур за МГЕ, 4) удосконалення підкріплень в конструкціях, 5) удосконалення форми вирізу в конструкціях, 6) визначення значень оптимальної податливості для кілець з кінцевою згинальною жорсткістю при сумісній дії навантажень розтягування, зсуву та згину.

У другому розділі розглянуто теоретичні основи МГЕ. Варіація МГЕ - Метод фіктивних навантажень (задача Кельвіна), що використовується в задачах про дію навантаження в пружній площині, обрана для досягнення мети дослідження, рис. 2. Роль невідомих грають не переміщення і зусилля в точках границі, а деякі функції, що називаються щільністю потенціалів або фіктивними навантаженнями Fi (див. рис. 2).

Рис. 2. Задача, що вирішується сингулярною функцією метода фіктивних навантажень

В роботі відомі формули МГЕ автором трансформовано для умови плоского напруженого стану [2]. Рішення задачі зосередженої силової лінії в пружному нескінченному середовищі виражається через функцію фіктивного навантаження виду

.

Тоді напруження (див. рис. 2):

де - коефіцієнт Пуассона.

Наведений вище різновид МГЕ годиться для рішення задач про визначення НДС суднових конструкцій з вирізами. Широкі можливості метода граничних елементів передбачають багатопланову реалізацію в різних інженерних задачах, пов'язаних із системами автоматизованого проектування корпусних конструкцій.

Для виконання досліджень НДС конструкцій із вирізами побудовано загальний алгоритм розрахункової процедури, а також отримано складові коефіцієнтів впливу і компоненти фіктивних навантажень, що використовуються у процесі рішення. В основу алгоритму розрахунків конструкцій та їх елементів покладено метод фіктивних навантажень. Виконано зіставлення результатів розрахункових процедур, створених на базі методу граничних елементів, з теоретичним рішенням, експериментально отриманими даними та з розрахунком за методом скінченних елементів. Теоретичне рішення представляє собою класичну задачу Кірша про розтягування нескінченної пластини, ослабленої круговим вирізом, рис. 3. Експериментальні підтвердження результатів роботи

розрахункових процедур [3] здійснено з використанням даних експериментів [Бугаенко В.В., Чернышев О.Л. Использование ЭГДА при экспериментальном решении плоской задачи теории упругости // Труды НКИ. - Николаев: НКИ, 1975. - Вып. 106. - С. 100-108.]. Розбіжність результатів за МГЕ з даними інших авторів встановить менше 3%, тому розрахункові процедури, що засновані на методі граничних елементів, доцільно використовувати при розрахунках і дослідженнях будь-яких форм, розташування й комбінації вирізів у суднових конструкціях.

Визначено і досліджено величини коефіцієнтів концентрації напружень полегшуючих вирізів в плоских листових конструкціях. Проаналізовано вплив співвідношення сторін вирізу, а також вплив радіусів сполучення цих сторін на величини коефіцієнтів концентрації напружень, рис. 4. У проведеному аналізі використано дані літературних джерел: [Короткин Я. И., Постов В. А., Сиверс Н. Л. Строительная механика корабля и теория упругости. - Л.: Судостроение, 1968.], [Вайнберг Д.В., Концентрация напряжений в пластинах около отверстий и выкружек., Киев, «Техніка», 1969г., 220с.], і дані, отримані чисельними методами - методом скінченних і методом граничних елементів. У більшості випадків результати розрахункових процедур за МГЕ добре узгоджуються із даними інших авторів.

	а)
б)

Рис. 3. Результати розрахунків за МГЕ: а) розрахункова схема; б) епюри напружень

Обмеження з реалізації чисельних методів відрізняються тим, що для виконання розрахунків за МСЕ оперативної пам'яті комп'ютера потрібно на порядок більше, ніж для МГЕ. Ця якість розрахункових процедур за МГЕ дуже важлива для подальшої інтеграції в АСТПВ. Висока вимогливість до системних ресурсів МСЕ пов'язана з умовою поділу всієї розглянутої розрахункової області на елементи.

Новизна полягає в тому, що відомий метод (МГЕ) вперше застосовано для виконання аналізу НДС корпусних конструкцій з вирізами. Практична цінність полягає в можливості використання розрахункових процедур за МГЕ як самостійного продукту, так і інтеграцію їх у суднобудівну САПР.

