Учет конструктивных особенностей рам судового корпуса на стадии расчетного проектирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.03, кандидат технических наук Славгородская, Александра Владимировна

• Славгородская, Александра Владимировна
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Славгородская, Александра Владимировна

Введение 2

Глава 1. Правила классификационных обществ и метод расчетного проектирования. 4

1.1 .Классификационные правила -эволюция практики проектирования судовых конструкций 4

1.2.Формирование основ науки - проектирования конструкций корпуса судна. 8

1.3.Развитие теории надежности судовых конструкций. 12

1.4.Автоматизация проектирования конструкций. 15

1.5.0 некоторых требованиях Регистра РФ к конструктивному оформлению узлов корпуса. 20

1.6.Причины повреждения корпусных конструкций 33

1.7.Состояние и проблемы расчетного проектирования и экспертизы надежности судовых конструкций. 36

Глава 2. Современные методы в процедуре расчетного проектирования. 39

2.1.Матричная форма расчета сопряженных элементов конструкций 40

2.2.Прямой метод жесткости 47

2.3.Плоские рамы 48

2.4.Вариационные принципы как основа метода конечных элементов. 55

2.5.Потенциальная энергия деформации. 59

2.6.Следствия минимума полной энергии при деформации балок 63

2.7.Алгоритм формирования матриц жесткости с помощью принципа минимума полной энергии 64

2.8.Вариационно-разностный вариант метода конечных элементов. 66

Глава 3. Учет особенностей шпангоутных рам специализированных судов и судов традиционной постройки при определении номинальных напряжений 68

3.1.Матрица жесткости элемента стержня для расчета шибких стержней. Вариационно-разностная версия. 68

3.2.Моделирование книц и узлов пересечения балок 70

3.3.Построение конечно-элементной расчетной схемы рам с учетом жестких участков. 85

3.4.К расчету поперечной прочности судов- навал очников. 86

Глава 4. У чет деформаций сдвига при определении номинальных напряжений в сечениях шпангоутных рам танкеров. 96

4.1.Общие сведения о наливных судах 96

4.2.Особенности работы коротких балок 98

4.3.0 корректности метода перемещений при введении коэффициента формы поперечного сечения балки 106

4.4.Моделирование жесткости на сдвиг узлов пересечения балок. 110

4.5.Моделирование сдвигового эффекта узлов пересечения балок. 116

4.6.Критический анализ рекомендуемого в работе [96] приема для учета влияния деформаций сдвига жесткого участка 120

4.7.Матрицы жесткости для стержней с учетом сдвига 123

4.8.Моделирование вращения жесткого участка как абсолютно твердого тела на изгиб тела 129

4.9.Учет жестких участков при моделировании книц и узлов пересечения балок, работающих на изгиб и сдвиг 131

4.10.Определение напряжений в точках сечений ребер 136

4.11.Моделирование сдвигового деформирования узлов пересечения балок и связывающих их книц 137

Глава 5. Автоматизированный алгоритм определения коэффициентов матриц жесткости. Сравнительная оценка точности расчетов 141

5.1.Автоматизированный алгоритм определения коэффициентов матриц жесткости 141

5.2.Матрицы жесткости и матрицы усилий 145

5.3.Сравнительная оценка точности традиционного и рассматриваемого вариантов определения номинальных напряжений в сечениях балок поперечных рам 154

5.4.Пример расчета шпангоутной рамы танкера 163

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Учет конструктивных особенностей рам судового корпуса на стадии расчетного проектирования»

При решении задачи повышения эффективности морских перевозок выявилась тенденция к увеличению размеров судов, особенно танкеров, навалочников, судов с горизонтальным способом погрузки и контейнеровозов. Выбор наиболее эффективной конструкции таких больших судов - чрезвычайно ответственный этап, так как из-за необычных размеров возникает ряд технических проблем.

