Методика проектирования гибкого ограждения амфибийных судов на воздушной подушке тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.03, кандидат технических наук Федотов, Дмитрий Геннадьевич

• Федотов, Дмитрий Геннадьевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Федотов, Дмитрий Геннадьевич

Обозначения и сокращения.

Введение

Глава 1 Методика расчёта параметров формы элементов го и построения теоретического чертежа ГО АСВП.

1.1 Описание рассматриваемого ГО.

1.2 Краткий обзор работ по расчету параметров формы ГО (определение положения статического равновесия ГО).

1.2.1 Обзор работ по расчету параметров формы бортовой секции ГО.

1.2.2 Обзор работ по расчету параметров формы носовой секции ГО.

1.2.3 Обзор работ по расчету параметров формы кормовой секций ГО.

1.2.4 Работы по расчету параметров формы угловой секций ГО.

1.3 Исходные данные для проектирования ГО.

1.4 Расчет параметров формы и построение бортовой секции ГО.

1.4.1 Описание формы бортовой секции.

1.4.2 Описание расчетной схемы и вывод системы уравнений равновесия.

1.4.3 Построение контура НЭ открытого типа, бортовой секции.

1.4.4 Нахождение формы внешней и внутренней частей гибкого ресивера бортовой секции

1.4.5 Нахождение формы гибкого ресивера над НЭ.

1.4.6 Дополнительные построения для бортовой секции.

1.4.7 Математическая формализация построения ряда параметров формы сечения бортовой секции.

1.5 Расчет параметров формы и построение носовой секции ГО.

1.5.1 Описание формы носовой секции.

1.5.2 Определение формы внешней и внутренней частей гибкого ресивера сечения I-I (в ДП) носовой секции.

1.5.3 Построение контрольной линии, внешней и внутренней линий крепления ГО носовой секции.

1.5.4 Определение границы носовой секции и задание секущих плоскостей.

1.5.5 Нахождение формы сечений II-II. IX-IX гибкого ресивера.

1.6 Расчет параметров формы и построение кормовой секции ГО.

1.6.1 Описание формы кормовой секции.

1.6.2 Описание расчетной схемы и вывод системы уравнений равновесия.

1.6.3 Определение границы кормовой секции.

1.6.4 Соотношения определяющие характерные вертикальные размеры элементов кормовой секции.

1.6.5 Построение формы кормового навесного конусного элемента и гибкого ресивера второго яруса.

1.6.6 Расчет и построение формы гибкого ресивера первого (верхнего) яруса кормовой секции ГО.

1.6.7 Дополнительные построения для кормовой секции.

1.6.8 Математическая формализация построения ряда параметров формы сечения кормовой секции.

1.7 Расчет и построение формы угловой секции ГО.

1.7.1 Описание формы угловой секции.

1.7.2 Определение границ угловой секции ГО и выполнение необходимых сечений.

1.7.3 Расчет и построение крайнего кормового бортового сечения угловой секции ГО (сечение XV-XV).

1.7.4 Расчет и построение сечений XII-XII, XIII-XIII.

1.7.5 Определение положения крайнего съёмного элемента открытого типа.

1.7.6 Определение положения бортовой кромки кормового участка секции.

1.7.7 Получение геомётрических характеристик диафрагмы конусного НЭ.

1.7.8 Расчет и построение углового участка угловой секции.

1.7.9 Построение формы конусообразной оболочки (сечения XIX-XIX + XXI-XXI).

1.7.10 Определение положения кормовой кромки бортового участка секции.

1.7.11 Построение линий крепления НЭ.

1.8 Корректировка геометрических параметров ГО внешнего контура.

1.9 Расчет параметров формы и построение внутреннего контура ГО.

1.9.1 Описание формы внутреннего контура.

1.9.2 Построение продольного киля внутреннего контура.

1.9.3 Построение поперечного киля внутреннего контура.

Глава 2 создание трехмерной параметрической модели гибкого ограждения АСВП.

2.1 Параметрическое моделирование в CAD системах, основные термины и определения.

