Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчётное проектирование конструкций корпуса подводной лодки

1.Исходные данные

Исходными данными для выполнения курсового проекта для варианта №30 являются:

1) диаметр прочного корпуса d_пк=8,5 м;

2) предельная глубина погружения h_пр=400 м;

3) коэффициент безопасности k=1,3;

4) коэффициент запаса динамической прочности шпангоутов N=1,2;

5) длина отсека прочного корпуса L=13,7 м;

6) материал прочного корпуса - титан;

7) предел текучести материала ПК у_т=8000 кгс/см²;

8) конструктивный тип межотсечной поперечной переборки -плоская шельфовая;

9) спецификационное давления для межотсечной переборки, p_сп=10 кгс/см²;

10) предел текучести материала переборки у_т=8000 кгс/см².

2. Определение элементов цилиндрического отсека прочного корпуса

2.1 Определение толщины обшивки и шпации прочного корпуса в первом приближении

Расчетная глубина погружения:

Гидростатическое давление на расчётной глубине:

кгс/см².

Радиус прочного корпуса r = 425 см.

Условная норма допускаемых напряжений кгс/см² .

Тогда необходимая толщина обшивки прочного корпуса:

где в первом приближении.

Параметр относительной прочности и жесткости материала

, где E = 1,15·10⁶ кгс/см² - модуль нормальной

упругости материала прочного корпуса.

Так как следовательно примем у_тпк= 5500 кгс/см²;

= 0,8· у_тпк = 0.8·5500 = 4400 кгс/см²;

Далее параметр относительной прочности и жесткости материала, применяемого в конструкции ПК ПЛ и толщина обшивки ПК в последующем пересчете

= 0,988

Предельное значение шпации прочного корпуса

,

где коэффициент з₁=0,7. Поправочный коэффициент з₂=0,8 (по графику зависимости з₂()).

Конструктивное значение шпации корпуса l=70 см.

Определяем параметр Бубнова

;

В первом приближении

Функция

В первом приближении ;

 = 0,898

где - коэффициент Пуассона

;

Уточним длину шпации:

;

Оставим длину шпации 65 см.

2.2 Определение необходимого момента инерции поперечного сечения шпангоута в первом приближении и подбор его профиля

Критические напряжения, соответствующие действительному критическому давлению для отсека в целом:

=кгс/см²,

В зависимости от отношения коэффициент з₂=0,72

Определяем необходимый момент инерции поперечного сечения шпангоута с присоединенным пояском обшивки по формуле:

для n=2,3,4,5:

n=2

n=3

n=4

n=5

см⁴

B качестве шпангоута принимаем сварной тавровый профиль.

Ориентировочная площадь профиля шпангоута

где - удельная площадь профиля по моменту инерции.

Толщина стенки шпангоута .

По сортаменту .

В первом приближении , .

Числовой коэффициент

Высота профиля

Высота стенки в первом приближении

Ширина свободного пояска

принимаем

Толщина свободного пояска:

По сортаменту

Площадь сечения свободного пояска

см²

Площадь сечения присоединенного пояска

см²

Условная площадь сечения стенки с учетом h_ст, b_n, д_n равна

см²

Уточненные значения числовых коэффициентов:

Новое значение высоты профиля

см

Фактическая высота профиля

см.

Принимаем .

В таблице 2.1 определяются характеристики спроектированного поперечного сечения шпангоута с присоединенным пояском.