а)	б)

Рис. 4. Криві коефіцієнтів концентрації напружень в залежності від:

а) співвідношення сторін вирізу (кругові і овальні вирізи); б) відносного радіуса сполучення сторін вирізу

У третьому розділі для встановлення можливості зменшення концентрації напружень в суднових конструкціях з типовими вирізами досліджено форму полегшуючих вирізів в пластинах. Отримано удосконалений, з погляду концентрації напружень та експлуатаційних характеристик, тип вирізу, форма якого утворена двома дугами окружностей, для випадку одноосьового розтягування. Концентрація напружень удосконаленого вирізу менша ніж у типового аналога на 18%.

При дослідженні кільцевих підкріплень вирізів в пластинах (підкріплення розташовано симетрично до площини пластини) визначено оптимальну податливість л із урахуванням співвідношення сторін поперечного перерізу кільця для розтягування, зсуву та згину. Податливість характеризує площу підкріплювального кільця (рис. 5,а); м - коефіцієнт Пуассона. Визначено інтервали найкращих співвідношень висоти до товщини підкріплювальних кілець оптимальної податливості для роздільної та спільної дії навантажень розтягування, зсуву та згину. Максимальні зведені напруження для пластини і кільця визначено МСЕ за енергетичною теорією міцності. Співвідношення для побудови розрахункових моделей R/t?25 прийнято в дослідженні як найбільш характерний параметр для типових розмірів суднових лазів, що застосовуються у конструкції корпуса судна.

Результати дослідження кільцевих підкріплень представлено на рис. 5. Графіки побудовано в такий спосіб: по осі абсцис відкладено значення податливості кільця, по осі ординат виміряється величина коефіцієнта концентрації напружень. Суцільними лініями показано рівні концентрації напружень, що діють у пластині, а пунктиром - у підкріплювальному кільці. Також на графіках наведено криві податливості для абсолютно гнучких кілець.

а	б
в	г

Рис. 5. Вплив податливості на концентрацію напружень: а - схема навантаження пластини з кільцем; б - розтягування; в - зсув; г - згин

Визначено оптимальну, з точки зору мінімальної концентрації напружень, податливість із урахуванням співвідношення висоти до товщини кільця для розтягування, зсуву та згину, (рис. 5). У дослідженні оптимальним інтервалом прийнято значення податливості, які відрізняються від мінімальної величини в межах 5 %. У випадку розтягування л=2,5…4,0; для зсуву та згину л=3,5…6,0. Податливість для спільної дії навантажень визначено об'єднанням інтервалів розтягування, зсуву та згину л=3,5…4,0.

Значення оптимальної податливості, що враховують співвідношення сторін поперечного перерізу підкріплювального кільця, визначено для h/b=1…10. При спільній дії навантажень оптимальні значення кілець л=3,5…4,0 будуть ближче до нижньої межі, якщо переважає розтягування, і до верхньої, якщо переважає зсув та згин, рис. 5.

Для кілець оптимальної податливості л=3,0…4,0 інтервали найкращих співвідношень h/b, з точки зору мінімальної концентрації напружень, при роздільній дії простих навантажень є: при розтягуванні-стисканні та при згині h/b=1…7, при зсуві h/b=7…9. При підкріпленні пластини кільцем оптимальної податливості при спільній дії розтягування, зсуву та згину на практиці рекомендується застосовувати наступні співвідношення висоти до товщини кільця h/b=7…8.

У четвертому розділі з метою вдосконалення корпусних конструкцій, що знаходяться під дією зосередженого навантаження (від штабеля контейнерів), досліджено різні варіанти конструктивних підкріплень фітингів в подвійному дні. Виконано аналіз конструкції типових підкріплень для одиночних, спарених і зчетверених контейнерних фітингів в залежності від розташування фітинга відносно рамних днищевих в'язей.

На підставі результатів чисельних розрахунків запропоновано зміну конструкції типового вузла кріплення контейнерного фітинга на нову удосконалену форму підкріплення, рис. 6. Запропоновано замінити вузол з'єднання деталей книці і штабобульба рис. 6,а на бракету спеціальної геометричної форми рис. 6,б.

Для виконання перевірочних розрахунків за вихідні дані прийнято усереднені значення розмірів конструктивних в'язей і будівельної товщини елементів конструкцій з вітчизняних і закордонних проектів контейнеровозів, підібраних за умови укладання 3-х ярусів контейнерів у трюмі. Небезпечним місцем у вузлі підкріплення контейнерного фітинга є області в районі притуплення книці, що з'єднує вертикальне та горизонтальне ребра жорсткості, (рис. 6,а). В цих точках з'єднання виникають значні напруження.