2.2 Создание трехмерной параметрической модели ГО в системе Inventor.

2.2.1 Программный комплекс Inventor общее описание.

2.2.2 Этапы создания трехмерной параметрической модели ГО.

2.2.3 Создание трехмерной параметрической модели ГО.

2.3 Адекватность созданной методики расчета параметров формы элементов ГО и созданной трехмерной параметрической модели ГО в системе Inventor.

2.3.1 Получение геометрических параметров ГО на стадии эскизного проектирования.

2.3.2 Получение геометрических параметров ГО на стадии технического проектирования.

Глава 3 Расчет прочности го в статической постановке.

3.1 Материалы ГО.

3.1.1 Резинотканевые материалы.

3.1.2 Ткани с ПВХ покрытием.

3.2 Проблема внешних сил.

3.3 Статический расчет ГО.

3.4 Метод конечных элементов, основные понятия.

3.5 Программный комплекс ANSYS общее описание и основные стадии статического расчета ГО.

3.6 Статический расчет ГО методом конечных элементов (МКЭ) в программном комплексе ANS YS.

3.6.1 Препроцессорная подготовка.

3.6.2 Получение решения.

3.6.3 Просмотр и анализ результатов (постпроцессорная обработка).

3.7 Оценка прочности ГО.

3.8 Верификация расчета и экспериментальных данных.

3.9 Анализ результатов расчета.

Глава 4 Методика расчета массы устройства механического ограждения ВП на стадии эскизного и технического проектирования.

4.1 Описание метода расчета массы устройства механического ограждения ВП.

4.1.1 Состав устройства механического ограждения ВП.

4.1.2 Определение массы устройства механического ограждения ВП.

4.2 Определение коэффициентов кэикт.

4.3 Рекомендации по использованию расчетных формул и коэффициентов.

4.4 Порядок расчета массы устройства механического ограждения ВП на стадии эскизного проектирования с использованием трехмерной модели ГО АСВП.

4.5 Порядок расчета массы устройства механического ограждения ВП на стадии технического проектирования с использованием трехмерной модели ГО АСВП.

4.6 Пример расчета массы устройства механического ограждения ВП на стадии эскизного проектирования с использованием созданной трехмерной модели ГО АСВП.

4.6.1 Расчет массы ГО (Mo2iioi(ro)).

4.6.2 Расчет массы крепления ГО к корпусу АСВП (Монюикр)).

Глава 5 Построение разверток ГО.

5.1 ГО как поверхность.

5.2 Обзор работ по построению разверток ГО.

5.3 CAD/CAM системы позволяющие, производить развертку поверхностей.

5.4 Пример развертки поверхности ГО в CAD/CAM системе Foran.

5.4.1 CAD/CAM система Foran, общее описание.

5.4.2 Импорт поверхности гибкого ресивера носовой части ГО в систему Foran.

5.4.3 Подготовка поверхности гибкого ресивера носовой части ГО к развертке.

5.4.4 Развертка носовых секций гибкого ресивера.

Выводы по результатам диссертации.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика проектирования гибкого ограждения амфибийных судов на воздушной подушке»

Амфибийные суда и корабли на воздушной подушке (АСВП) успешно зарекомендовали себя благодаря уникальным эксплуатационным возможностям: движение с высокой скоростью и амфибийность, базирование на необорудованном берегу. В оборонной сфере ими обеспечивается выполнение десантных и патрульных операций, они используются они также в качестве кораблей охранения в ближней морской зоне, в работе пограничных и таможенных службах. Не менее успешны они и при использовании в гражданских целях в качестве амфибийных транспортных средств в условиях труднодоступных районов, заболоченной тундры, мелководного шельфа. Аналогичный опыт в зарубежье получен в Финляндии, в Великобритании, Канаде, на Аляске (США), в Китае. Реальный опыт эксплуатации в военной и гражданской областях насчитывает уже более 40 лет. Здесь Россия уверенно занимает лидирующие положение.