Таблица 2.1

см	Fi, см2	yi, см	Fi yi, см3	Fi yi2, см4	I0,i, см4
15x2,85	42,75	33,98	1453	49374	28,94
2,1 x30	64,05	17,31	1109	19191	4965
65x4,119	267,7	0	0	0	378,536
-	374,535	6,839	2562	73937

Площадь изолированного поперечного сечения шпангоута

Собственный момент инерции поперечного сечения шпангоута с присоединённым пояском

см⁴

Минимальный момент сопротивления

см³,

где

см

Точность подбора профиля

2.3 Уточнение основных элементов прочного корпуса

Параметр сложного изгиба:

Расчетные аргументы

7746

,

при

Значения функций F_j(u₁, u₂):

Параметры

при

Уточнение толщины обшивки прочного корпуса из условий прочности оболочки в продольных сечениях посередине шпации и в поперечных сечениях у шпангоута:

см

см

см

, тогда . По величине отношения у_кр/у_т определяем з₂=0,8.

Уточнение предельной шпации:

Условие выполняется. Для расчётов используем значение l= 65 см.

Пересчет параметров u и в.

Максимально необходимый момент инерции сечения шпангоута с присоединённым пояском определяется так же, как и в параграфе 2.2.

Уточнение з₂:

По графикам с рисунка 2.1[1] находим . з₁=0,8.

n=2

n=3

n=4

n=5

Выбираем см⁴

Проконтролируем число волн n потери устойчивости, соответствующее максимальному In с помощью диаграммы рис.2.8 (см.[1]) и параметров б1= и ч:

.

Согласно диаграмме n=3, ч.т.д.

По найденному наибольшему положительному значению подберём профиль поперечного сечения шпангоута в соответствии с методикой раздела 2.2:

. По сортаменту

, .

принимаем

. По сортаменту

см²

см²

см²

см

см.

Принимаем см.

Таблица 2.2

см	Fi, см2	yi, см	Fi yi, см3	Fi yi2, см4	I0,i, см4
16x2,8	44,8	34,87	1562	54478	29,27
x	63	17,72	1116	19785	5209
65x	256,3	0	0	0	332,06
-	364,095	7,357	2679	79833

см⁴

см³,

где

Точность подбора профиля

Проверка по критерию сходимости:



Третье приближение.

;

.

принимаем.

В итоге принимаем шпацию, равной l = 65 см.

По графикам с рисунка 2.1 находим . з₁=0,8.

n=2

n=3

n=4

n=5

Выбираем см⁴.

Число волн потери устойчивости n = 5.

Подбор сечения по найденному

. По сортаменту

, .

принимаем

. По сортаменту

см²

см²

см²

см

61 см.

Принимаем см.

Таблица 2.3

см	Fi, см2	yi, см	Fi yi, см3	Fi yi2, см4	I0,i, см4
16x	45,6	34,38	1568	53913	30,87
2x31	62	17,46	1082	18900	4965
65x3,919	254,7	0	0	0	326,03
-	362,335	7,315	2650	78134



см⁴

см³,

где

Точность подбора профиля

Проверка по критерию сходимости:

Величина переката Дд=0,2 см.

Конструктивное значение толщины д_с=д+Дд=3,919+0,2=4,119 см.

По сортаменту принимаем д_с=4,15 см.

Произведем расчет табличных коэффициентов с новой толщиной обшивки д_с=4,15.

Таблица 2.4

см	Fi, см2	yi, см	Fi yi, см3	Fi yi2, см4	I0,i, см4
16x	45,6	34,5	1573	54275	30,87
2x31	62	17,57	1090	19151	4965
65x4,15	269,8	0	0	0	387,147
-	377,35	7,057	2663	78809

 см⁴

см³,

где

Точность подбора профиля

Для достижения различия моментов инерции с точность 3 - 4% потребовалось 3 приближения.В результате проведенных приближений принимаем толщину обшивки ПК с учетом переката по сортаменту равную д_с= см.

3. Проверочный расчет прочности отсека прочного корпуса

3.1 Определение расчётных напряжений в обшивке и в шпангоутах прочного корпуса при равномерном осесимметричном обжатии

Расчетное значение толщины обшивки д=д_с-Дд=4,15-0,2=3,95 см.

