НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ КОРАБЛЕБУДУВАННЯ

ІМЕНІ АДМІРАЛА МАКАРОВА

ЗАЙЦЕВ ВАЛЕРІЙ ВОЛОДИМИРОВИЧ

УДК 629.5.01

ВИЗНАЧЕННЯ ФОРМИ І НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНОГО
СТАНУ ГНУЧКИХ ОГОРОДЖЕНЬ СУДЕН НА ПОВІТРЯНІЙ
ПОДУШЦІ

спеціальність 05.08.03 – механіка та конструювання суден

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

МИКОЛАЇВ - 2005

Дисертацією є рукопис

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

Науковий керівник кандидат технічних наук, доцент

Єганов Олександр Юхимович,

Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова,

проректор з науково-навчальної роботи

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Дихта Леонід Михайлович,

Миколаївський державний гуманітарний університет імені Петра Могили комплексу Києво-Могилянська академія, професор кафедри прикладної і вищої математики

кандидат технічних наук

Єгоров Геннадій Вячеславович,

Морське інженерне бюро, м. Одеса,

генеральний директор

Провідна установа: Одеська національна морська академія Міністерства освіти і науки України, м. Одеса

Захист відбудеться " 04 " липня 2005 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .060.01 Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова за адресою: 54025, м. Миколаїв, проспект Героїв Сталінграда, 9, ауд. 360.

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

Автореферат розісланий "___" червня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор С.С. Рижков

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У теперішній час у всіх морських державах Миру посилено розвивається флот суден з динамічними принципами підтримки (судна на підводних крилах, екраноплани, судна на повітряній подушці). Проектування і побудова суден на повітряній подушці (СПП) у минулому сторіччі пройшло становлення і розвиток як у СРСР, так і за кордоном.

Основним у СПП є підйомний комплекс, до складу якого входить гнучке огородження (ГО), вентилятори і повітряпроводи, які подають повітря під днище судна і утворюють підйомну силу. При цьому у скегових суден на повітряній подушці (СППС) значно зменшується осадка, а амфібійні судна на повітряній подушці (СППА) повністю виходять з води і парять над екраном. ГО є важливою конструкцією СПП, тому що саме воно забезпечує морехідні якості і дозволяє зменшити енергооснащеність судна.

Раніше проектування ГО в основному базувалося на досвіді експлуатації СПП. Дослідження проводилися на основі експериментальних даних і теоретичних розробках, які не враховували багато факторів, що впливають на надійну роботу ГО. І, як слідство, швидкий вихід з ладу в процесі експлуатації ГО. У теперішній час для значного підвищення швидкості доставки як вантажів, так і пасажирів українськими морськими і річковими перевізниками потрібне поліпшення морехідних якостей СПП, так як при погіршенні погодних умов швидкість їхнього руху різко зменшується. Однак в Україні практично в теперішній час відсутній досвід проектування як СПП, так і ГО СПП.

Ідея ГО проста але, не дивлячись на багаторічні вивчення, у механіці ГО дотепер залишається безліч наукових і практичних проблем, тому що об'єкт дослідження дуже складно представити у вигляді точної математичної моделі, а ті моделі, що існують сьогодні, вимагають доповнень і уточнень.

У зв'язку з вищевказаним актуальність теми складається: з потреби у СПП з кращими морехідними якостями; з потреби в більш довговічних і більш надійних ГО і їх елементів; у відсутності достатнього досвіду проектування ГО у складі підйомного комплексу СПП; у відсутності методів розрахунку ГО з урахуванням багатьох їх конструктивних особливостей; можливості створення рекомендацій з проектування ГО на основі нових і уточнених їх математичних моделей, методик проектування і розрахунку у складі підйомного комплексу СПП.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота узагальнює результати досліджень, виконаних автором у рамках загального плану наукових досліджень по розробці методів розрахунку міцності корпусних конструкцій при різних умовах навантаження з урахуванням деформацій суден нових типів Українського державного морського технічного університету імені адмірала Макарова (УДМТУ) і держбюджетної НДР № 9/1404 "Нові підходи до розрахунку міцності гнучких огороджень суден на повітряній подушці амфібійного типу" (№ держ. реєстрації 0100U001909).