Для нашей страны с ее огромными пространствами тундры, шельфами Арктических и Дальневосточных морей, в которых сосредоточены более четверти мировых запасов углеводородного сырья, хозяйственно-экономическое освоение этих регионов является стратегической задачей, решение которой в значительной степени связано с проблемой по доставке тысяч тонн грузов. Традиционные способы транспортировки грузов в суровых природно-климатических условиях не могут в полной мере обеспечить решение этой крупномасштабной задачи.

В связи с этим, реализация возможности использования АСВП для транспортного обслуживания и обустройства объектов нефте - и газодобычи в трудно доступных районах крайнего Севера, Сибири и Дальнего Востока, следует считать актуальной, отвечающей современным тенденциям применения прогрессивных транспортных технологий в решении стратегической задачи - освоения природных ресурсов страны.

Эти проблемы ставят для проектантов такие задачи как совершенствование старых и разработка новых типов АСВП для возможности эксплуатации в условиях низких температур, повышенного пыле и грязеобразования, над снежным покровом, торосистыми и ледяными полями.

Широкое применение АСВП выдвинуло целый ряд новых технических задач, связанных с проектированием этих судов. В целом можно говорить о значительных успехах в разработке методологии проектирования АСВП [21,22]. Основной подсистемой этих аппаратов является гибкое ограждение (ГО) области воздушной подушки. крепящееся по ее периметру к нижней части жесткого корпуса и обеспечивающее

10 судну повышение проходимости, амфибийности, остойчивости, минимизирующее затраты энергии на поддержание ВП.

Кроме того ГО относят к категории наиболее ответственных конструкций АСВП, от надежности и прочности которых зависит успешная эксплуатация этого вида транспортных средств. По мере совершенствования конструкций, накопления опыта проектирования и эксплуатации ГО их роль в обеспечении мореходных и амфибийных качеств СВП непрерывно повышается. Постоянно контактируя с подстилающей поверхностью и будучи изготовленным из прорезиненных синтетических материалов, ГО подвержено вибрации, флагеляции, истиранию, разрыву и имеет ресурс, многократно меньший, чем остальные подсистемы АСВП в целом и даже такие проблемные, как энергетическая установка, воздушные винты, воздухонагнетатели.

Характерной особенностью проектирования современных судов является, возрастающее значение технико-экономического анализа, внедрение расчетных методов поиска наилучших, т.е. оптимальных решений, обеспечивающих оценку эффективности применения разрабатываемых судов и их систем по сравнению с уже существующими или перспективными. В последние годы интенсивно развивается процесс автоматизации проектирования судов. Сказанное в полной мере относится и к проектированию ГО СВП. Сложность технических задач, стоящих перед разработчиками ГО, необходимость поиска их оптимального решения заставляют уже на самых ранних стадиях проектных проработок устанавливать форму ГО, выполнять расчетную оценку его прочности для различных вариантов конструкций, рассчитать его массу и по возможности минимизировать. Успешное решение этих задач в значительной степени определяется наличием надежного расчетного аппарата, поскольку, как показывает опыт проектирования, именно на начальных стадиях проектных проработок принимается более 90% всех принципиальных технических решений [44].

Форма и конструкция ГО может иметь большие многообразия [20, 22, 62], но наиболее распространен двухъярусный тип ГО, состоящий из надувного тороидального идущего по всему периметру ресивера, к которому крепятся навесные секционированные элементы. Этот тип ограждения является сам сложным, но наиболее эффективным из отечественных, разработке методики его проектирования и посвящена данная работа.

Проблемы повышения надежности, ресурса, массы, стоимости ГО являются комплексными и касаются: проектирования формы, автоматизации получения электронной модели геометрической поверхности ГО, обоснования свойств и характери

11 стик применяемых конструкционных материалов, использования современных методов расчета прочности (МКЭ), выполнения автоматизированных расчетов массы ГО, автоматизированного раскроя материала ГО на секции, узлы, элементы для последующего выполнения их рабочих чертежей.