;

Расчетные напряжения в срединной поверхности обшивки прочного корпуса в меридиональном сечении по середине шпации:

Расчетные напряжения в поперечном сечении обшивки прочного корпуса у шпангоутов:

Напряжения от осесимметричного обжатия шпангоутов

Оценка правильности вычисления расчетных напряжений.

Коэффициенты , и k определяются по графикам, приведённым на рис.3.1, 3.2 и 3.3 [1]. Т.о. ,

Полученные расчётные напряжения не превышают по абсолютной величине соответствующих допускаемых напряжений:



Напряжения от обжатия шпангоутов не регламентируются.

3.2 Проверка устойчивости оболочек прочного корпуса

3.2.1 Проверка устойчивости обшивки прочного корпуса

Число волн потери устойчивости по окружности оболочки, соответствующее минимальному значению теоретического критического давления:

где параметр л=0,67 определяется по графику рис.3.5 [1].

Коэффициент (из п. 3.1).

Функция :

Теоретическое критическое давление обшивки:



Поправочный коэффициент, учитывающий снижение критического давления, вследствие отклонений от правильной круговой и цилиндрической формы обшивки корпуса между шпангоутами, для многоволновой формы потери устойчивости принимается равным

з1 = 0,7.

р_р = кгс/см²

;

;

Теоретическое критическое (эйлерово) напряжение в меридиональных сечениях обшивки посередине шпации:

По графику рис.2.1 [1] определяется поправочный коэффициент .

Действительное критическое давление обшивки

Полученное значение должно удовлетворять условию устойчивости . Имеем , значит необходимо произвести расчёт устойчивости по осесимметричной форме. Теоретическое критическое давление, соответствующее осесимметричной (желобообразной) форме потери устойчивости оболочки:

1,21·1150000·=120,;

По графикам с рисунка 2.1 находим . Поправочный коэффициент принимаем равным з₁=0,6.

;

Полученное значение должно удовлетворять условию устойчивости . Имеем

3.2.2 Проверка устойчивости отсека в целом

Теоретическое критическое давление для отсека в целом определяется формулой В.В.Новожилова

где .

Для определения наименьшего значения p'кр по формуле В.В.Новожилова необходимо вычислить p_кр' для нескольких значений n = 2,3,4,5.

Т.о.

n=2

n=3

n=4

n=5

Следовательно, наименьшее

Число волн потери устойчивости n = 3.

Определение с учетом для р_р = кгс/см²:

;

Величина теоретических критических напряжений в продольных сечениях обшивки у шпангоутов:

Поправочный коэффициент з1 = 0,8 ; коэффициент з₂ определяется по графику рис.2.1. з₂=0,68.

Действительное критическое давление отсека в целом

Полученное по формуле значение P_кp должно удовлетворять условию устойчивости



Рассчитанные параметры обеспечивают устойчивость обшивки по многоволновой форме, устойчивость отсека в целом.

3.3 Определение напряжений в шпангоутах прочного корпуса с учётом отступления от их правильной круговой формы

Вычисление множителя производится в табличной форме (p_кр находится по формуле Новожилова):

Таблица 3.1

n	Pкр`	pкр`-pp	n2-1	k`
2	149,1	97,1	3	0,0309
3	116	64	8	0,1251
4	203,3	151,3	15	0,0991
5	326,1	274,1	24	0,0876

()

Максимально допустимая построечная погибь шпангоута:

w₀ = 0,0025r=0,0025·425=1,0625 см.

Из п. 3.1 получено .

Расчетные суммарные напряжения в поперечном сечении шпангоута:



Прочность шпангоутов прочного корпуса обеспечена.

4. Проектирование плоских межотсечных переборок

4.1 Конструктивная схема плоской шельфовой переборки

d_пк=8,5 м, значит, устанавливается 3 шельфа.

- расстояние между шельфами.

Принимаю a = 106см - расстояние между стойками; b = 57см - расстояние между балками вспомогательного набора.