Мета і задачі дослідження. Мета дослідження – створення і аналіз математичних моделей носових гнучких огороджень (НГО) і кормових гнучких огороджень (КГО) СПП як теоретичної основи для проектування ГО у складі підйомного комплексу СПП, створення методики, алгоритму проектування і розрахунку ГО у складі підйомного комплексу СППС.

Досягнення мети базується на аналізі існуючих у теперішній час конструкцій СПП і їх ГО, аналізі існуючих раніше математичних моделей ГО і можливих умов навантаження ГО СПП.

Задачі дослідження.

1. Знаходження аналітичних залежностей, що визначають напружено-деформований стан (НДС) круглих і прямокутних антивібраційних діафрагм з повітряпроводними вирізами ГО СПП, порівняння результатів їх вирішення з розрахунками, виконаними методом кінцевих елементів (МКЕ), дослідження впливу конструктивних факторів антивібраційних діафрагм на їх НДС.

2. Визначення форми носового одноярусного ресиверу ГО СПП і дослідження його просторового НДС без урахування і з урахуванням параметрів повітряпроводних вирізів, а також трьох стрибків тиску повітря в їхньому районі; аналіз отриманих результатів.

3. Знаходження параметрів форми і НДС кормового багатоярусного (триярусного) ресиверу ГО СПП у режимі висіння і руху на тихій воді, дослідження його механіки при різних початкових умовах; аналіз отриманих результатів.

4. Визначення форми і НДС носового одноярусного ресиверу з антивібраційною діафрагмою ГО СПП з урахуванням властивостей матеріалу (нерозтяжний і розтяжний) ГО з перевіркою достовірності за МКЕ, дослідження його механіки при різних початкових умовах; аналіз отриманих результатів.

5. Визначення форми і НДС носового одноярусного ресиверу ГО СПП з урахуванням впливу розмірів повітряпроводних вирізів в антивібраційній діафрагмі і оболонці ресивера, трьох стрибків тиску повітря в районі повітряпроводних вирізів у ресивері, дослідження впливу параметрів вирізів на форму ресиверу і його НДС; аналіз отриманих результатів.

6. Дослідження форми і просторового НДС носового ГО СПП з урахуванням впливу на них просторового знімного елемента і місцевих напружень, які виникають у місцях стикування знімних елементів з ресивером, а також повітряпроводних вирізів у ресивері; аналіз отриманих результатів.

7. Дослідження форми і просторового НДС носової секції ГО СПП з урахуванням впливу на них одночасно вагомості матеріалу ГО, наявності знімних елементів, антивібраційної діафрагми, повітряпроводних вирізів у ресивері і в антивібраційній діафрагмі.

8. Розробка методики, алгоритму проектування і розрахунку ГО у складі підйомного комплексу СППС з урахуванням взаємного впливу всіх елементів системи, які беруть участь у забезпеченні підйому над водною поверхнею СППС, з одночасним визначенням параметрів вентиляторної установки СППС, а також з урахуванням впливу на них повітряпроводних вирізів в оболонці ресиверу НГО, трьох стрибків тиску повітря в районі повітряпроводних вирізів у ресивері, з урахуванням втрат напорів у повітряпроводах вентиляторної системи судна, визначенням тисків у ресиверах носового і кормового ГО залежно від параметрів повітряної подушки (ПП) і осадки судна на тихій воді.

Об'єктом дослідження є носові і кормові ГО у складі підйомного комплексу СПП.

Предметом дослідження є форма і НДС носових і кормових ГО суден на повітряній подушці амфібійного і скегового типів.