Для решения вышеобозначенных проблем требуется создать методику расчёта формы и построения теоретического чертежа ГО, удовлетворяющую современным требованиям, так как на сегодняшний день не существует целостной методики расчета формы всего ГО.

Методика расчета формы ГО и построения теоретического чертежа ГО должна:

- содержать способы расчёта и построения формы всех элементов и секций ГО;

- предписывать последовательность выполнения этих расчетов;

- обеспечивать адаптивность к CAD/CAM системам для возможности создания в них трехмерной параметрической модели ГО, с дальнейшим использованием её для расчетов прочности, ходкости, остойчивости, массы, построения разверток и выполнения чертежей общего расположения;

- быть пригодной для работы на ранних стадиях проектирования.

На основе созданной методики проектирования формы ГО в работе разработана трехмерная параметрическая модель ГО как основа электронного представления его в качестве предмета исследования и использования ее в CAD/CAM/CAE системах при создании АСВП.

Согласно [22], расчет общей прочности ГО складывается из определения внешних сил, расчета напряженно-деформированного состояния конструкций ограждения и нормирования прочности.

Расчетные методики, позволяющие уверенно прогнозировать прочностные характеристики натурного гибкого ограждения, в настоящее время отсутствуют, а попытки их создания встречают определенные трудности. В первую очередь это связано со специфическими особенностями применяемых для изготовления ГО полимерных материалов (резинотканевая оболочка, клеи, прошивные нити) и недостаточной изученностью внешних сил и процессов, протекающих в оболочке под действием различных эксплуатационных факторов. В то же время актуальность разработки более надежных методов расчета ГО на прочность подтверждается всем опытом проектирования и эксплуатации АСВП. Несовершенство существующих методов расчета сдерживает возможность уверенного выбора основных конструктивных решений и материала ГО до начала постройки судна и зачастую приводит к необходимости осушесчвлять их окончательный выбор по результатам опытной эксплуатации уже натурного объекта. Об этом свидетельствует как отечественный, так и зарубежный опыт постройки и эксплуатации АСВП. В целом, следует признать, что вопросы расчета прочности ГО в настоящее время разработаны недостаточно. Повышение надежности и точности расчета прочности ГО на данном этапе в значительной степени зависит от совершенствования методов расчета их напряженно-деформированного состояния. Для резинотканевых материалов запасы прочности принимаются примерно одинаковыми у различных элементов ГО.

В настоящее время оценка местной прочности проектируемых ГО производится только экспериментально (лабораторные, стендовые и натурные испытания).

Помимо создания методики расчета формы в работе решается задача - применения МКЭ для расчета напряженно-деформированного состояния конструкций ограждения в статической постановке с использованием ранее созданной здесь трехмерной модели ГО, как пример возможности применения созданной ЗБ модели в САЕ системах.

Как правило, в практике создания СВП проектирование ГО по времени осуществляется на заключительных стадиях проектирования судна. В то же время при проектировании АСВП уже на начальных стадиях требуется определить массу "устройства механического ограждения области ВП", причем сведения об устройстве и конструкции ГО весьма ограничены. Так в реальной практике, на стадии эскизного проектирования разрабатывается лишь теоретический чертеж ГО, на стадии технического проектирования дополнительно осуществляется разбивка ГО на секции и основные элементы его конструкции.

В работе решена задача - определения массы "устройства механического ограждения ВП" в зависимости от имеющихся в распоряжении проектанта геометрических, конструктивных и проектных характеристик как непосредственно ГО, так и всего судна в целом. С этой целью выполнен обстоятельный статистический анализ масс элементов натурных ГО и массы крепежа ГО к корпусу целого ряда существующих АСВП.

Таким образом работа представляет собой практическую реализацию информационной модели ГО АСВП, рассматриваемой как подсистема судна (см. рис. 1).

Кроме этого реализована возможность использования созданной здесь трехмерной модели ГО для получения автоматизированного раскроя материала ГО на секции, узлы, элементы для последующего выполнения рабочих чертежей.