На рис. 7 представлено напружений стан типового і удосконаленого підкріплення. Дослідження напруженого стану підкріплень контейнерного фітинга днищевих корпусних конструкцій виконано МСЕ за енергетичною теорією міцності.

а)	б)

Рис. 6. Підкріплення контейнерного фітинга в днищевих корпусних конструкціях: а) типова форма; б) удосконалена форма

а)	б)

Рис. 7. Порівняння напружених станів підкріплень контейнерного фітинга днищевих корпусних конструкцій: а) типове; б) удосконалене

Як видно з рис. 7, зони підвищених напружень, що виникали раніш у районі притуплення книці, яка з'єднує профільні деталі (рис. 7,а), в пропонованій конструкції відсутні (рис. 7,б). Таким чином, зміною форми підкріплення вдалося рознести зони концентрації напружень в конструкції.

Удосконалене підкріплення контейнерного фітинга днищевих корпусних конструкцій має зменшений рівень концентрації напружень у порівнянні з типовим аналогом (на 20%). У конструкторській і технологічній підготовці виробництва немає складностей по застосуванню пропонованого підкріплення. Додаткові переваги розробленого підкріплення контейнерного фітинга днищевих конструкцій полягають у тім, що дана конструкція легше й технологічно доцільніше типового підкріплення.

Вироблено рекомендації щодо визначення геометричних співвідношень для проектування удосконаленого підкріплення під коробку фітинга в міждонних конструкціях, які дають можливість застосовувати дане підкріплення для суден з іншими розмірами конструктивних в'язей. За результатами дослідження на форму підкріплення отримано патент України [13].

У п'ятому розділі з метою врахування концентрацій напружень на всіх етапах проектування й конструювання корпуса судна обґрунтовано необхідність виконання розрахунків напружено-деформованого стану конструкцій у САПР.

У розділі показано шляхи реалізації наукових положень, розроблених в 1-4 розділах, що є основою для виконання розрахунків НДС конструкцій у складі вітчизняної корпусної САПР. Представлено практичні рекомендації з використання МГЕ розрахунків при проектуванні конструкцій і їх елементів.

Розроблено математичні моделі та розрахункові процедури за МГЕ, які базуються на методі фіктивних навантажень, для виконання розрахунків НДС корпусних конструкцій, рис. 8. Для необхідності розширення типів розв'язуваних задач у блоці розрахунку коефіцієнтів потрібно додати розрахунки функцій впливу для інших варіацій МГЕ.

На суднові корпусні конструкції діють різні поєднання видів навантажень. Тому пошук форми вирізу, за якою мали менші значення коефіцієнтів концентрації напружень при спільній дії різних комбінацій навантажень розтягування, зсуву та згину є актуальним.

В результаті дослідження, виконаного з використанням розрахункових процедур за МГЕ, розроблено нову форму вирізу, рис. 9. Правила побудови суден різних класифікаційних товариств рекомендують розташування вирізів довжиною вздовж діючого навантаження, тому в дослідженні навантаження (розтягування та згин) діє вздовж довжини вирізу.

Рис. 8. Схема реалізації розрахункових процедур за МГЕ у складі вітчизняній САПР “Деймос”

а)

Рис. 9. Форма вирізу із трьома дугами окружностей (зображено чверть контуру)

В табл.1 представлено результати розрахунків коефіцієнтів концентрації напружень на кромці вирізу. В останній графі таблиці наведено величини зниження концентрації напружень Дk запропонованого вирізу в порівнянні з типовим аналогом залежно від співвідношення навантажень розтягування p, зсуву ф та згину у0.

Дослідження на спільну дію навантажень від розтягування, зсуву та згину показало, що виріз, форма якого утворена трьома дугами окружностей, має зменшений рівень концентрації напружень у порівнянні з типовим аналогом (див. табл.1). У конструкторській і технологічній підготовці виробництва не має складностей щодо застосування запропонованого вирізу.

Переваги розробленого вирізу полягають у тім, що в даній формі втілено позитивні якості як типових, так і еліптичних вирізів. Виходячи із практичних міркувань, представлено таблицю зіставлення характеристик удосконалених і типових вирізів, яка розроблена відповідно до галузевого “Робочого альбому типових конструкцій”. За результатами дослідження на форму вирізу отримано патент України [12].

Результати досліджень впроваджено в процес проектування в науково-дослідних і проектних організаціях.