4.2 Определение толщины листов плоских переборок

Давление на предельной глубине погружения р_пр=0,1h_пр=0,1·400=40 кгс/см². [3]

При a/b=1,86 по табл.4.1 [1] определяется k₅=0,0821.

Расчетный изгибающий момент посередине длинной стороны опорного контура определяется по формуле

Исходные «фиктивные» напряжения в сечении пластины у её поверхности

Толщина расчетной пластины переборки



По сортаменту .

Расчетные напряжения в поперечном сечении на опорном контуре пластины у ее поверхности

По графикам рис.4.2 [1] б=5850, в=0,802.

Расчетные напряжения в крайних волокнах пластины в пролетном ее сечении:

Если же принять по сортаменту , то основное условие прочности также выполняется:

Расчетные напряжения в поперечном сечении на опорном контуре пластины у ее поверхности

По условию прочности в конструкции следует принять .

з₂=1 при у_э/у_т ? 0,5.

По условию устойчивости необходимая толщина листов обшивки переборки в первом приближении:

По сортаменту .

Из сравнения толщин листов, необходимых по условиям прочности и усточивости, в конструкции принимается .

4.3 Определение профилей балок вспомогательного набора и вертикальных стоек шельфовой переборки

а) Балки вспомогательного набора.

Необходимый момент сопротивления поперечного сечения балки

Допускаемые напряжения для балок вспомогательного набора в середине пролета

Необходимая площадь сечения изолированного профиля полособульба



Необходимая эффективная площадь сечения профиля с присоединенным пояском

где

Высота поперечного сечения изолированного полособульбового профиля

где tст - толщина стенки полособульба по сортаменту, принимается t_ст = 0,6 см.

Поскольку все последующие проверки будут выполнены, выбираю несимметричный полособульб 12 с параметрами h₀ = 12 см, t_ст = 0,6 см, f₀=8,63 см², i₀ = 83,45 см⁴, у₀ = 6,29 см,W=41,2;

Ширина присоединенного пояска: b_пр = min{b,a/6,50t_п} = a/6= 17,7 см.

Момент инерции сечения балки вспомогательного набора с присоединенным пояском обшивки ПП определяется по формуле

Расчетный момент сопротивления сечения балки вспомогательного набора

где отстояние наиболее удаленного волокна профиля от нейтральной оси сечения балки с присоединенным пояском

Площадь сечения присоединенного пояска s' = b_прt_п = 17,6·1,5=26,5 см².

f₀ ? s', значит пластический момент сопротивления балки с присоединённым пояском

.

M_пр = у_тWт = - предельный изгибающий момент, воспринимаемый сечением балки вспомогательного набора с присоединенным пояском;

- изгибающий момент по упругому решению.

M_упр ? M_пр, тогда M = M_упр= - опорный изгибающий момент.

Статический момент части профиля, отсеченной нейтральной линией сечения балки с присоединенным пояском, относительно ц.т. сечения:



Напряжения в поперечных сечениях балок вспомогательного набора:

не превышают допускаемых.

б) Определение профиля вертикальных стоек.

Необходимый момент сопротивления стойки, опертой на равноотстоящие опоры:

где l=212,5см - расчетный пролет стойки, равный расстоянию между шельфами.

Минимальная площадь стенки профиля стойки:

где к₀' = 0,4 - коэффициент перерезывающей силы, действующей на крайней опоре свободно опертой неразрезной балки (определяется по табл. из [2]).

к₁' = 1 - к₀' =1-0,4= 0,6 - коэффициент расчетной перерезывающей силы.

Толщина стенки стойки

Принимаю .

Высота стойки переборки

Принимаю .

Высота стенки профиля стойки должна удовлетворять условию прочности

и условию устойчивости по касательным напряжениям

где Е_ст=2·10⁶ кгс/см² - модуль нормальной упругости стали.

Условие выполняется.