Методи дослідження прийняті аналітичні і чисельні. Для досягнення поставленої в роботі мети використані наступні методи і теорії: теорія м'яких оболонок; метод кінцевих елементів – при дослідженні НДС ГО і їх елементів з урахуванням концентрацій напружень; теорія і методи розрахунку гнучких зв'язків.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Удосконалено і проаналізовані математичні моделі визначення форми і НДС носових одноярусних ГО СПП з урахуванням впливу на них повітряпроводних вирізів в оболонці ресиверів, а також трьох стрибків тисків повітря в районі цих вирізів.

2. Удосконалено і проаналізовані математичні моделі визначення форми і НДС носових одноярусних ГО СПП з урахуванням вирізів в антивібраційних діафрагмах і з урахуванням впливу повітряпроводних вирізів в оболонці ресиверів, а також трьох стрибків тисків повітря в районі цих вирізів.

3. Удосконалено і проаналізовані математичні моделі визначення форми і НДС кормових багатоярусних (триярусних) ГО СПП у режимі висіння і руху на тихій воді з урахуванням впливу на їх форму і НДС двох діафрагм, у яких може бути різна довжина.

4. Вперше чисельно вирішена задача визначення форми і НДС носового ГО, яка враховує одночасно вагомість матеріалу ГО і наявність у нього знімних елементів, антивібраційної діафрагми, повітряпроводних вирізів у ресивері і в антивібраційній діафрагмі.

5. Вперше визначений діапазон значень довжини знімного елемента, при якому напруження в зонах концентрації будуть найменшими, і при цьому значення максимальних напружень будуть знаходиться не в зоні кріплення знімного елемента до ресивера.

6. Вперше розроблені і реалізовані методика, алгоритм проектування і розрахунку носового і кормового ГО у складі підйомного комплексу СППС з урахуванням взаємного впливу всіх елементів системи, які беруть учать у забезпеченні підйому над водною поверхнею СППС, з одночасним визначенням параметрів вентиляторної установки СППС, а також з урахуванням впливу на них повітряпроводних вирізів в оболонці ресиверу носового ГО, трьох стрибків тиску повітря в районі повітряпроводних вирізів у ресивері, з урахуванням втрат напорів у повітряпроводах вентиляторної системи судна, визначенням тисків у ресиверах носового і кормового ГО залежно від параметрів повітряної подушки і осадки судна на тихій воді.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені математичні моделі визначення форми і НДС НГО та КГО, методика, алгоритм проектування та розрахунку НГО та КГО у складі підйомного комплексу СППС, їх аналіз і рекомендації до проектування можуть бути використані в проектних і конструкторських організаціях, на суднобудівних заводах, у комерційних фірмах і студентами вищих навчальних закладів у навчальному процесі. Застосування розроблених програм аналітичного розрахунку форми і НДС носових і кормових ГО СПП і програм для аналізу НДС ГО СПП за МКЕ відкриває можливість для проектування ГО СПП на основі більш достовірних і сучасних методів.

Результати досліджень, які отримані в роботі, надають можливість інженерам, конструкторам, проектувальникам і студентам проводити аналіз НДС ГО СПП, а також виявляти і використати їх резерви міцності.

Практичне застосування результатів дисертаційної роботи відображено в актах впровадження таких підприємств і організацій: ВАТ "Феодосійська суднобудівна компанія "Море" у вигляді розрахункових методик "Урахування параметрів повітряпроводних вирізів при визначенні форми і напружено-деформованого стану гнучкого огородження", "Проектування гнучких огороджень з урахуванням впливу на їх параметри вентиляторної установки", а також програмних продуктів, що забезпечують їх реалізацію. Крім того, результати досліджень впроваджені у навчальний процес кафедри морських технологій, використані при виконанні дипломних проектів, при написанні навчального посібника з грифом "Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів" у Національному університеті кораблебудування (НУК) імені адмірала Макарова за спеціальністю 8.100.201 "Кораблі і океанотехника"; у навчальний процес кафедри "Океанотехники і кораблебудування" Севастопольського Національного технічного університету за спеціальністю 8.100.201 "Кораблі і океанотехника", у держбюджетну НДР № 9/1404 "Нові підходи до розрахунку міцності гнучких огороджень суден на повітряній подушці амфібійного типу" (№ держ. реєстрації 0100U001909).