Поперечную прочность принято определять при помощи сравнительных расчетов, поскольку трудно произвести точный конструктивный расчет для судовой конструкции, а также вследствие существующей практики нормирования прочности. Этот сравнительный расчет, основанный на опыте постройки, является вполне надежным только для судов обычных размеров. Для больших судов оригинальной серии, вследствие их особых конструкций и измерений, он неприемлем. Одна из тенденций мирового, в том числе и отечественного судостроения, - уменьшение нормативного срока эксплуатации судов. Реализация этого направления приводит к уменьшению весовых критериев судна, в том числе и корпусных конструкций за счет уменьшения запасов на износ и коррозию. В связи с этим актуальной является проблема обеспечения прочности конструкций и экологической безопасности в экстремальных условиях.

Сварные соединения имеют большей частью такие детали, как бимсовые кницы и бракеты на концах ребер жесткости. Указанные концевые узлы функционируют как отдельные конструкции. В таких конструкциях могут фиксироваться предельно высокие напряжения возле книц, связывающих элементы рамного набора. В связи с этим при исследовании прочности конструкций следует обращать внимание на концентрацию напряжений в углах книц, влияние вырезов в них, а также на прочность при их изгибе.

Нигде нет такой необходимости в компромиссе, как в вопросе проектирования конструктивных соединений. С одной стороны, требуется, чтобы они соответствовали условиям прочности и жесткости при различных видах нагрузок, а с другой стороны - были достаточно просты при изготовлении и дешевы. Эти требования являются несовместимыми, поэтому всегда приходится делать выбор между конструктивной простотой и соответствием техническим требованиям. Рассчитывая такие конструкции, как правило, влиянием деформаций сдвига на поведение поперечных связей обычных грузовых судов пренебрегают. В то же время для танкеров и навалочников, у которых высота связей велика по сравнению с их длиной, влияние деформаций сдвига довольно существенно.

Существующая практика нормирования прочности в большинстве случаев предполагает использование простейших расчетных моделей на основе стержневой аппроксимации корпуса и его элементов, что не позволяет в полной мере воспользоваться современными методами исследований. Поэтому в настоящее время целесообразно избрать некоторый компромиссный вариант, т.е. совместить расчетные схемы, рекомендованные Регистром, и уточненные методы для определения напряжений в опасных точках конструкции.

В первом случае используется стержневая аппроксимация судовых рам. Во втором - пластинчатая. Методом решения рассматриваемых задач, как утвердилось в мировой практике, является метод конечных элементов.

Автор выражает искреннюю признательность доктору технических наук, профессору, заслуженному работнику высшей школы, заведующему кафедрой механики деформируемого твердого тела К.П. Горбачеву за предоставленную возможность использовать как базовый разработанный им программный комплекс для расчета судовых конструкций методом конечных элементов.

Заключение диссертации по теме «Проектирование и конструкция судов», Славгородская, Александра Владимировна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе проанализированы:

1) существующая практика расчетного проектирования судовых конструкций и методов исследования их прочности;

2) приемы учета особенностей работы конструктивных элементов рам судового корпуса на стадии расчетного проектирования.

Разработаны:

1) алгоритм расчетов поперечной прочности судов нетрадиционных размеров;

2) программа расчетов поперечной прочности судов нетрадиционных размеров;

3) методика автоматизированного построения коэффициентов матриц жесткостей.

Проведено:

1) численное исследование влияния подкрепляющих книц на номинальные напряжения в сечениях балок шпангоутных рам;

2) численный эксперимент для обоснования справедливости основных гипотез и проверки достоверности результатов расчетов.

Получены следующие основные результаты, определяющие научную новизну и являющиеся предметом защиты:

- нетрадиционный алгоритм учета деформаций попереч-ного сдвига в технической теории изгиба стержней и алгоритма метода конечных элементов;

- новые решения задач изгиба рам судового корпуса с учетом особенностей их конструктивных элементов;

- обобщенные матрицы жесткостей стержневых элементов, учитывающих особенности работы конструктивных элементов шпангоутных рам;

- автоматизированный алгоритм построения матриц жесткости.

Достоверность решений проверена выполнением тестовых расчетов и сравнением результатов с решениями, полученными с использованием аппарата плоской задачи теории упругости.

