Прогнозирование ударных волновых нагрузок на конструкции корпуса судна тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.03, кандидат технических наук Хо Куанг Туан

• Хо Куанг Туан
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Хо Куанг Туан

ПРЕДИСЛОВИНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ, ИМЕЮЩИЕСЯ ПОДХОДЫ И МЕТОДИКИ УЧЕТА НАГРУЗОК, ОБУСЛОВЛЕННЫХ СЛЕМИНГОМ СУДНА, В ЗАДАЧЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ КОРПУСА СУДНА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Общие положения.

1.2. Обзор исследований по оценке дополнительных максимальных изгибающих моментов и гидродинамических давлений при слеминге судов на регулярном и нерегулярном волнении.

1.3. Постановка задачи исследования.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЗАДАЧИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ДАВЛЕНИЙ И ПОГОННЫХ НАГРУЗОК НА КОРПУС, ОБУСЛОВЛЕННЫХ ДНИЩЕВЫМ И БОРТОВЫМ СЛЕМИНГОМ СУДНА, НА РЕГУЛЯРНОМ ВОЛНЕНИИ.

2.1. Общие положения.

2.2. Краевая гидродинамическая задача об определении сил, действующих на жесткое двумерное тело, погружающееся в покоящуюся жидкость.

2.3. Определение гидродинамической силы сопротивления погружению непрямостенных сечений корпуса судна в жидкость на основе уравнения Лагранжа.

2.4 Уравнения продольной качки судна.

2.5 Определение кинематических параметров сечений корпуса при качке.

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РАСЧЕТНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ИЗГИБАЮЩИХ МОМЕНТОВ ПРИ СЛЕМИНГЕ И УЧЕТА ИХ ВЛИЯНИЯ НА ОБЩУЮ ПРОЧНОСТЬ КОРПУСА СУДНА.

3.1. Общий характер динамических перемещений корпуса, обусловленных слемингом на волнении.

3.2. Динамические перемещения и ускорения корпуса судна, вызываемые слемингом.

3.3. Динамические изгибающие моменты в сечениях корпуса судна на регулярном волнении, обусловленные воздействием нагрузки при слеминге.

3.4. Определение стандартов Динамических изгибающих и суммарных изгибающих моментов на нерегулярном волнении.

ГЛАВА 4. ОПИСАНИЕ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА И РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕСТОВЫХ РАСЧЕТОВ.

4.1. Алгоритм математической модели задачи определения ударных волновых нагрузок на корпус судна.

4.2. Описание программного комплекса, реализующего расчет.

4.3. Результаты типового расчета качки и волновых нагрузок в линейной постановке.

4.4. Результаты расчета пространственно-временного распределения погонных нагрузок при слеминге на регулярном волнении.

4.5. Динамические и суммарные изгибающие моменты на регулярном волнении.

4.6. Динамические и суммарные изгибающие моменты на нерегулярном волнении. Стандарты изгибающих моментов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Прогнозирование ударных волновых нагрузок на конструкции корпуса судна»

Достаточно полный и правильный учет силовых факторов, влияющих на характеристики прочности конструкций корпуса - одна из важных задач, которую решают при проектировании конструкций корпуса морских судов.

Большое место при этом имеет решение задач, связанных с определением расчетных внешних гидродинамических нагрузок, действующих на корпус в условиях реального нерегулярного волнения.

Уточнение способов расчета эксплуатационных нагрузок, действующих на корпусные конструкции в условиях волнении, в значительной мере определяют перспективы совершенствования конструкций корпусов судов.

Для современного судостроения всех стран и, в частности Вьетнама, важной и практически необходимой является задача создания быстроходных транспортных судов, которые могут эксплуатироваться в условиях интенсивного волнения.

Опыт эксплуатации современных судов свидетельствует о том, что основными факторами, ограничивающими их использование на интенсивном волнении, являются такие явления, как днищевой и бортовой слеминг, а также накат волны на верхнюю открытую палубу.

В балластном плавании на волнении ограничения по условиям мореходности и прочности возникают, как правило, из-за ударов корпуса днищем о воду (днищевой слеминг); при движении в грузу - из-за ударов волн в развал борта корпуса (бортовой слеминг) и заливания палубы судна.

В связи со сказанным являются актуальными исследования, которые позволяют дать количественную оценку явления слеминга и ответной реакции корпуса на этот гидродинамический удар.

Корпус судна в общем случае представляет собой безопорную удлиненную тонкостенную оболочку, подкрепленную набором. Общие деформации корпуса как оболочки и местные деформации конструкций, образующих корпус, при изгибе корпуса связаны.

В современной практике проектирования конструкций корпуса судов определение расчетных волновых нагрузок базируется на методе расчета интегральных характеристик воздействия волнения на корпус - волновых перерезывающих сил и изгибающих моментов. Корпус судна в связи со значительным его удлинением, при изучении общего продольного изгиба на волнении, традиционно идеализируют плавающей непризматической балкой. Считается справедливой гипотеза плоских сечений, то есть предполагается, что сечения балки в процессе общего изгиба являются недеформируемыми. Продольные связи, в которых возникают напряжения от общего изгиба, находятся в одноосном напряженном состоянии.

Волновые воздействия определяются в предположении абсолютной жесткости корпуса. Далее независимо определяются общие деформации корпуса, как балки с недеформируемым контуром поперечного сечения, и местные деформации при найденных величинах нагрузок. Задача расчетной оценки волновых напряжений разбивается на две: 1) получение величин расчетных волновых нагрузок; 2) расчет напряжений в конструкциях на действие волновых нагрузок, известных из задачи 1.

При общем изгибе корпуса, как балки, в поперечных сечениях возникают нормальные напряжения, уравновешивающие внешний изгибающий момент. Оценка напряжений от общего изгиба входит в задачу обеспечения общей прочности корпуса.

Местные деформации от изгиба перекрытий, настилов палуб, ребер жесткости, пластин обшивки под действием непосредственно приходящихся на них гидродинамических давлений рассматриваются отдельно. Оценка вызываемых местными изгибными деформациями напряжений в пластинах, ребрах жесткости входит в задачу обеспечения местной прочности.