Особистий внесок дисертанта. Всі положення і виводи, математичні моделі, методики і методи розрахунків, аналітичні залежності, програми розрахунків і їх результати, які виносяться на захист, розроблені і належать особисто авторові. З робіт, опублікованих у співавторстві, на захист виносяться тільки ті частини, які розроблені особисто автором: проектування і розрахунок ГО СППА [1 (глава 8), 11], математична модель проектування підйомного комплексу СППС [12, 13], урахування хвильового поршня при проектуванні підйомного комплексу СППС [13].

Апробація результатів дисертації. Результати дисертації були апробовані на: Науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу УДМТУ (Україна, Миколаїв, 22 – 26 квітня 2002 р.), Міжнародній конференції, присвяченій 100-річчю кораблебудівній освіти в Україні "Кораблебудування: освіта, наука, виробництво" (Україна, Миколаїв, 24 – 25 вересня 2002 р.), Міжнародній науково-практичній конференції "Соціальні і економічні проблеми мотивації праці в умовах ринкової економіки" (Україна, Миколаїв, 30 вересня – 2 жовтня 2003 р.), Всеукраїнській науково-методичній конференції "Проблеми наскрізної комп'ютерної підготовки у вищій школі" (Україна, Миколаїв, 14 – 15 жовтня 2003 р.), Обласній науковій конференції, присвяченій пам'яті адмірала С.Й. Макарова і художника В.В. Верещагіна (до 100-річчю трагічної загибелі) (Україна, Миколаїв, 14 – 16 квітня 2004 р.), Міжнародній науково-технічній конференції "Безпека мореплавання і її забезпечення при проектуванні і побудові суден (БМС-2004)" (Україна, Миколаїв, 21 – 22 жовтня 2004 р.), на засіданнях кафедри морських технологій і НТР з кораблебудування НУК (Миколаїв).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 13 друкованих наукових праць: 1 навчальний посібник з грифом "Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник для студентів вищих навчальних закладів" (у співавторстві), 8 статей у збірниках наукових праць (з них 7 – без співавторів), в 4 тезах за матеріалами конференцій і у матеріалах Міжнародних науково-практичних конференцій (з них 2 – без співавторів).

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, шістьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 155 найменувань (15 сторінок) та 1 додатку. Обсяг дисертації складає 201 сторінку, включаючи 142 сторінки основного машинописного тексту, 89 рисунків (44 сторінки), 4 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ містить обґрунтування актуальності теми дисертаційної роботи, її зв'язок з науковими програмами, планами, темам, вказується роль автора у виконанні науково-дослідних робіт. Формулюються мета і задачі дослідження. Описуються об'єкт, предмет і методи дослідження, наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, які виносяться на захист. Наведено структурну схему СПП стосовно до проектування його підйомного комплексу. Вказується особистий внесок дисертанта. Наведено відомості про апробацію результатів роботи, публікаціях автора за її темою.

У першому розділі дисертації проведено аналіз роботи ГО СПП, аналіз і систематизація конструкцій і схем ГО СПП.

Рис. 1. Вид знизу на гнучке огородження СППА:

1 – жорсткий корпус судна; 2 – носова секція ГО; 3 – бортова секція ГО;
4 – кутова секція ГО; 5 – кормова секція ГО; 6 – знімні елементи ГО;
7 – поздовжній кіль (внутрішнє ГО); 8 – поперечний кіль (внутрішнє ГО)

Конструкція ГО СППА 2, , , (рис. .) складається з основного зовнішнього ГО, яке оперізує жорсткий корпус, і внутрішнього огородження, що розділяє повітряну подушку на окремі секції в плані. Зовнішнє ГО служить також для подачі в повітряну подушку (ПП) основної кількості повітря і на більшій його частині встановлені гнучкі знімні соплові елементи. Бажано, щоб оболонки ГО не просто відгиналися, а як би "стежили" за поверхнею основи, зберігаючи деякий повітряний зазор. Конструкція ГО СППС складається з носового і кормового ГО.