Проектные данные:

Р. Л, Вп,В.,г*,Ьга,а5 ИГА„ Ц.К,,, «ю, а,

Расчет напряженно-деформированного состояния в АКБУЗ

Расчеты:

- посадки;

- удифферентовки

- остойчивости;

- ходкости;

- качки;

-воздуховодного тракта.

Нормирование прочности

Расчет формы

Трехмерная параметрическая \ модель ГО /

Расчет прочности ГО

Выбор материала для элементов ГО

Геометрические характеристики ГО

Иерархическая структура трехмерной модели ГО

Задание характеристик резинотканевых материалов для элементов ГО

Теоретические х-ки элементов трехмерной модели ГО

Расчет массы (группы стандарта нагрузки) 'устройства механического ограждения ВП"

Выпуск документации на стадиях эскизного и технического проекта

Выпуск рабоче-конструкторской документации

Создание интерактивных электронных технических руководств

Получение разверток ГО (например в системе Рогап)

Сборочные чертежи

Рисунок 1 - Информационная модель ГО АСВП.

Проектные данные:

В, К„ В,. В,,7*, Ь,,.Л«,. Ь,„Ли, Ц.С Я- Д"

Расчет тпряжяшо-деформирова! шого состояния вАЫЯУ5

Расчеты

- посадки;

- удифферекговюц

- остойчивости;

- ходкости;

- качки:

- аоодуховодшго тракта. армирование Прочности

Расчет формы ГО

Трехмерная параметрически \ модель ГО /

Расчет прочности ГО

Выбор материала для -элементов ГО

Иерархическая сгрукгура трехмерной модели ГО

Задание характеристик резинотканевых метервалов для элементов ГО

Тк^пяч к кне х-юплежнтм трехмерной модели ГО

Расчет массы (труппы стандарт нагрутаО 'устройства кемеитажого ограждения В1Г

Выпуск докумешшии на стадиях эсюпного и техническое проекта

Выпуск рабоче-шнсгруторской документации

Создание интерактивных электронных технических руководств

Получение разверток ГО (например в системе Гогал)

Сборочные чертежи

Рисунок 1 - Информационная модель ГО АСВП.

Работа состоит из введения, 5-ти глав, заключения, списка литературы из 151 наименования.

Первая глава посвящена созданию физических и математических моделей геометрических поверхностей ГО и соответствующей методики расчета формы.

Вторая глава посвящена созданию трехмерной параметрической модели ГО.

В третьей главе рассмотрены свойства и характеристики применяемых конструкционных материалов (из области резинотехники). Использован современный метод расчета прочности (МКЭ), для расчета напряженно-деформированного состояния ГО в статической постановке.

В четвертой главе выполняется автоматизированный расчет массы ГО на основе трехмерной модели геометрической поверхности и регрессионных исследований по существующим АСВП.

В пятой главе реализована возможность использования созданной трехмерной модели ГО, для получения автоматизированного раскроя.

В заключении сформулированы основные результаты исследований, представленных в диссертации.

Заключение диссертации по теме «Проектирование и конструкция судов», Федотов, Дмитрий Геннадьевич

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Предложена оригинальная комплексная методика проектирования формы гибкого ограждения, содержащая способы расчёта и построения формы всего гибкого ограждения;

2. Для автоматизации процесса проектирования гибкого ограждения на основании полученных расчетных зависимостей и предложенной методики проектирования формы ГО в CAD/CAM системе Autodesk Inventor, создана трехмерная параметрическая модель ГО, позволяющая рассчитывать геометрические параметры сразу всего гибкого ограждения, а также получать традиционный теоретический чертеж ГО;

3. С использованием системы ANS YS выполнен статический расчет прочности всего ГО, определены натяжения и деформации во всех точках ограждения. Выявлены наиболее нагруженные узлы конструкции. Это позволит при изготовления узлов и элементов ограждения рационально выбирать марки резинотканевых материалов с учетом их реальных физико-механических характеристик и снижать массу ГО;

4. Разработана методика расчета массы ГО в зависимости от имеющихся в распоряжении проектанта геометрических, конструктивных и проектных характеристик как самого ГО, так всего судна в целом. С этой целью выполнен обстоятельный статистический анализ масс элементов натурных ГО и массы крепежа ГО к корпусу существующих АСВП. Получены зависимости для определения массы ГО на различных стадиях проектирования с использованием созданной здесь трехмерной параметрической модели ГО.