Гидродинамические давления на волнении являются непосредственной внешней нагрузкой на обшивку и набор корпуса и определяют местные деформации элементов конструкций, но в то же время их воздействие на корпус служит причиной его общего изгиба и скручивания на волнении.

Воздействие реального нерегулярного волнения на корпус судна в виде гидродинамических давлений на обшивку вызывает качку судна, как твердого тела, и упругие колебания, как балки, с частотой, зависящей от собственных частот качки и упругих колебаний балки и от спектрального состава волнового возмущения, обусловленного прохождением вдоль судна и дифракцией на его погруженной части нерегулярного волнового профиля. Это, так называемый, общий низкочастотный квазистатический волновой изгиб в вертикальной плоскости (в ДП), а на косом курсе дополнительно изгиб в горизонтальной плоскости (плоскости BJI) и кручение корпуса.

Для расчета изгибных напряжений в сечениях корпуса от общего изгиба и решения задачи обеспечения его общей прочности достаточно знать величины изгибающего момента, который является интегральной по контуру сечений корпуса и по длине корпуса характеристикой волновых давлений и характеризует изгибную деформацию корпуса. Изгибающий момент в данном сечении линейно связан с изгибными напряжениями от общего изгиба корпуса, поэтому он может рассматриваться в качестве реакции корпуса, определяющей его общую прочность.

Современные практические методы расчета внешних сил, вызывающих общий изгиб и, в общем случае, кручение корпуса, базируются на предположении о том, что качка и реакции корпуса с частотой возмущения определяются составляющими, линейно-зависящими от высоты волны и перемещений корпуса. Задача расчета волновых квазистатических давлений и волнового квазистатического изгибающего момента решается в настоящее время в линейной постановке, на основе линейной теории волн, принимая допущения о прямостенности бортов корпуса, неограниченности осадки и высоты борта.

Однако на нерегулярном волнении через случайные интервалы времени могут возникать относительно кратковременно действующие (динамические, ударные) давления и нагрузки, среднее время нарастания которых меньше или близко к частоте первого тона упругих колебаний корпуса, как балки. Эти нагрузки связаны с днищевым и бортовым слемингом и накатом воды на палубу корпуса судна.

Нагрузки, обусловленные указанными факторами, характерны для движения судна с относительно большой поступательной скоростью в условиях интенсивного штормового волнения. Они связаны с выходом части днища носовой оконечности из воды в процессе качки и последующим погружением в волну (днищевой слеминг), с пересечением действующей переменной ватерлинией сильно непрямостенных участков (развалов) бортов корпуса (бортовой слеминг) и с накатом воды на палубу в связи с конечным значением высоты борта корпуса. При оголении и входе развалов в воду со значительными скоростями относительно волны наблюдается интенсивный рост гидродинамических давлений на днищевые и бортовые части погружающегося сечения. Вызываются дополнительные местные деформации конструкций и дополнительный общий изгиб корпуса. Нагрузки действуют на части периода качки, носят для общего воздействия на корпус динамический характер и нелинейно зависят от высоты волны и кинематики корпуса.

Учет нагрузок, обусловленных двумя видами слеминга, при проектировании корпусных конструкций по требованиям к общей и местной прочности и в настоящее время остается актуальной проблемой, которая, несмотря на значительное число публикаций, не имеет законченного решения. Данная работа посвящена исследованию ряда вопросов, связанных с решением этой проблемы.

В работе предложен практический метод для учета влияния нагрузок от слеминга при проектировании конструкций корпуса судна и для выполнения проверочных расчетов в соответствии с критериями предельной прочности.

Проблема влияния слеминга на долговечность конструкций и учет обусловленных им нагрузок для выполнения условий критерия усталостной прочности при проектировании судовых конструкций в работе не затрагивается и является предметом дальнейших исследований.

Современные требования к конструкциям корпуса судна формируются, прежде всего, на основе накопленного опыта проектирования, строительства и эксплуатации предыдущих поколений судов, которые обобщаются в нормативных документах классификационных обществ, в частности, Правилах Российского морского Регистра судоходства [70].

Правила содержат достаточно легко применяемые формулы, устанавливающие, например, связь между величиной волнового вертикального изгибающего момента в миделевом сечении и главными размерениями корпуса судна.

В России существуют также нормы прочности морских судов [54], которые содержат более развернутые расчетные зависимости.

Нормативные документы постоянно перерабатываются с целью учета новейших достижений исследований в данной области.

При определении расчетных волновых нагрузок корпусов традиционных транспортных судов в качестве основного метода используют обобщенные формулы указанных документов.

Для судов, имеющих характеристики, выходящие за интервалы, определенные нормативными документами, а также в исследовательских целях для прогнозирования возможных величин нагрузок используются специальные методики, основанные на непосредственном решении задачи о поведении корпуса судна на нерегулярном морском волнении, которое описывается той или иной математической моделью этого процесса. Такой подход будем называть прямым методом расчета волновых нагрузок.

Таким образом, кроме обобщенных формул нормативных документов при оценке прочности конструкций и, в частности, для определения величин расчетных волновых нагрузок достаточно широко используются результаты гидродинамических и теоретико-вероятностных расчетов. Практически все классификационные общества имеют программное обеспечение, реализующее такие расчеты. Алгоритмы соответствующих программных комплексов осуществляют в той или иной постановке непосредственное решение задачи о качке и величине волновых нагрузок, действующих на корпус судна в различных условиях эксплуатации на нерегулярном морском волнении, о величине расчетных нагрузок заданной обеспеченности, то есть реализуют методы моделирования поведения корпуса на волнении.

Прямые методы расчета поведения корпуса на волнении и оценки волновых нагрузок базируются на двух проблемах различной сложности:

1) определение вида зависимостей гидродинамических давлений или погонных нагрузок от параметров волн и кинематических параметров качки судна и упругих перемещений корпуса, то есть решение гидродинамической задачи для упругого корпуса (здесь возможна линейная и нелинейная постановки задачи);

2) определение параметров качки и упругих перемещений корпуса.

Первая проблема включает задачи, решение которых даже для абсолютно жесткого корпуса представляет значительные трудности.

Вторая сводится к решению системы обыкновенных дифференциальных уравнений.