У конструкції ГО (рис. 2) полотнище 2 оболонки гнучкого ресиверу ГО з повітряпроводними вирізами 5 укріплено на жорсткому корпусі 1 СППА. Гнучкий ресивер, до якого прикріплені знімні елементи 4, додатково стягується антивібраційною діафрагмою 3, в якій також є повітряпроводні вирізи 6. Під тиском повітря, що надходить з жорсткого ресиверу по повітряпроводному каналу, оболонка приймає об'ємну форму та утворює гнучкий ресивер.

Рис. 2. Схема носового одноярусного ГО з гнучким ресивером і знімними сопловими елементами СППА

Розглянуто зовнішні навантаження, що діють на ГО. Розрізняють такі основні режими роботи секцій ГО: режим висіння без ходу; режим руху над тихою водою; режим руху над схвильованою поверхнею води. У режимі висіння СППА (рис. 3) і СППС на ресивери діють надлишкові нормальні тиски ( рис. 4,а). З боку ПП внутрішня ділянка ресиверу знаходиться під впливом надлишкового тиску pр, а з боку гнучкого ресиверу конструкція знаходиться під дією тиску pр.

Рис.3. Поперечний переріз СППА в районі нагнітачів:

1 – нагнітач; 2 – вантажне приміщення; 3 – жорсткий ресивер; 4 – гнучкий ресивер; 5 – знімний елемент бортової секції; 6 – видаткова паливна цистерна; 7 – запасна паливна цистерна; 8 – знімний елемент поздовжнього кіля; 9 – поздовжній кіль (внутрішнє ГО)

Рис. 4. Схема навантаження ресиверу ГО СПП в режимі висіння:

а – зовнішні сили; б – рівнодіючі зовнішніх сил

Замінивши ці навантаження рівнодіючими (рис. 4,б) вважаємо, що оболонка ресиверу навантажена ступінчастим тиском повітря (зовнішня ділянка ресиверу навантажена тиском pр, внутрішня ділянка тиском pр – pп). У режимі руху на кормове ГО діють ще і сили опору води.

Розглянуто постановку завдання дослідження і її стан. Наведено огляд методів розрахунків і проектування ГО СПП. Зазначено, що у вітчизняній і закордонній літературі відсутні публікації, що всебічно відповідають на питання проектування ГО СПП. Дослідження з цього питання, які відомі авторові, розділені на дві основні групи: роботи про дослідження деформування м'яких оболонок з отворами і накладками, роботи з проектування і розрахунку м'яких оболонок і ГО СПП. Механікою ГО займалися багато дослідників. Це В.Е. Магула, Б.М. Мартинець, Ю.М. Коробанов, Г.Ф. Демешко, В.В. Кличко, Б.О. Колизаєв, О.С. Кудрявцев, О.В. Рубінов і Г.В. Клебанов, В.В Гончарук, Є.В Петін. Дослідженнями деформування м'яких оболонок з отворами і накладками присвячені роботи А. І. Лур’є, І. М. Пирогова, О.М. Гузя, І. С. Чернишенко, Вал. М. Чехова, Вік. М. Чехова, К. І. Шнеренко, В.Д. Кубенко, Г.Н. Савіна, А.А. Сяського, В.А. Сяського, А.Я Александрова, О.І Барана, І.М. Шубіной та інші. Але в їх публікаціях не розглядалися питання проектування ГО у складі підйомного комплексу, питання впливу повітряпроводних вирізів і знімних елементів (ЗЕ) на форму і НДС ГО. В той же час практичні рекомендації з розрахунку ГО приводяться в "Правилах классификации и постройки высокоскоростных судов" Російського морського регістру судноплавства, 2000 р. У Правилах для ГО розроблені вимоги до конструкцій деяких вузлів ГО і на основі дуже наближених формул розглянуто питання міцності ресиверу ГО.