Полученные в диссертационной работе результаты могут быть использованы при оценке поперечной прочности специализированных судов и выборе размеров подкрепляющих книц для балок поперечных шпангоутов танкеров больших размеров.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Славгородская, Александра Владимировна, 2000 год

1.Абовский Н.П., Андреев Н.П, Сабиров В.А. Обобщенные вариационно-разностные уравнения теории неоднородных анизотропных (в том числе ребристых) пологих оболочек. - В кн.: Пространственные конструкции. Красноярск, 1974, вып. 7, с. 36-53.

2. Барабанов Н.В., Конструкция корпуса морских судов, ч.2.1.: Л. Судостроение, 1993г.

3. Барабанов Н.В., Конструкция корпуса морских судов, ч.2.2.: Л. Судостроение, 1993г.

4. Барабанов Н.В., Беловицкий Е.М., Субботницкий В.В., Славгород-ская A.B. К оценке напряженного состояния бал очно-ферменных конструкций двойных бортов. Тезисы докладов XII Дальневосточной научно техн. конференции ДВГТУ, Владивосток, 1992г.

5. Безухов Н.И. Основы теории упругости, пластичности и ползуче-сти.-М.: Высш. шк., 1968.-512 с.

6. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. М.: Гостехиздат, 1954. -856с.

7. Беловицкий Е.М., Славгородская A.B. Разработка автоматизированной базы данных при проектировании, расчете и неразрушающем контроле сопряженных элементов конструкций. Труды Дальневосточного техн.унив-та,Владивосток, 1993г. Выпуск III, серия 5.

8. Беловицкий Е.М., Славгородская A.B.K расчету балочно-ферменных конструкций двойных бортов. Научные труды Дальрыб-втуза, выпуск 10,1998 г.

9. Бойцов Г.В., Палий О.М. Комплексный подход к проблемам обеспечения прочности судов. В сб. «Проблемы прочности судов».J1.: Судостроение, 1975,71-151.

10. Болотин В.В., Гольденблат И.И., Смирнов А.Ф. Строительная механика (современное состояние и переспективы развития).-М.: Гос-стройиздат, 1972.-192 с.

11. Н.Бубнов И.Г. Строительная механика корабля. Спб.: Типография Морского министерства, 1912. ч. I, ч. 2, 1964.-640 с.

12. Варвак П.М. Развитие и приложение метода сеток к расчету пластинок. Некоторые задачи прикладной теории упругости в конечных разностях. Киев: Изд-во АН УССР, ч. I, 1949. - 136., ч. 2, 1952.-116 с.

13. Вайнберг Д.В., Геращенко В.М., Ройтфарб И.З., Синявский A.JL. Вывод сеточных уравнений изгиба пластин вариационным методом\-В кн.: Сопротивление материалов и теория сооружений. Киев: Буди-вильник, 1966, вып. 1, с. 23-33.

14. Васидзу . Вариационные методы в теории упругости и пластично-сти.М.:Мир, 1987,542с.

15. Васильченко Н.П. К вопросу об определении касательных напряжений при поперечном изгибе балок //Тезисы докладов научно-техн. конф. "Вологдинские чтения". -Владивосток. 1998.

16. Васильченко Н.П. Расчет балок с учетом сдвига //Тезисы докладов научно-техн. конф. "Вологдинские чтения". Владивосток. 1998.

17. Вилипыльд Ю.К. Получение уравнений метода конечных элементов вариантом дискретно-вариационного метода. Тр./Таллинский политехи, ин-т, 1969, вып. 278, с. 143-155.

18. Восковщук Н.И., Васильченко Н.П., Славгородская A.B.О корректности расчета балок судового корпуса с учетом деформаций поперечного сдвига . //Тезисы докладов научно-техн. конф. "Вологдинские чтения". Владивосток. 2000.

19. Восковщук Н.И., Славгородская A.B. Учет книц при определении номинальных напряжений в сечениях шпангоутных рам . // Тезисы докладов научно-техн. конф. "Вологдинские чтения". Владивосток. 2000.

20. Галагер Р. Метод конечных элементов. Основы. М: Мир, 1984,432с.

21. Годунов С.К„ Рябенький B.C. Разностные схемы. М.: Наука, 1977.-440 с.