Табл. 1 Зіставлення коефіцієнтів концентрації k для вирізів a/b=1,5

Вид навантаження	Значення концентрації напружень для вирізу
	Еліпс	Типовий	Удосконалений
		k		Дk, %
Чисте розтягування p=1,0	2,35	2,5	2,23	11
Чистий зсув ф=1,0	2,45	2,58	2,37	8
Розтягування+зсув ф/р=0,5	2,55	3,05	2,70	11
Розтягування+зсув ф/р=1,0	2,62	3,01	2,67	11
Розтягування+зсув ф/р=2,0	2,58	2,86	2,56	10
Чистий згин у0=1,0	1,67	1,67	1,57	6
Розтягування+згин у0/р=0,5	2,12	2,21	2,01	9
Розтягування+згин у0/р=1,0	2,01	2,08	1.90	9
Розтягування+згин у0/р=2,0	1,89	1,94	1,79	8
р=ф=у0=1,0	2,17	2,67	2,33	13

Висновки

1. На основі аналізу вітчизняних та закордонних джерел встановлено актуальність виконання розрахунків напружено-деформованого стану суднових конструкцій в САПР на етапі їх проектування та конструювання.

2. Використавши метод фіктивних навантажень, розроблено алгоритм розрахункових процедур, що дає можливість визначити НДС розроблюваних корпусних конструкцій при їх моделюванні у вітчизняній суднобудівній САПР та зменшити концентрацію напружень в конструкціях з полегшуючими вирізами у середньому більш ніж на 9%.

3. Після зіставлення результатів розрахунків математичних моделей і розрахункових процедур, побудованих на базі МГЕ, з експериментальними даними, аналітичними залежностями і розрахунками за МСЕ встановлено, що розбіжність результатів за МГЕ з даними інших авторів встановить менше 3%.

4. Досліджено дані коефіцієнтів концентрації напружень, що виникають на кромках полегшуючих вирізів в корпусних конструкціях. Розрахунковим шляхом доведено можливість за рахунок зміни форми понизити концентрацію напружень в конструкціях з типовими полегшуючими вирізами (лазами) у середньому більш ніж на 10%.

5. Вперше визначено оптимальну податливість підкріплюючих вирізи кілець із урахуванням співвідношення їх висоти до товщини для розтягування, зсуву та згину, що для спільної дії зазначених навантажень становить л=3,5…4,0. Встановлено вплив співвідношення висоти h до товщини b кільця оптимальної податливості на концентрацію напружень в пластині і в кільці, що дає змогу визначити співвідношення розмірів h/b підкріплюючих кілець оптимальної податливості, які забезпечують найменшу концентрацію напружень при роздільній і спільній дії розтягування, зсуву та згину, h/b=7…8.

6. Чисельними розрахунками за МСЕ встановлено, що конструкція типового підкріплення контейнерних фітингів має значну концентрацію напружень у зоні притуплення книці, що з'єднує профільні деталі. Отримано аналітичну залежність для визначення параметрів форми удосконаленого підкріплення контейнерних фітингів днищевих корпусних конструкцій, що дає змогу проектувати підкріплення під коробку фітинга в днищевих конструкціях судна, концентрація напружень в якому більш ніж на 20% менше в порівнянні з типовою конструкцією.

7. На підставі виконаних досліджень за допомогою МГЕ вперше розроблено лаз для суднових корпусних конструкцій, форма якого утворена трьома дугами окружностей, що дозволяє зменшити концентрацію напружень у середньому на 10% (в порівнянні із типовим вирізом) при роздільній і спільній дії навантажень розтягування, зсуву та згину. Відповідно до галузевого “Робочого альбому типових конструкцій” розроблено таблицю замін типових вирізів на удосконалені, що дає змогу застосовувати останні при проектуванні та конструюванні.

8. Отримані результати досліджень використано: в роботі колективу НДІ автоматизованих систем і інформатики у суднобудуванні «Центр» в рамках держбюджетних та договірних науково-дослідних робіт, зокрема при проектуванні нових елементів конструкцій для буксира TUG50 (верф “КРАНШИП”) та універсального суховантажного судна / контейнеровоза пр.01616 (суднобудівний завод “Залів”), які розроблені безпосередньо автором; в процесі підготовки студентів НУК по спеціальності 8.100201 “Кораблі та океанотехніка” при виконанні дипломного та курсового проектування.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Лищук О.М. Вырезы в корпусных конструкциях, анализ их формы и расположения / Ю.Н. Коробанов, О.М. Лищук // Зб. наук. праць НУК. - Миколаїв : НУК, 2005. - № 3 (402). - С. 13-20.