Такие методы расчета позволяют более точно учесть и количественно определить зависимость поведения корабля на волнении от параметров его корпуса, условий движения (скорость, курсовой угол) корабля, характеристик волнения. Эти методы позволяют более точно моделировать качку корабля на реальном морском волнении при любых условиях загрузки и таким образом прогнозировать волновые нагрузки на корпуса судов, эксплуатируемых в специфических условиях плавания. Прямые методы дают возможность проверить опытные данные и экстраполировать результаты аналитических и эмпирических исследований на необследованные условия эксплуатации.

Для судов большой длины, с надстройкой в кормовой части и значительным развалом бортов даже сильные удары на волнении не ощущаются на ходовом мостике, и капитан не может судить об опасном состоянии корпуса в отношении прочности. Поэтому предсказание ударных нагрузок может понадобиться не только для разработки практических рекомендаций при проектировании конструкций, но и для разработки специальных инструкций для капитана по эксплуатации судна с рекомендациями выбора величин скорости хода, курсового угла, соответствующих безопасным условиям, и исключающих возможные экстремальные случаи. Такие методы и программное обеспечение, разработанное на их основе, могут быть использовать для создания специализированных программ для бортового компьютера.

В данной работе для оценки влияния нагрузок при слеминге предлагается подход, основанный на моделировании поведения судна на морском волнении и на прямом методе расчета волновых воздействий на корпус, и соответствующем программном обеспечении, с помощью которого выполняется численная реализация метода на ЭВМ.

ВВЕДЕНИЕ

При проектировании судовых конструкций, решении вопросов мореходности, обеспечения общей и местной прочности корпуса в режиме движения на волнении возникает проблема учета динамических (ударных) воздействий, обусловленных такими явлениями, как днищевой и бортовой слеминг. Для оценки внешних сил с учетом слеминга в настоящее время в научных исследованиях и практических методиках используют два подхода.

Первый подход основан на раздельном рассмотрении проблемы определения параметров качки судна и волновой низкочастотной нагрузки на основе линейной теории и дальнейшей оценке нелинейных нагрузок по известным из линейной задачи кинематическим параметрам движения судна на волнении. Таким образом, суммарную нагрузку, действующую на корпус судна, условно разделяют на две составляющие - волновую, линейно связанную с высотой волны и качкой судна, обуславливающую относительно медленный изгиб корпуса на волнении и дополнительную динамическую (ударную) нагрузку, нелинейно зависящую от высоты волны и перемещений корпуса, вызывающую дополнительные динамические -линейные, угловые и вибрационные перемещения корпуса судна.

В итоге общая задача определения внешних сил, действующих на корпус судна на волнении, разделяется на две:

1) задачу вычисления волновых давлений и, так называемых, квазистатических изгибающих моментов на основе теории линейной продольной качки;

2) задачу нахождения дополнительных ударных (динамических) давлений и изгибающих моментов, вызванных днищевым или бортовым слемингом.

Второй подход предполагает решение задачи о поведении корпуса на нерегулярном волнении с учетом слеминга и заливаемости на базе имитационной модели.

В данной работе принят первый подход, как общепринятый до настоящего времени в научных исследованиях, практических методиках и нормативных документах, хотя указанное выше разделение явлений следует признать условным. Основные исследования связаны с решением второй задачи. Для решения первой задачи используется готовое программное обеспечение.

Факторами, способствующими появлению днищевого слеминга, являются высокая балльность волнения, относительно малая осадка судна, наличие плоского участка днища в носовой оконечности, большие амплитуды вертикальной и килевой качки, связанные с явлением резонанса, и обуславливающие возможность оголения корпуса судна, высокие значения скоростей перемещений корпуса судна относительно частиц жидкости. Обычно транспортные суда подвержены днищевому слемингу только в балластном плавании. По имеющимся данным, днищевой слеминг проявляется наиболее сильно у судов, имеющих U-образные обводы в носовой оконечности.

Нелинейные нагрузки, связанные с непрямостенностью борта корпуса в оконечностях, действуют при каждом значительном (соизмеримом с осадкой или высотой надводного борта) изменении положения действующей ватерлинии в оконечности, когда ватерлиния пересекает резко непрямостенные участки борта, т.е. (при интенсивном волнении) практически в каждом цикле продольной качки.

Нелинейные нагрузки характеризуются большими величинами и кратковременностью действия. Продолжительность действия динамических нелинейных нагрузок различна при днищевом и бортовом слеминге. При оголении днища и последующем ударе время нарастания нагрузки составляет 0,1-0,2 е., а при бортовом слеминге 0,7-1,0 с. [71].

Характерной особенностью бортового слеминга является то, что его появление не связано с предварительным выходом из воды носовой оконечности. Сила удара тоже не зависит от того, было ли оголение.

Дополнительные динамические нагрузки, возникающие при слеминге, вызывают сложную реакцию корпуса судна. Это - общий эффект, выражающийся, с одной стороны, в изменении качки судна, то есть его перемещений как твердого тела, и, с другой стороны, в появлении упругих изгибных колебаний корпуса с частотой, имеющей порядок частоты первого тона.

Напряжения в корпусе судна, вызванные дополнительными динамическими воздействиями, возникают одновременно с напряжениями, вызванными линейными волновыми нагрузками, нагрузками на тихой воде и суммируются с ними. Это приводит к увеличению общей напряженности корпуса.

Известно, что бортовой слеминг приводит к появлению значительных прогибающих динамических моментов и может быть причиной серьезных повреждений корпуса, связанных с потерей устойчивости палубных конструкций.

В практике мореплавания известны случаи перелома корпусов судов, оказавшихся в штормовом море при неблагоприятных условиях загрузки, в результате тяжелых ударов о волны.

Кроме того, появление при слеминге дополнительных вибрационных напряжений значительной амплитуды может привести к более раннему возникновению и развитию усталостных трещин.

Наряду с общим изгибом корпуса под действием дополнительных динамических давлений возникают местные деформации обшивки и набора. Этими давлениями определяется дополнительное местное напряженное состояние конструкций.

При проектировании конструкций по требованиям к общей прочности с учетом влияния слеминга необходимо иметь рекомендации для определения величины расчетного динамического изгибающего момента в общем случае в любом сечении по длине корпуса судна.