За кордоном опубліковано багато робіт, які відносяться як до СПП, так і до ГО. Це книги, статті і публікації в Інтернеті. Але інформації, яка опублікована, недостатньо для проектування та розрахунків ГО СПП.

На основі матеріалів розділу розроблені напрями дослідження та технологічна карта дисертаційної роботи, прийнято рішення про дослідження форми і НДС носових і кормових ГО з врахуванням повітряпроводних вирізів в їх ресиверах та інших конструктивних особливостей ГО та властивостей його матеріалу, як найменш досліджених, і що послужить базою для розробки методики їх проектування і розрахунку у складі підйомного комплексу СПП.

У другому розділі досліджена механіка плоских елементів ГО СПП. З метою перевірки можливості використання МКЕ для з'ясування достовірності результатів теоретичних досліджень у дисертаційній роботі були розроблені і досліджені аналітичні залежності, які визначають НДС круглої ізотропної розтяжної антивібраційної діафрагми з повітряпроводним вирізом, матеріал якої підпорядковується закону Гука, навантаженої рівномірними радіальними зусиллями, яка входить до складу внутрішнього ГО (див. рис. ). Аналіз показав, що розходження результатів розрахунків, отриманих за аналітичними залежностями і за МКЕ, становить не більше 0,5 %. Це підтверджує достовірність теоретичних розрахунків.

Досліджена за допомогою МКЕ механіка плоскої ізотропної прямокутної антивібраційної діафрагми з прямокутним повітряпроводним вирізом, матеріал якої підпорядковується закону Гука, і такою же діафрагмою з урахуванням стовщення в районі повітряпроводного вирізу. У задачах розглянуті ділянки діафрагм, вирізані двома паралельними перетинами посередині між повітряпроводними вирізами. Діафрагми навантажені уздовж однієї короткої кромки рівномірно-розподіленим навантаженням, переданим з боку гнучкого ресиверу ГО СПП. Ця кромка може переміщуватися в напрямку дії навантаження. Друга коротка кромка нерухомо закріплена, але може обертатися, що відповідає реальним умовам закріплення діафрагми в гнучкому ресивері ГО, тому що діафрагма одним кінцем кріпиться на петлях до жорсткого ресиверу корпусу СПП, а другим – до оболонки ГО в районі ЗЕ (див.рис. 2). Для вирішення зазначеної задачі були розроблені кінцево-елементні моделі антивібраційних діафрагм. У першому випадку досліджувався вплив товщини і довжини діафрагми, а також розмірів повітряпроводних вирізів у ній на її НДС.

Результати розрахунків (сумарні переміщення, напруження за Мізесом і за 1-ю теорією міцності) для антивібраційної діафрагми без стовщення і зі стовщенням у районі вирізу представлені в графічному вигляді. Аналіз результатів досліджень антивібраційної діафрагми без стовщення показав, що концентрації напружень виникають у районі скруглення вирізу, і ця частина діафрагми є небезпечним місцем даної конструкції, що зі зростанням довжини діафрагми Ld відбувається незначне зменшення максимальних напружень ?уmiz.max за Мізесом: для Ld (2,0…2,2) м ?уmiz.max Збільшення товщини діафрагми t чинить більш помітний вплив на зменшення максимальних напружень: для мм . Зміна відносної ширини вирізу (для , де Bотв – ширина повітряпроводного вирізу; Bо – ширина розрахункової ділянки антивібраційної діафрагми) чинить більший вплив на НДС діафрагми, ніж зміна його відносної довжини (для , де – довжина повітряпроводного вирізу; Ld – довжина антивібраційної діафрагми).