22. Горбачев К.П. К построению разностных аналогов дифференциальных операторов, Тр./Дальневосточный политехи, ин-т, 1974, том 97, с. 68-72.

23. Горбачев К.П. Расчет пластин и оболочек, подкрепленных ребрами жесткости, методом конечных элементов: Учебное пособие. Владивосток: Изд-во Дальневосточного политехи, ин-та, 1980-80 с.

24. Горбачев К.П, Решение задач изгиба, устойчивости и колебаний пластин и оболочек, подкрепленных ребрами жесткости, методом конечных элементов. В кн.: Строительная механика корабля. - Тр. / Дальневосточный политехи, ин-т. 1975, вып. 108, с. 44-52.

25. Горбачев К.П., Восковщук Н.И. К решению задач изгиба пластин, подкрепленных ребрами жесткости, методом конечных элементов: Тезисы докладов 24 научно-техн. конф. Владивосток: Изд-зо Дальневосточного политехнического ин-та, 1977, с. 15.

26. Горбачев К.П., Восковщук Н.И. Построение матриц жесткости элементов, подкрепленных ребрами, с учетом поперечного сдвига. В межвузовском сб.: Строительная механика корабля. - Владивосток: Дальневосточный политехнический ин-т, 1976, вып. I, с. 70-76.

27. Горбачев К.П. Метод конечных элементов в расчетах прочности .Л.: Судостроение, 1985. -156 с.

28. Горбачев К.П. Техническая теория тонких пластин и пологих оболочек. -Владивосток. Изд-во Дальневост. ун-та, 198 5.-161 с

29. Горбачев К.П. Метод конечных элементов в расчетах прочности.-Л.: Судостроение, 1985. -156 с.

30. Горбачев К.П., Барабанов Н.В., Турмов Г.П. Основы расчетного проектирования конструкций корпуса судна.-Владивосток. Изд-во "Уссури", 1997.-295 с.

31. Горбачев К.П., Васильченко Н.П. Оценка локальных эффектов в сечении балок судового набора при решении задач методом конечных элементов. // Тр. Международной конференции "Проблемы прочности и эксплуатационной надежности судов".-Владивосток. 1996.

32. Горбачев К.П., Васильченко Н.П., Восковщук Н.И. Определение касательных напряжений в точках сечений сварных и катаных балок. //Материалы междунар. конф. " Кораблестроение и океанотехника. Проблемы и перспективы." -Владивосток. 1998.

33. Горбачев К.П., Васильченко Н.П. Оценка локальных эффектов в сечении балок судового набора при решении задач методом конечных элементов. // Тр. Международной конференции "Проблемы прочности и эксплуатационной надежности судов".-Владивосток. 1996.

34. Горбачев К.П., Краснов Е.Г., Субботницкий В.В., Васильченко Н.П. Основы механики деформируемого твердого тела. Учебное пособие. 4.1. -Владивосток. Изд-во "Уссури", 1998.-151с.

35. Горбачев К.П., Попов А.Н., Восковщук Н.И., Уложенко А.Г. Вариационно-разностная версия метода конечных элементов. Изд-во Дальневост. ун-та, 1987.-149 с.

36. Горбачев К.П., Краснов Е.Г., Субботницкий В.В., Васильченко Н.П. Основы механики деформируемого твердого тела. Учебное пособие. 4.1. -Владивосток. Изд-во "Уссури", 1998.-151с.

37. Губанищев A.B., Шишенин Е.О. О программе расчета прочности сложных систем по методу конечных элементов с одновременным использованием различных матриц жесткости. В кн.: Морские порты. -Тр./ Одесский ин-т инж морского флота, 1973, вып. 6, с. 13-17

38. Демидович Б.П. Марон И.А., Шувалова Э.З. Численные методы анализа. М.: Физматгиз, 1963. - 100 с.

39. Джонсон, Маклей. Сходимость метода конечных элементов в теории упругости: Труды американского общества инженеров-механиков. Прикладная механика. - Изд-во Мир, 1968, 35,сер. Е, № 2, с. 68-72.

40. Джонсон У.М., Строун Д.Р. Обобщенные вариационные принципы в методе конечных элементов. Ракетная техника и космонавтика, 1969, т. 7, с. 47.