При проектировании конструкций по требованиям к местной прочности необходимо знать величину максимальных динамических давлений на обшивку и набор, и их распределение по длине корпуса в носовом районе.

Результаты, полученные в диссертации, могут быть использованы для разработки (уточнения) таких рекомендаций.

Наряду с проблемой учета влияния слеминга при проектировании конструкций по требованиям к общей и местной прочности не менее важным является вопрос о предотвращении массовых эксплуатационных повреждений конструкций корпуса в носовом районе. Анализ информации о повреждениях показывает, что гофрировка и бухтины наружной обшивки, остаточные деформации набора в носовой оконечности судна являются распространенными видами повреждений корпуса, появляющимися вследствие сильного слеминга. Правильный выбор условий загрузки судна и режимов движения судна на интенсивном волнении позволяет уменьшить дополнительные нагрузки на корпус судна и в итоге исключить чрезмерные затраты на ремонтные работы.

Необходимость уточнения величин расчетных волновых нагрузок, учета нелинейных нагрузок диктуется потребностями проектирования корпуса судна на современном этапе, для которого характерны тенденции к усложнению расчетов, к повышению точности оценки напряженного состояния корпуса, оптимизации коэффициентов запаса прочности. Для обеспечения этого необходимы соответствующие методики расчета.

Современные критерии предельной и усталостной прочности, заложенные в основу нормативных требований для проектирования / расчетов прочности конструкций корпуса судна, базируются на вероятностных закономерностях действующих волновых нагрузок.

Линейная задача о качке и волновых нагрузках на реальном нерегулярном волнении решается на базе спектральной теории, используя амплитудно-частотные характеристики реакций корпуса и спектр волнения. В настоящее время эта задача исследована достаточно подробно.

Дополнительная нагрузка, возникающая при погружении днища корпуса после его оголения и (или) развала борта в волну, нелинейно зависит от высоты волны, поэтому оценка статистических характеристик, вызванных ею дополнительных изгибающих моментов для нерегулярного волнения, представляет значительные сложности. Указанные явления для условий нерегулярного волнения изучены недостаточно.

Статистические характеристики нелинейных нагрузок, в частности изгибающих моментов, не могут быть непосредственно определены с помощью математического аппарата спектральной теории, так как она разработана для линейных процессов.

Достаточно обоснованный способ их определения для условий нерегулярного волнения до настоящего времени в практике проектирования отсутствует. Также не имеет завершенного решения задача суммирования нелинейных и линейных нагрузок на нерегулярном волнении.

Иногда заменяют реальное нерегулярное волнение некоторым регулярным, параметры которого позволяют определить заведомо завышенные ударные нагрузки. Одним из вариантов оценки расчетных нагрузок при слеминге является их определение для условного «наиболее тяжелого режима» в виде пакета регулярных волн определенной длины с высотой, назначенной как нормативная доля длины волны. Однако количественно оценить влияние ударных нагрузок на предельную прочность и усталостную долговечность конструкций судового корпуса с помощью условных методов затруднительно. Для осуществления достоверного анализа надо знать статистические характеристики динамических нагрузок, рассматриваемых как случайный процесс.

Для количественной оценки влияния слеминга в рамках спектральной теории необходимо уметь определять изменение спектральной плотности давлений, изгибающих моментов, зачет нелинейных нагрузок. При этом надо решить проблему, относящуюся к распространению спектральной теории на нелинейные процессы.

Отсутствие надежных данных по величинам вероятностных характеристик изгибающих моментов, обусловленных нелинейными эффектами, сдерживает решение проблемы оценки предельной прочности и усталостной долговечности корпусов судов с учетом слеминга, и делает практически важными и актуальными дальнейшие исследования по этой проблеме.

Возможный способ решения перечисленных задач состоит в отказе от традиционного условного разделения нагрузок на линейно зависящие от высоты волны и нелинейно зависящие от этого параметра. При таком подходе рассмотрение процесса поведения судна на нерегулярном волнении должно выполняться непосредственно во временной, а не в частотной области, т.е. с построением имитационной модели поведения корабля на заданном нерегулярном волнении. Такая постановка рассмотрена в работах [42], [79], [81] и в настоящее время соответствующие исследования развиваются на кафедре конструкции судов СПб. ГМТУ [32].

Имитационная модель позволяет рассмотреть всю последовательность перемещений корпуса: всплытие с возможным выходом из воды части сечений, последующее погружение, заливание палубы водой. Применение такого подхода дает возможность получать реакции корпуса судна в виде реализаций случайных процессов, длина которых должна быть достаточна, чтобы построить законы распределения волновых изгибающих моментов с учетом нелинейных эффектов. Полученные временные реализации анализируемых процессов (кинематические параметры движения корабля, суммарные нагрузки и т.п.) дают возможность определить статистические характеристики, необходимые для оценки предельной прочности и усталостной долговечности. Однако в качестве практической методики такой подход пока рекомендован быть не может.

Из сказанного выше ясно, что слеминг вызывает опасную дополнительную нагрузку, которая приводит к повышению нагруженности и напряженности конструкций корпуса. Этот факт нашел отражение в Правилах классификационных обществ [70], а также в Нормах прочности [54].

Правила классификационных обществ содержат комплекс требований к конструкциям носовой оконечности, которые разработаны на основе результатов систематического анализа, опыта эксплуатации морских судов. В Правила включены указания общего характера о подкреплении носовой оконечности.

Правила Российского морского Регистра судоходства содержат рекомендации по учету влияния слеминга как на общую, так и на местную прочность корпуса. В частности, даны зависимости для определения расчетного изгибающего момента при ударе волн в развал бортов, вызывающего прогиб корпуса. В Правилах также приведены формулы для определения экстремального значения расчетного гидродинамического давления при ударах волн в днище носовой оконечности и при ударах волн в развал борта носовой оконечности.

Величина дополнительного (ударного) момента входит в качестве слагаемого в зависимость для определения расчетного суммарного изгибающего момента.

В Правилах нормирован параметр, в зависимости от величины которого следует или не следует учитывать дополнительные нагрузки при слеминге. Изгибающий момент при ударе волн в днище (при днищевом слеминге) в Правилах Российского морского Регистра не регламентируется.