Аналіз результатів досліджень антивібраційної діафрагми зі стовщенням у районі вирізу показав, що збільшення ширини смуги стовщення з 20 до 40 мм (при товщинах смуги від 7 до 11 мм) зменшує максимальні напруження за Мізесом з 5 до 11збільшення товщини смуги з 7 до 11 мм (при ширині від 20 до 40 мм) зменшує максимальні напруження за Мізесом з 12,8 до 18,4 %. Отже, введення смуги стовщення дозволяє зменшити максимальні напруження за Мізесом на 27,9(при t2 = 11 мм; b1 = 40 мм).

У третьому розділі досліджена механіка гнучких ресиверів ГО СПП. Розроблено математичну модель визначення просторової форми і НДС носового одноярусного гнучкого ресиверу без урахування повітряпроводних вирізів у його оболонці. Оболонка ресиверу навантажена ступінчастим тиском повітря. Матеріал оболонки вважається ізотропним, розтяжним і абсолютно гнучким. На відміну від жорстких конструкцій різні зовнішні навантаження впливають не тільки на НДС, але й, значною мірою, на форму м'яких оболонок. Великі переміщення створюють і великі складнощі при вирішенні таких задач. Тому дослідження НДС ресиверу проведено за допомогою МКЕ. Одержати достовірне вирішення таких задач за допомогою більшості програм МКЕ неможливо, тому що вони не враховують великі переміщення розглянутої конструкції.

Ця задача вирішена за допомогою ітераційного методу: конструкція навантажується поступово (протягом декількох етапів навантаження збільшується до розрахункового значення); після кожного етапу навантаження проводиться новий розрахунок за МКЕ, знаходиться нова форма конструкції, і наступний етап розрахунку провадиться вже з урахуванням форми, яка змінилась. Для досягнення достовірних результатів при вирішенні задач визначення форми і НДС ГО необхідно зробити не менш 100 ітерацій. На кількість ітерацій і на саму можливість одержати вирішення задачі великий вплив чинить форма оболонки ресиверу, задана як перше наближення. Для використання в розрахунках за МКЕ необхідно знайти такі параметри початкової форми ресиверу, які дозволять провести побудову форми ГО без використання додаткових графоаналітичних операцій. Раніше, як показав аналіз публікацій, автори математичних моделей визначення форми ГО для її побудови використовували графічні операції, що зовсім не підходе при розрахунках форми і НДС ГО за допомогою МКЕ.

Початкова форма носового ресиверу для першого наближення визначена вирішенням системи геометричних співвідношень і рівнянь рівноваги ізотропної, нерозтяжної і абсолютно гнучкої оболонки, навантаженої ступінчастим тиском повітря. При розрахунку за МКЕ в якості кінцевого елементу прийнятий 8-вузловий оболонковий елемент. У розрахунковій моделі розглянута тільки характерна частина носової секції ГО. Вплив відкинутої частини секції враховується накладенням на розглянуту твердотільну модель відповідних граничних умов. У результаті розрахунків, виконаних за МКЕ, визначені просторова форма і НДС всієї конструкції ГО під впливом зовнішніх навантажень. Максимальні переміщення конструкції в порівнянні з формою розрахованої за аналітичними залежностями – 3 мм, відмінність натягів у ресивері – не перевищують 0,1Це підтверджує достовірність аналітичних залежностей, наведених у математичній моделі носового одноярусного гнучкого ресивера.

Розроблено і проаналізовано математичну модель визначення форми і НДС носового одноярусного гнучкого ресиверу з урахуванням параметрів повітряпроводних вирізів і трьох стрибків тиску повітря в їхньому районі (рис. 5). Конструкція розгортки має лінійну циклічність (рис. 5,б), тому розглядається її характерна частина – контур A''A'''D'''D'' або AA'E'M'S'D'DSME. Вихідні дані: pр – тиск повітря в ресивері, Па; pп – тиск повітря в подушці, Па; L – довжина поперечного перетину гнучкого ресиверу(ППГР), м; D – відстань між точками закріплення ресиверу, м; f = bотв/bп – відносна ширина вирізу; bотв – ширина вирізу, м; bп – найбільша ширина характерної частини розгортки ресиверу, м; c3 = L3/L = L4/L – відносна довжина вирізу; c = L1/L2 – співвідношення довжин внутрішньої і зовнішньої частин ППГР без урахування районів вирізу; ? – кут між відрізками AD і ND (тут L1, L2, L3, L4 – довжини дуг частин ППГР, м).