Площадь свободного пояска стойки определяется по формуле



где коэффициент К=4,5 в первом приближении

Ширина присоединенного пояска

b_пр = min{a,l/6,50t_п}

Площадь присоединенного пояска стойки переборки

s' = b_прt_П

Уточнение коэффициента К:

Площадь свободного пояска

Размеры поперечного сечения свободного пояска профиля стойки при найденной его площади s = b_сt_с принимаю b_с=8,5 см ? 0,25h =0,25·34 =8,5 см - ширина пояска, а t_с=1,5 см - толщина. s =12 1,5 = 21 .

Условие устойчивости пояска

Кроме того, должны выполняться общие требования к проектированию неподкрепленного сварного таврового профиля:

Условия выполняются.

После подбора профиля производится проверочный расчет вертикальной стойки.

В табличной форме (табл.4.1) определяются параметры поперечного сечения стойки с присоединенным пояском

Таблица 4.1

-	Fi	yi	Fi yi	Fi yi2	i0,i
14х1,5	21	35,5	745,5	26654	3,94
1,5х34	51	17,5	905,25	16068	4913
35,4х 1,5	53,1	0	0	0	9,96
-	FУ = 125,2	y0 = 13,2	SУ = 1651	IУ = 47460

I =I_?-F_?y₀²= 55595 - 160,711,7 ² =25682см⁴;

y_max == 1,5 + 34 +(0,51,5)13,2= 23,06 см;

W_min = = 1114 см³, что больше необходимого момента сопротивления

s+щ > s', значит пластический момент сопротивления:

;

Статический момент части профиля, отсекаемой нейтральной линией сечения стойки с присоединенным пояском, относительно ц.т. профиля:

Эффективная площадь среза

Предельный изгибающий момент, который способно воспринять поперечное сечение вертикальной стойки с присоединенным пояском:

Поперечное давление, вызывающее образование первого пластического шарнира в стойке на равноотстоящих абсолютно жестких опорах:

где к₁ = 0,1 - коэффициент максимального опорного момента (по табл. из [2]).

p_сп ? p_пр1, значит максимальный пролетный изгибающий момент, действующий в крайних пролетах стойки

.

Максимальные нормальные напряжения в пролете:

не больше у_доп = 0,9у_т =0,98000= 7200 .

p_сп ? p_пр1, значит максимальная расчетная перерезывающая сила в поперечном сечении стойки на крайней промежуточной опоре

;

При этом максимальные касательные напряжения в стенке стойки

не больше ф_доп = 0,57у_т =3119 .

Вывод

В данном расчёте выполняются все необходимые условия, как на устойчивость, так и на прочность. Количество произведенных приближений при уточнении профиля шпангоутов - 3, для достижения точности по критерию сходимости необходимого момента инерции 3-4%. Подобранные параметры являются удовлетворительными.

Литература

подводный лодка корпус

1. Сиверс Н.Л., Жестков К.Г. Расчетное проектирование конструкций корпуса подводной лодки: учебное пособие. - СПб.: ИЦ СПбГМТУ, 2009.

2. Шиманский Ю.А. Справочник по строительной механике корабля. Т.1,2 -Л.: Судпромгиз, 1958.

3. Соломенко Н.С., Румянцев Ю.Н. Строительная механика подводных лодок. -Л.: ВВМИОЛУ им. Ф.Э.Дзержинского, 1962.

4. Новиков С.С. Конструкция корпуса подводных лодок и глубоководных аппаратов: учебное пособие. -СПб.: ИЦ СПбГМТУ, 2005.

5. Гарбуз В.С., Казачук И.В. Справочные материалы по строительной механике и прочности корабля. Л.: Изд. ЛКИ, 1990.

6. Рябов В.М. Устойчивость гладких свободно опертых оболочек (простые расчетные формулы) // Вопросы прочности корпусов подводной техники: Труды ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова. Вып. 16(300). СПб., 2003.

Размещено на Allbest.ru