Несмотря на значительное число исследований, выполненных к настоящему времени, в которых рассмотрены различные аспекты проблемы слеминга, еще не завершена работа по созданию надежного метода для учета влияния нагрузок при слеминге, необходимого для обеспечения потребностей практического проектирования конструкций корпуса судна. Основная цель диссертации - создание алгоритма такого метода, основанного на математической модели, описывающей и объединяющей все стадии процесса слеминга.

Работа является составной частью большого комплекса исследований, выполняемых на кафедре Конструкции судов СПб ГМТУ, связанных с созданием системы автоматизированного параметрического проектирования конструкций корпуса судна.

Для достижения поставленной цели выполнен ряд частных исследований. Центральное место здесь занимает решение задачи о распространении спектрального подхода для оценки нагрузок на нерегулярном волнении на нелинейную задачу.

Проблема исследования явления слеминга включает в себя рассмотрение 3-х входящих в нее подпроблем: расчета качки судна на волнении, определения дополнительных внешних гидродинамических нагрузок в сечениях корпуса судна, определения реакций конструкций корпуса на эти нагрузки.

В данной работе не ставилась задача разработки новых или качественного уточнения имеющихся решений для всех трех подпроблем.

В работе выбрана обоснованная, надежная, удобная для программирования и пригодная для практического применения при проектировании корпусных конструкций математическая модель учета влияния нагрузок от слеминга при проектировании.

Сформулирован метод, позволяющий последовательно решить необходимые задачи. Метод основан на применении спектральной теории при рассмотрении нерегулярного волнения. Для чего использован разработанный на кафедре конструкции судов СПб. ГМТУ с участием автора оригинальный приближенный подход для получения спектральной плотности и стандартов нагрузок с учетом слеминга. Метод базируется на непосредственной линеаризации нелинейных по высоте волны амплитудных характеристик изгибающих моментов, определенных для регулярного волнения.

В связи с этим сначала решается поставленная задача для условий регулярного волнения, затем осуществляется переход к нерегулярному волнению с использованием спектрального преобразования. Реализация метода обеспечивается созданным по зависимостям математической модели соответствующим программным обеспечением.

Разработанный аппарат предназначен для углубленного расчетного анализа динамических нагрузок, действующих на корпус судна с заданными характеристиками формы и распределением весовой нагрузки при днищевом и бортовом слеминге. Предусмотрена оценка влияния слеминга на величины максимальных расчетных нагрузок - изгибающих моментов и давлений на нерегулярном волнении.

Предлагаемая математическая модель реализована в виде программного комплекса, с помощью которого выполняется расчет в замкнутом виде от автоматизированного задания исходных данных по судну и условиям его движения до получения конечного результата: стандартов волновых давлений и изгибающих моментов с учетом нагрузок при слеминге.

В состав разработанного программного обеспечения включен ряд модернизированных модулей программного комплекса ДИОЛЬ, который широко применялся и используется в настоящее время в судостроительных расчетах, и прошел международную апробацию. Программное обеспечение включает также ряд модулей, ранее разработанных на кафедре конструкции судов, некоторые из которых усовершенствованы с участием автора диссертации.

В работе обобщается математическая модель, полученная на основе подхода, развивавшегося в течение ряда лет в СПб. ГМТУ под руководством профессора Ростовцева Д.М. [73], [74], [84]. Эта математическая модель базируется на исследованиях, которые являются продолжением работ Г.С. Чувиковского [86], [87].

В первой главе работы дается характеристика современного состояния различных аспектов общей проблемы слеминга, приведен краткий обзор литературы, относящейся к этой проблеме. Дана развернутая математическая и физическая постановка задачи, формулируются ее отдельные этапы.

Вторая глава посвящена рассмотрению вопросов, связанных с определением давлений при слеминге и погонных ударных нагрузок на регулярном волнении. Для определения гидродинамической нагрузки при слеминге используется решение задачи о погружении непрямостенного контура (гипотеза плоских сечений), полученное на основе энергетических соотношений, с дополнениями, вытекающими из решений Вагнера [92]. При этом учитывается возможность возникновения как днищевого, так и бортового слеминга.

Здесь же приведена система уравнений продольной качки, используемая в работе для оценки кинематики сечений корпуса на регулярном волнении. Бортовая качка при решении задачи не учитывается.

Третья глава посвящена задачам определения реакций корпуса на действующие внешние нагрузки в условиях регулярного и нерегулярного волнения. Рассмотрены методы определения перемещений корпуса, обусловленных дополнительной нагрузкой при слеминге. Получены выражения для динамического изгибающего момента.

Задача решается сначала в частотной области, затем во временной. Исходными данными для расчета нелинейных нагрузок в 1 приближении являются АЧХ качки, относительных перемещений и скоростей сечений, корпуса и волны, рассчитанные в линейной постановке (глава 2).

Далее для ряда длин волн из рассмотренных в АЧХ, при конкретных высотах волн, задаваемых через крутизну, производится расчет по времени. Расчет выполняется в диапазоне времени, равном периоду вынужденной качки (всплытие, погружение), либо половине периода качки (только погружение).

Рассмотрен метод решения задачи определения стандартов изгибающих моментов, обусловленных слемингом. Метод основан на непосредственной линеаризации функций амплитудно-частотных характеристик динамических изгибающих моментов в сечениях корпуса, нелинейных по высоте волны [26], [27]. АЧХ, полученные при помощи такого подхода, затем используются для определения стандартов волновых изгибающих моментов с учетом слеминга на основе аппарата спектрального преобразования случайного процесса. После линеаризации осуществляется переход к расчету на нерегулярном волнении.

В четвертой главе дается общее описание программного комплекса реализующего предложенный метод расчета нагрузок при слеминге на нерегулярном волнении, приведен анализ результатов расчета, полученных с использованием разработанного программного комплекса.

В заключении сформулированы основные результаты исследований, представленных в диссертации.

Заключение диссертации по теме «Проектирование и конструкция судов», Хо Куанг Туан

Основные результаты диссертации могут быть сформулированы следующим образом:

1. Построена приближенная математическая модель поведения корпуса и оценки нелинейных волновых динамических нагрузок при слеминге на нерегулярном волнении.

2. Сформулирован метод расчетного прогнозирования нелинейных динамических нагрузок на базе предложенной модели.