2. Лищук О.М. Анализ предпосылок использования методов граничных элементов в судостроительных системах автоматизированного проектирования / Ю.Н. Коробанов, О.М. Лищук, И.М. Лищук // Зб. наук. праць НУК. - Миколаїв : НУК, 2006. - № 2 (407). - С. 31 - 38.

3. Лищук О.М. Проверка возможностей программ, собранных на базе метода граничных элементов, на примере бесконечной пластины с круговым вырезом / Ю.Н. Коробанов, О.М. Лищук // Зб. наук. праць НУК. - Миколаїв : НУК, 2006. - № 6 (411). - С. 28-33.

4. Лищук О.М. Оценка коэффициентов концентрации напряжений, вызванных вырезами в судовых конструкциях / Ю.Н. Коробанов, О.М. Лищук // Зб. наук. праць НУК. - Миколаїв : НУК, 2007. - № 1 (412). - С. -25.

5. Лищук О.М. Анализ напряженного состояния лаза, форма которого образована тремя дугами окружностей / Ю.Н. Коробанов, О.М. Лищук, И.М. Лищук // Зб. наук. праць НУК. - Миколаїв : НУК, 2008. - № 2 (419). - С. -32.

6. Лищук О.М. Влияние соотношения высоты и толщины подкрепляющих вырезы оптимальных колец на концентрацию напряжений / Ю.Н. Коробанов, О.М. Лищук // Зб. наук. праць НУК. - Миколаїв : НУК, 2009. - №1 (424). - С. 15-21.

7. Лищук О.М. Реализация прочностных расчетов конструкций судна в отечественных САПР / Ю.Н. Коробанов, О.М. Лищук, И.М. Лищук // Зб. наук. праць НУК. - Миколаїв : НУК, 2009. - № 4 (427). - С. 105-111.

8. Лищук О.М. Оценка конструктивной безопасности судов при прочностных расчетах численными методами / Ю.Н. Коробанов, О.М. Лищук // Безопасность мореплавания и ее обеспечение при проектировании и постройке судов (БМС 2004) : Мат. междунар. науч.-техн. конф. - Николаев, 2004. - С. 39-40.

9. Лищук О.М. Анализ взаимодействия контейнерных фитингов и корпусных конструкций / Ю.Н. Коробанов, О.М. Лищук, И.М. Лищук // Научно-производств. журнал. Специальный выпуск : Рыбное хозяйство Украины. Морские технологи: проблемы и решения - 2005 : Мат. IV междунар. науч.-практ. конф. - Керчь, 2005. - №7. - С. 10-12.

10. Лищук О.М. Автоматизация расчетов корпусных конструкций / Ю.Н. Коробанов, О.М. Лищук // Автоматизация судостроительного производства и подготовка инженерных кадров: состояние, проблемы, перспективы : Мат. междунар. науч.-методич. конф. - Николаев, 2007. - С. 130-133.

11. Лищук О.М. Совершенствование формы вырезов (лазов) в судовых корпусных конструкциях / Ю.Н. Коробанов, О.М. Лищук // Безопасность мореплавания и ее обеспечение при проектировании и постройке судов (БМС 2007) : Мат. междунар. науч.-техн. конф. - Николаев, 2007. - С. 107-108.

12. Лаз для суднових корпусних конструкцій : пат. 30699 Україна : МПК7 В63В3/00, В63В19/00 / Ліщук О.М., Коробанов Ю.Н. ; заявник і власник патенту Національний Університет Кораблебудування імені адмірала Макарова. - № u 2007 11888 ; заявл. 29.10.2007 ; опубл. 11.03.2008, Бюл. № 5. - 2 с.

13. Підкріплення контейнерного фітинга днищевих корпусних конструкцій : пат. 37796 Україна : МПК7 В63В3/00 / Ліщук О.М., Коробанов Ю.Н. ; заявник і власник патенту Національний Університет Кораблебудування імені адмірала Макарова. - № u 2008 08477 ; заявл. 25.06.2008 ; опубл. 10.12.2008, Бюл. № 23. - 4 с.

Особистий внесок здобувача у працях, що опубліковані у співавторстві: в [1, 5, 11, 12] виконав розрахунки та аналіз форми вирізів з позицій формування контурів вирізів різними радіусами; в [2, 10] автору належить аналіз можливостей метода граничних елементів та висновки про подальше його використання у САПР; в [3] виконав перевірку можливостей розрахункових процедур за МГЕ; в [4] зробив оцінку коефіцієнтів концентрації напружень; в [6] визначив значення оптимальної податливості підкріплювальних кілець із урахуванням співвідношення сторін поперечного перерізу кільця, а також найкращі співвідношення висоти до товщини кілець оптимальної податливості при різних видах навантаження; в [7] розробив алгоритм для розрахункових процедур за МГЕ; в [8] зіставив розрахункові процедури за МГЕ із системою розрахунків за МСЕ; в [9, 13] виконав розрахунки конструкцій під навантаженням від штабелю контейнерів.