5. Показана возможность экспорта созданной трехмерной параметрической модели ГО в тяжелые CAD/CAM системы, например в FORAN. Произведена развертка поверхности ГО. Полученный раскрой элементов ГО может быть использован для выполнения рабочих чертежей (например, в AutoCAD'e).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Федотов, Дмитрий Геннадьевич, 2007 год

1. Аврущенко Б.Х., Бартенев Г.М., Кусов А.Б., Никифоров В.П. О выборе уравнения деформации для высокоэластичных материалов. Каучук и резина, 1970, № 8, с. 33-36.

2. Алексеев С.А. Задачи статики и динамики мягких оболочек. Труды VI Всесоюзной конференции по теории оболочек и пластин. М., Наука, 1966, с. 28-37.

3. Алексеев С.А. Основы общей теории мягких оболочек. В сб. Расчет пространственных конструкций. М., Стройиздат, 1967, вып. 11, с. 31-52.

4. Андреев Г.Е., Кудрявцев A.C., Проценко В.В., Рубинов A.B., По воде и по суше (очерки о разработке и применении судов амфибий). - М.: ИНИЦ Роспатента, 2002., 272с.

5. Аносов В.Н., Завьялов В.М., Румянцева O.A. Определение упругих характеристик резинотканевых материалов при растяжении и изгибе. Сб. ДВВИМУ. Шестая дальневосточная конференция по мягким оболочкам. Владивосток 1979г. с. 191-195.

6. Басов К.А. ANSYS в примерах и задачах. М.: Компьютер Пресс, 2002г., 224с.

7. Бидерман B.JI. Вопросы расчета резиновых деталей. В сб.: Расчеты на прочность. М.: Машгиз, 1958, вып. 3, с. 40-87.

8. Бидерман B.JI. Дифференциальные уравнения деформации резинокордных оболочек вращения. Труды МВТУ им. Н.Э. Баумана. - М., Машгиз, 1958, вып. 89, с. 119-146.

9. Бидерман B.JI., Жуков А.Д. Чистый изгиб резиновой полосы при больших деформациях. Изв. ВУЗов. Машиностроение, 1969, №1, с. 17-20.

10. Бондарец К.В., Кличко В.В. Расчет параметров формы элементов гибких ограждений воздушной подушки. ЦНИИ им. А.Н. Крылова, Труды, Гидродинамика быстроходных судов, вып. 247,1969г., с. 66-78.

11. Верткин М.А., Петин Е.В. Автоматическое построение разверток мягких оболочек сложной формы. Сб. ДВВИМУ. Шестая дальневосточная конференция по мягким оболочкам. Владивосток 1979г. с. 64-67.

12. Воверис A.B. Большой цилиндрический изгиб резинотканевой пластины. В сб. Прочность судовых конструкция. Л. Изд. ЛКИ, 1978, с. 14-17.

13. Воверис A.B. Мембранная жесткость резинотканевой пластины. В сб. Прочность судовых конструкция. Л. Изд. ЛКИ, 1979, с. 10-14.

14. Воверис A.B. Определение цилиндрической жесткости, соответствующей малому изгибу, дополнительному к конечному изгибу резинотканевой пластины. В сб. Прочность судовых конструкция. Л. Изд. ЛКИ, 1979, с. 15-18.

15. Галимханов К.Г., Хакимов А.Г. Обтекание воздухоопорной мягкой цилиндрической оболочки плоским потоком идеальной несжимаемой жидкости. Сб. ДВВИМУ. Пятый дальневосточный семинар по мягким оболочкам. Владивосток 1976г. с. 112-118.16