3. Разработаны алгоритмы и создан прикладной программный комплекс, обеспечивающий возможность последовательного расчета процесса слеминга и оценки его влияния на общую и местную прочность при произвольных режимах регулярного волнения, а также расчета стандартов и краткосрочных распределений для заданных стационарных режимов нерегулярного волнения.

4. Выполнены тестовые расчеты, на основании которых:

• получены значения мгновенного максимального нелинейного гидродинамического давления, а также пространственно-временные распределения нелинейной погонной нагрузки, обусловленной погружением в воду непрямостенных сечений;

• определены общие реакции корпуса на ударное воздействие в виде дополнительных перемещений корпуса как твердого тела и упругих перемещений сечений;

• исследованы закономерности изменения мгновенных максимальных давлений, пространственно-временных распределений погонных нагрузок, дополнительных перемещений, дополнительных динамических и суммарных изгибающих моментов при изменении параметров движения судна и параметров волнения на регулярном волнении;

• на основании анализа результатов расчетов для регулярного волнения оценена возможность использования в рассматриваемой нелинейной задаче метода непосредственной аналитической линеаризации функций и на этой основе осуществлен переход к расчету спектральной плотности и стандартов волновых нагрузок, обусловленных днищевым и (или) бортовым слемингом. В итоге апробировано решение частной задачи применения спектральной теории для нелинейных процессов. Апробированный метод позволяет расширить область применимости хорошо разработанного аппарата спектральной теории;

• выполнен учет влияния слеминга на спектральную плотность и величину стандарта суммарного изгибающего момента.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Хо Куанг Туан, 2004 год

1. Абрамович С.Н. Уточненный расчет гидродинамических нагрузок, действующих на корпус движущегося на волнении судна. Тезисы докладов на XXIV Всесоюзной НТК по теории корабля. (Крыловские чтения 1975г.). Л., Судостроение, 1975.

2. Абрамович С.Н. Метод расчета спектрального состава гидродинамических нагрузок, действующих на движущееся на нерегулярном волнении судно. -Дисс. к.т.н., Л., 1979, 223 с.

3. Барабанов Н.В., Иванов Н.А. Определение гидродинамических давлений при ударе корпуса носом о воду. Судостроение, 1974, № 2, с.3-6.

4. Барабанов Н.В., Иванов Н.А., Кулеш В.Н. Внешние нагрузки при слеминге и проектирование носовых днищевых перекрытий. Судостроение, 1985, № 5, с.26-30.

5. Белобородько Е.А., Цындря В.И. Экспериментальное исследование давлений при падении плоских и килеватых тел на воду. Труды НТО Судпрома, вып.101, с.45-54.

6. Бельгов Ю.В. Эффект захвата воздуха при приближении упругой пластинки к жесткому экрану. НТО Судпрома, вып. 129, 1969.

7. Бельгова М.А. Изгибающие моменты для судов внутреннего плавания на волнении. Л., Судостроение, 1966.

8. Бельгова М.А. Определение ударного изгибающего момента для судов морского транспортного флота. Судостроение, 1969, № 6.

9. Бельгова М.А. Приближенные способы определения резонансных и ударных изгибающих моментов для морских транспортных судов. Труды ЦНИИМФ, 1971, вып. 134, с.32-48.

10. Березницкий А.В., Постнов В.А. Численная оценка влияния различных факторов на гидродинамические силы при днищевом слеминге. Труды конференции по СМК, посвященной памяти акад. Ю.А. Шиманского. СПб. 2001, с. 47.

11. Бойцов Г.В., Дианова Г.Ф. Статистический анализ ударных изгибающих моментов и их взаимосвязи с волновыми изгибающими моментами. Труды ЦНИИ им.акад.А.Н.Крылова, вып.251, 1969, с.109-117.

12. Бойцов Г.В., Кноринг С.Д. Прочность и работоспособность корпусных конструкций. Л., Судостроение, 1972, 264 с.

13. Бойцов Г.В., Лащенко Г.Ф. Определение вероятностных распределений нагрузок при их нелинейной связи с амплитудами волн. Вопросы судостроения. Сер. Проектирование судов, 1976, вып.9, с.53-64.

14. Бойцов Г.В. Динамические изгибающие моменты, действующие на корпус судна в условиях волнения. Судостроение, 1976, № 11, с.9-13.

15. Бойцов ГВ., Кудрин М.А.Оценка влияния слеминга на усталостную рочность продольных связей корпуса. Труды конференции по СМК, посвященной памяти акад. Ю.А. Шиманского. СПб. 1999.

16. Бойцов ГВ., Кудрин М.А.Оценка влияния динамической составляющей внешних нагрузок на усталостную долговечность корпуса. Труды конференции по СМК, посвященной памяти проф. П.Ф. Папковича. СПб. 2000.

17. Бойцов ГВ., Кудрин М.А. Методика расчета гидродинамических давлений от слеминга. Труды конференции по СМК, посвященной памяти акад. Ю.А. Шиманского. СПб. 1999, с. 33-36.

18. Бойцов ГВ., Палий О.М. Прочность и конструкция корпуса судов новых типов. Л: Судостроение, 1979, 360 с.

19. Бойцов Г.В., Шавров Н.Ю. О динамике изгиба элементов днищевых конструкций корпуса при слеминге// Судостроение, 1979, № 6, с.7-9.

20. Бойцов Г.В., Шавров Н.Ю. Определение скоростей соударения и давлений при днищевом слеминге. Вопросы судостроения. Секция Проектирование судов. ЦНИИ «Румб», вып.25, 1980.

21. Бойцов Г.В., Апполонов Е.М., Коваль М.Г., Шавров Н.Ю. Анализ гидродинамических нагрузок, действующих на судовые конструкции. Судостроение, 1980, № 8.

22. Вешуткин В.Д. Определение гидродинамической ударной нагрузки для судов смешанного плавания. Тезисы док. на Всесоюзной НТК (по проблемам обеспечения прочности транспортных судов и плавучих сооружений), Л., 1986, с.70-71.

23. Вешуткин В.Д. Определение динамических моментов для судов смешанного плавания при слеминге. Тезисы докладов на X Дальневосточной НТК, Владивосток, 1987 (Повреждения и эксплуатационная надежность судовых конструкций), с.64-67.