41. Доусон Т. Проектирование сооружений морского шельфа. Д.: Судостроение, 1986,286 с.

42. Ершов Н.Ф. Исследование прочности и устойчивости подкрепленной круглой переборки численными методами. В кн.: Применение новых методов к расчетам прочности судовых конструкций. -Л.: Судостроение, 1978, вып. 276, с. 4-14.

43. О.Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике.- М.: Мир, 1975.-542 с.

44. Козляков В.В. О расчете днищевых перекрытий с двойным дном. -Тр./Ленингр. кораблестр. ин-т, 1956, вып. 18, с. 35-52.

45. Козляков В.В. Упруго-пластический изгиб судовых перекрытий и балок из упрочняющегося материала с учетом деформаций сдвига. В кн.: Строительная механика корабля. - Л.: Изд-во НТО Судпрома, 1962, с. 51-94.

46. Козляков В.В. Об учете деформаций сдвига при расчете некоторых судовых конструкций.// Тр. ЛКИ. -Л. 1959. Вып. XXIX. -С.49-58.

47. Козляков В.В. О расчете балок и рам на упругом основании с учетом сдвига. //Сб. трудов НКИ "Строительная механика корабля". -Николаев. 1983.-С. 54-65.

48. Козляков В.В. Точная матрица жесткости для балки на упругом основании с учетом сдвига.// Сб. трудов НКИ "Строительная механи-ка корабля". -Николаев. 1983.-C.3-13.

49. Корнеев B.C., Постнов В.А., Слезина Н.Г., Черенков Н.И. Использование метода конечных элементов к расчету судовых балочных систем, пластин, оболочек и объемных тел. /: Учебное пособие.-Л.: Изд-во Ленингр. кораблестроительного ин-та, 1975. 124 с.

50. Короткий Я.И., Локшин А.З., Сивере Н.Л. Изгиб и устойчивость стержней и стержневых систем.- Л.: Судостроение, 1958.-430 с.

51. Короткий Я.И.,Постнов В.А., Сивере Н.Л. Строительная: механика корабля и теория упругости. -Л.: Судостроение, 1972.- 720 с.

52. Колмогоров Г. Л. Вариационные методы в теории пластин и оболочек: Учебное пособие. Пермь: Изд-во Пермского государственного ун-та, 1976. - 32 с.

53. Корнеев В.Г. Сопоставление метода конечных элементов с вариа-щонно-разностным методом решения задач теории упругости. • Известия ВНИИГ, 1967, т. 83, е.- 287-307.

54. Курдюмов A.A. К вопросу о расчете перекрытий, подкрепленных несколькими перекрестными связями. Тр./Ленингр. кораблестр. инта, 1955, вып. 15, с. 12-25.

55. Курдюмов A.A., Локшин А.З., Иосифов P.A. и др. Строительная механика корабля. В 2 т. Л.: Судостроение, 1968. -419с.

56. Материалы первого международного конгресса по конструкции и прочности судов. Л.: Морской т ранспорт, 1963,592 с.

57. Мицевич А.Т., Мучник Л.Н. Применение электронных машин в судостроении. ИНТ, серия «Судостроение». М. ВИНИТИ, 1973,5,7,7-54.

58. Мицевич А.Т., Мучник Л.Н. Автоматизация проектирования судов и информационное обеспечение. ИНТ, серия «Судостроение». М. ВИНИТИ, 1976,7,83-99.

59. Маттес Н.В. Об изгибе пластин с упругими ребрами. -Морской флот. 1943, №8-9, с. 19-27.

60. Мелош Р. Д. Основы получения матриц для прямого метода жест-костей. Ракетная техника и космонавтика, 1963, № 7, с. 169-176.

61. Папкович П.Ф. Труды по строительной механике корабля. Т. 2. -Л.: Судпромгиз, 1962.-640с.

62. Постнов В.А., Дмитриев С.А., Елтышев Б.К., Родионов A.A. Метод суперэлементов в расчетах инженерных сооружений ; Под общ. ред. В.А. Постнова. Л.: Судостроение, 1979. - 288 с.