Анотація

Ліщук О. М. Проектування суднових конструкцій із врахуванням концентрацій напружень та місцевих підкріплень. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.08.03 - конструювання та будування суден. - Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, Миколаїв, 2010.

Мета роботи: розробка теоретичних основ для виконання розрахунків напружено-деформованого стану суднових конструкцій у вітчизняних САПР, що дає змогу враховувати концентрацію напружень на етапі проектування та конструювання конструкцій.

Об'єкт дослідження - реалізація розрахункових процедур корпусних конструкцій при проектуванні у САПР. Предметом дослідження є корпусні конструкції транспортних суден, піддані впливу зосереджених і розподілених навантажень, а також що мають концентратори напружень й підкріплення. Методи дослідження прийняті чисельні.

Виконано дослідження з удосконалювання типових елементів корпусних конструкцій. Визначено вплив співвідношення сторін підкріплювального кільця оптимальної податливості на концентрацію напружень у пластині й кільці для роздільної та спільної дії навантажень розтягування, зсуву і згину.

Ключові слова: напружено-деформований стан, метод граничних елементів, вирізи, підкріплення, концентрація напружень, корпусні конструкції.

Аннотация

Лищук О. М. Проектирование судовых конструкций с учетом концентрации напряжений и местных подкреплений. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.08.03 - конструирование и строительство судов. - Национальный университет кораблестроения имени адмирала Макарова, Николаев, 2010.

Цель работы: разработка теоретических основ для выполнения расчетов напряженно-деформируемого состояния судовых конструкций в отечественных САПР, что даст возможность учитывать концентрацию напряжений на этапе проектирования и конструирования конструкций.

Объект исследования - реализация расчетных процедур корпусных конструкций при проектировании в САПР. Предметом исследования являются корпусные конструкции транспортных судов, подверженные воздействию сосредоточенных и распределенных нагрузок, а также имеющие концентраторы напряжения и подкрепления. Методы исследования приняты численные.

Исследованы вопросы выполнения расчетов напряженно-деформируемого состояния корпусных конструкций в отечественных судостроительных САПР. Разработаны и апробированы математические модели и расчетные процедуры, способные быть интегрированными в судостроительные САПР. Выполнены исследования по усовершенствованию типовых элементов корпусных конструкций.

Рассмотрены и решены задачи влияния соотношения сторон подкрепляющего кольца оптимальной податливости на концентрацию напряжений в пластине и кольце для раздельного и совместного действия нагрузок растяжения, сдвига и изгиба. Усовершенствована конструкция типового подкрепления днищевых контейнерных фитингов, воспринимающая давление штабеля контейнеров. Разработан лаз, форма которого образована тремя дугами окружностей, который обладает меньшей концентрацией напряжений по сравнению с типовыми вырезами при совместном действии различных комбинаций нагрузок растяжения, сдвига и изгиба.

Ключевые слова: напряженно-деформированное состояние, метод граничных элементов, вырезы, подкрепления, концентрация напряжений, корпусные конструкции.

Summary

Ogneslav Lishchuk. Design of ship hull structure taking into consideration stress concentrations and local reinforcements. - Manuscript.

The thesis for the scientific degree of candidate of technical sciences on specialty 05.08.03 - constructing and building of ships. - National University of Shipbuilding named after admiral Makarov, Nicholajev, 2010.

The purpose of the thesis: elaboration of the theoretical basis for implementation of calculations of stressed-deformed state of ship structures in domestic CAD/CAM - systems, that gives opportunity to take into account the stress concentrations at the stage of designing and constructing of structures.

Questions of performance of stressed-deformed state calculations of hull structures in domestic CAD/CAM-systems are investigated. Mathematical models and the calculation procedures, capable to be integrated in CAD/CAM-systems are developed and approved. Researches on improvement of typical elements of hull structures are executed. The influence of side ratio of the supported optimal malleability rings to stress factor for separate and combined action of stretching, shear and bend are considered.

Keywords: stressed-deformed state, method of boundary elements, cutouts, reinforcements, stress concentration, hull structures.

Размещено на Allbest.ru