24. Галахова З.И., Рабинович О.Н., Ростовцев Д.М. Учет заливаемости палубы понтонов в задаче оценки внешних волновых нагрузок, действующих на корпус ППБУ. Труды ЛКИ. Прочность и надежность судовых конструкций, 1982, с.20-27.

25. Галахова З.И. Внешние силы, действующие на полупогружные платформы в режиме перегона на волнении. Автореферат диссертации на соискание ученой степени канд. технических наук. Л., 1984.

26. Гершун Г.В. Вероятностные характеристики слеминга. Труды ЦНИИМФ, 1971, Вып. 134, С.71-83.

27. Григолюк Э.И., Горшков А.Г. Взаимодействие упругих конструкций с жидкостью. Л.: Судостроение, 1976.

28. Григорьев В.Д., Постнов В.А, Конечно-элементное решение задачи о проникании упругого контура через свободную поверхность воды. Тезисы докладов на X Дальневосточной НТК, Владивосток, 1987 (Повреждения и эксплуатационная надежность судовых конструкций).

29. Григорьев В.Д. Численное решение задач нестационарной гидроупругости. Автореферат диссертации канд.техн.наук, Л., 1989.

30. Егоров И.Т. Гидродинамические силы при ударе корпуса судна о волну. Труды НТО Судпрома, 1961, № 39.

31. Егоров И.Т., Соколов В.Т. Гидродинамика быстроходных судов. J1. Судостроение, 1965.

32. Ершов Н.Ф., Шахверди Г.Г. Метод конечных элементов в задачах гидродинамики и гидроупругости. JL: Судостроение, 1984, 240 с.

33. Запольский В.В. Определение гидродинамических нагрузок, действующих на корпус быстроходного судна. Тезисы докладов на Всесоюзной НТК, Л, 1986, с.69-70.

34. Иванов Н.А. Экспериментальные исследования волновых нагрузок, вызывающих повреждения судовых конструкций. Судостроение, 1997 № 5. с.12-17.

35. Кандель Ф.Г. Статистические характеристики ударного изгибающего момента в корпусах судов смешанного плавания. Судостроение, 1967, № 5.

36. Кандель Ф.Г. Кинематические параметры носовой оконечности транспортных судов при продольной качке на регулярном волнении. Сб.НТО Судпрома, вып. 109, 1968.

37. Кандель Ф.Г. Определение и анализ статистических характеристик амплитуд ударного изгибающего момента. Сб. НТО Судпрома, 1969, вып. 131.

38. Картузов Е.И., Рабинович О.Н., Ростовцев Д.М., Чипсик В.А. К вопросу оценки нагрузок при ударе волн в соединительный мост катамарана, снабженного подводным крылом. Тезисы докладов VII Дальневосточной НТК, Владивосток, 1978.

39. Картузова Т.А., Ростовцев Д.М. Оценка волновых и вибрационных моментов, действующих на корпус судна в условиях нерегулярного волнения. Труды ЛКИ. Строительная механика и прочность судовых конструкций, 1981, вып. 160, с.41-48.

40. Кондриков Д.В. Оценка слеминга с позиций ограничения ускорений удара. Сб.Архитектурно-конструктивные типы, мореходных и ледовые качества судов. Л., 1989.

41. Короткин Я.И., Ростовцев Д.М., Сивере Н.Л. Прочность корабля. Л., Судостроение, 1974, 432 с.

42. Короткин Я.И., Рабинович О.Н., Ростовцев Д.М. Волновые нагрузки корпуса судна. Л., Судостроение, 1987, 235 с.

43. Крепе Р.Л. Экспериментальные исследования удара о воду. Труды ЦАГИ, 1939, № 438.

44. Крупицкий Э.З. Определение гидродинамических нагрузок при плоском ударе днищевых конструкций о воду. Тр.НТО им. акад. А.Н. Крылова. Л: Судостроение, 1970, вып. 145, с.69-74.

45. Крыжевич Г.Б. Учет пространственности обтекания носовой оконечности судна при оценке динамических нагрузок на корпус. Труды конференции по СМК, посвященной памяти проф. П.Ф. Папковича. СПб. 2002, с. 36-37.

46. Крыжевич Г.Б. Бойцов Г.В. Практический метод оценки волновой вибрации судов. Труды конференции по СМК, посвященной памяти проф. П.Ф. Папковича. СПб. 2002, с. 38-39.

47. Кудрин М.А. Анализ влияния формы носовой оконечности судна на величину динамического изгибающего момента. Сб. ВНТО им.акад. А.Н.Крылова, 1993, вып.529, с.34-48.

48. Курдюмов А.А. Вибрация корабля. Судромгиз. 1961.

49. Логвинович Г.В. Гидродинамика течений со свободными границами. Киев, Наукова Думка, 1969.

50. Мазор М.Е. Теоретическое исследование сил, действующих на погруженное тело при его движении в вертикальной плоскости. Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, 1957, вып. 111.

51. Нормы прочности морских судов. 1992. Российский Морской Регистр Судоходства.

52. Осипов О.А. Учет встречного движения жидкости при погружении тела применительно к слемингу судна. Труды НТО Судпрома, 1968, № 110.

53. Осипов О.А. Влияние формы поперечных сечений судна на динамические нагрузки, вызывающие вибрацию корпуса. Труды ЦНИИМФ, вып. 134, Л., Транспорт, 1971.

54. Осипов О.А. Погружение жесткого симметричного контура в сжимаемую жидкость. Труды ЦНИИМФ, 1974, № 186.

55. Осипов О.А. К вопросу определения возмущающих сил при слеминге. НТО Судпрома им. акад. А.Н. Крылова, 1977, № 262.

56. Осипов О.А. Изгибающие моменты, действующие на корпус судна при ударе волн в развал бортов. Тезисы докладов на Всесоюзной НТК «Проблемы прочности и надежности конструкций перспективных транспортных судов и плавучих сооружений». Ленинград, 1979.

57. Павлинова Е.А. Практические расчетные методы для вычисления динамических изгибающих моментов, действующих при слеминге, на корпуса транспортных судов, имеющих плоские участки днища. Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. 1969, вып.251.