63. Постнов В.А. Численные методы расчета судовых конструкций. -Д.: Судостроение, 1977. 280 с.

64. Постнов В.А. Изгиб, устойчивость и колебания пластины, подкрепленной продольными ребрами. В кн.: Прочность корпуса судна. Материалы по обмену опытом НТО судпрома. Д., 1965, вып. 63, с. 112-121.

65. Постнов В.А. Исследование изгиба судового перекрытия как орто-тропной пластины с учетом сдвига. В кн.: Строительная механика корабля. Д.: Изд-во НТО Судпрома, 1962, с. 143-155.

66. Постнов В.А., Хархурим И.Я. Метод конечных элементов в расчетах судовых конструкций. Д.: Судостроение, 1974. - 344 с.

67. Папкович П.Ф. Теория упругости. М.: Оборонгиз, 1939. -640 с.

68. Постнов В. А. Расчет вынужденных колебаний судовых перекрытий с учетом влияния сдвига. Тр. ЛКИ. Л. Вьш.ХХХП. 1959.-С. 48-95

69. Постнов В.А., Суслов В.П. Строительная механика корабля и теория упругости: В 2 т. Т. 1. Теория упругости и численные методы решения задач строительной механики корабля. -Д.: Судостроение, 1987. -287с.

70. Постнов В.А. Метод модуль элементов в расчетах судовых конструкций. - Д.: Судостроение, 1990 - 320 с.

71. Райссманн К. Метод конечных разностей как вариант метода конечных элементов. Тр./Ленингр. кораблестроит. ин-т, 1973, вып. 85, с. 77-85.

72. Розин Л.А. Метод конечных элементов в применении к упругим системам. М.: Стройиздат, 1977.-128 с.

73. Розин Л.А. О связи метода конечных элементов с методами Бубнова Галеркина и Ритца. - В кн.: Строительная механика сооружений. - Л.: Изд-во ЛПИ, 1971, с. 6-27.

74. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов: Пер. с англ. М.: Мир, 1979. - 392 с.

75. Сегаль А.И. Прикладная теория упругости.- Л.: Судпромгиз, 1957.-245 с.

76. Справочник по строительной механики корабля. Под общей редакцией акад. Ю.А. Шиманского.-Л.: Судпромгиз, 1958. -Т.1.-627 с.

77. Славгородская A.B. Метод прямой жесткости к задаче о подкреплении круглого отверстия в пластине, нагруженной радиальными силами. Научные труды Дальрыбвтуза,выпуск 14, 2000, Изд-во Даль-рыбвтуз, Владивосток.

78. Славгородская A.B., Восковщук Н.И. Определение номинальных напряжений в сечениях шпангоутных рам с учетом конструктивных особенностей специализированных судов. //Тезисы докладов научно-техн. конф. "Вологдинские чтения". Владивосток. 2000.

79. Суслов В.Л., Кочанов Ю.П., Спихтаренко В.Н. Строительная механика корабля и основы теории упругости.-Л.: Судостроение, 1972.-719с.

80. Суслов В.П., Кочанов Ю.П., Спихтаренко В.Н. Строительная механика корабля и основы теории упругости. Л.: Судостроение, 1972.- 720 с.

81. Тимошенко С.П., Гере Д.Ж. Механика материалов Пер. с англ. М.: Мир, 1976. - 670 с.

82. Тимошенко С.П. Курс теории упругости. -Киев: Наук. Думка, 1954.-856 с.

83. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. -М.: Наука, 1975.-575 с.

84. Филин А.П. Прикладная механика твердого деформируемого тела: В 2 т. -М.: Наука, 1975,1978.- Т 1- 832 с.;- Т.2.-616 с.

85. Филин А.П. Введение в строительную механику корабля. -Сб.Судостроение, 1993.-63 8 с.

86. Филоненко-Бородич М.М. Теория упругости.- М.: Физматгиз, 1959.-432 с.

87. Хьюз О.Ф. Проектирование судовых конструкций. Л.: Судостроение,1988,360 с.

88. Reissner Е. On bending of elastic plates // Quart. Appl. Math. 1941. V5. -№1.