58. Павлинова Е.А. Приближенные формулы для оценки продольной качки в расчетах слеминга. Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. 1971, № 264.

59. Платонов Г.В. Оценка гидродинамических нагрузок при бортовом слеминге и заливании. Судостроение 1985, № 12, с. 5-7.

60. Повицкий А.С. Посадка гидросамолетов. Труды ЦАГИ, 1939, вып.423.

61. Повреждения судовых конструкций/ Н.В.Барабанов, Н.А.Иванов, В.В.Новиков и др. Л: Судостроение, 1977.

62. Повреждения и пути совершенствования судовых конструкций/ Н.В.Барабанов, И.А.Иванов, В.В.Новиков и др. Л.: Судостроение, 1989.

63. Постнов В.А., Калинин В.О., Ростовцев Д.М. Вибрация корабля. Л., Судостроение, 1983, 248 с.

64. Постнов В.А., Березницкий А.В. Ударное взаимодействие конструкций судового корпуса. Прикладные проблемы прочности и пластичности. Всероссийский межвуз. сб. Нижнегор. университета им. Н.И. Лобачевского, 1998, вып. 59. с. 85-91.

65. Постнов В.А., Тарануха Н.А., Чижиумов С.Д. Проектирование формы носовой оконечности судна с учетом нагрузок при слеминге. Судостроение 2001, № 5.

66. Правила классификации и постройки морских судов. Российский морской Регистр судоходства. 1995.

67. Путов Н.Е. Проектирование конструкций корпуса морских судов часть II. Л., Судостроение, 1977.

68. Рабинович О.Н., Ростовцев Д.М., Чижик В.А. Анализ динамических нагрузок, вызванных ударом носовой оконечности судна о волну// Труды НТО им. акад. А.Н. Крылова. Л.: Судостроение, 1974, вып.8, с.31-35.

69. Рабинович О.Н., Ростовцев Д.М. Гидродинамические нагрузки в носовой части, возникающие от днищевого слеминга на регулярном волнении. Механика и прочность судовых конструкций. Л.: Труды ЛКИ, 1980, С.75-82.

70. Ростовцев Д.М. Гидроупругие колебания судовых конструкций. Учебное пособие. Л. ЖИ, 1977.

71. Ростовцев Д.М. и др. Обобщение и анализ методов определения нагрузок, действующих на корпус судна при ударах носовой оконечности о волны. Отчет по теме. ЛКИ, 1972.

72. Согомонян А.Я. Удар и проникание тел в жидкость. М. Изд. МГУ, 1986.

73. Седов Л.И. Об ударе твердого тела, плавающего на поверхности несжимаемой жидкости. Труды ЦАГИ, вып.187, 1934.

74. Седов Л.И. Удар плавающего клина. Труды ЦАГИ, 1935, вып. 152.

75. Суслов В.П., Сердюченко А.Н. Динамическая структура морского волнения и вопросы оценки экстремальных волновых нагрузок на корпуса судов. Труды НКИ, вып. 136, 1978.

76. Сухир Э.Л. О вычислении гидродинамической нагрузки, действующей на тело при быстром погружении в воду. «Судостроение и морские сооружения». Республиканский межведомственный НТС, Харьков, 1966. Изд. ХГУ, с.24-30.

77. Сухир Э.Л. Качка и изгиб судна при плавании в условиях слеминга. НТО Судпрома. Прочность судовых конструкций. Материалы по обмену опытом, вып.85, 1966.

78. Справочник по строительной механике корабля, т.З, раздел V. Л. Судпромгиз, 1960.

79. Таубин Г.О., Гребенюк Я.П., Эпштейн М.Н. Метод расчета местной прочности днища при слеминге// Судостроение, 1973, № 1, с.14-16.

80. Чижик В.А. Исследование динамического изгиба корпуса судна при слеминге. Диссертация канд.техн.наук. Л, 1977, 151 с.

81. Чувиковский Г.С. Исследование величин внешних сил, действующих на корпус судна в условиях удара о встречную волну. Труды НТО Судпрома, вып.35, 1960.

82. Чувиковский Г.С. Условия безударного плавания судна на волнении. Журнал «Судостроение» № 6, 1965.

83. Чувиковский Г.С. Динамический изгиб корпуса при ударе о встречные волны. Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, вып.245, 1968.

84. Шаров Я.Ф. Об ударе судна днищем о встречную волну. Труды НТО Судпрома, 1968, вып.35, с.29-38.

85. Шац В.Н. Вертикальное погружение плавающего цилиндрического тела. Изв. АН СССР МЖГ, 1973, № 2, с.27-31.

86. Шиманский Ю.А. Динамический расчет судовых конструкций. Судпромгиз, 1948.

87. Chu W.H., Abramson H.N. Hydrodynamic Theories of Ship Slamming. Journal of Ship Research, June 1961, vol.4, N3.

88. Wagner H. Uber Stoss und Gleitvorgange on der Oberflache von Flussigkeiten. ZAAM, Vol. 12, 1932.

89. Ferdinande M.S. Theoretical Considerations on the Penetration of a Wedge into the Water. ISP, v.13, N 140, 1966.

90. Hideomi Ohtsubo, Masaru Fukumura. Simplified Analysis of Impact Pressure Taking Account of Splash. Journal of the Society of Naval Architects of Japan. 1987, v. 162, December.

91. Mansour A.D., Oliveira I.M. Hull Bending Moment Dul to Ship Bottom Slamming in Regular Waves. Journal of Ship Research, June 1975, vol.19, N2.

92. Seiji Takezawa, Selichi Hasegawa. On the Characteristics of Water Impact Pressure Acting on a Hull Surface Among Waves. Journal of the Society of Naval Architects of Japan. 1974, v. 135, June.

93. Toshiro Suhare. Bow Flare Damages of large Full Ships Due to Wave Impact (Analysis and Design Standard). ISP, 1976, v.23, N261, May.

94. Ochi M.K., Motter L.E. Prediction of Slamming Characteristics and Hull Responses for Ship Design. Tran. SNAME, 1973, v.81.

95. Ochi M.K., Motter L.E. A Method to Estimate Slamming Characteristics for Ship Design. Marine Technology, 1971, v.8, N2.