Розглянута вище математична модель реалізована вирішенням системи двох трансцендентних рівнянь з двома невідомими ?2, б, ?триманої після перетворення геометричних співвідношень для оболонки ресивера, рівнянь рівноваги і введення безрозмірних залежностей, позначених малими буквами:

де  – коефіцієнт перепаду тисків;  – безрозмірна відстань між точками закріплення ресиверу;  – безрозмірні довжини хорд частин ППГР;  – безрозмірні радіуси кривизни частин ППГР;  – безрозмірні довжини дуг частин ППГР; , , ,  – безрозмірні кільцеві натяги.

Інші величини знаходяться з наступних залежностей.

Наведено залежності для визначення координат точок S, M, E, O1, O2, O3, O4, виконано аналіз отриманих результатів, зроблено перевірку достовірності математичної моделі за МКЕ. Результати досліджень форми і НДС носового гнучкого ресиверу з урахуванням параметрів повітряпроводних вирізів і трьох стрибків тиску повітря в їхньому районі показані на рис. 6 і 7.

а

б

в

Рис. 5. До розрахунку носового ресиверу з урахуванням повітряпроводних вирізів:

а – перетин; б – розгортка; в – схема навантаження

а б

Рис. 6. Вплив параметрів повітряпроводних вирізів на форму ППГР:

а – вплив відносної ширини вирізу; б – вплив відносної довжини вирізу

а б

в г

Рис. 7. Вплив параметрів вирізів на натяги і радіуси кривизни оболонки НГО

Розроблено і проаналізовано математичну модель визначення форми і НДС кормового багатоярусного (триярусного) ресиверу ГО СПП у режимі висіння над водою з урахуванням впливу на його форму і НДС двох діафрагм, у яких може бути різна довжина (рис. 8). Кріплення КГО до корпусних конструкцій здійснюється по двох паралельних напрямних A і D на петлях, навколо яких ресивер може безперешкодно обертатися. Діафрагми DC і DF верхніми кінцями кріпляться до корпусу судна також на петлях на невеликій відстані від петель кріплення гнучкого ресивера. Нижні кінці діафрагм кріпляться до оболонки гнучкого ресиверу (утворюючі C і F). Знімні елементи в КГО не передбачаються.

Прийняті припущення: матеріал оболонки і діафрагм вважається ізотропним, невагомим, нерозтяжним і абсолютно гнучким; форма оболонки – циліндрична; стрибок тиску повітря відбувається по утворюючій M; петлі діафрагм збігаються з петлями гнучкого ресивера. Математична модель реалізована вирішенням системи шести трансцендентних рівнянь з шістьома невідомими , , , , , , отриманої після перетворення геометричних співвідношень для оболонки ресиверу і рівнянь рівноваги. Досліджено вплив безрозмірних довжин діафрагм d1, d2 на їхні безрозмірні натяги , , (вихідні дані: ). Графічні залежності (рис. 9) дозволяють визначити максимальні безрозмірні довжини діафрагм триярусного ресиверу виходячи з того, що натяги в діафрагмах повинні бути більше нуля. Пунктиром на графіках рис. 9 показано рішення, які не мають фізичного сенсу, тому що одна з діафрагм КГО втрачає стійкість

Рис. 8. До розрахунку триярусного КГО

Рис. 9. Вплив безрозмірних довжин діафрагм КГО на безрозмірні натяги в них

Виконаний аналіз отриманих графічних залежностей вказує на те, що при проектуванні триярусних ресиверів ГО СПП діафрагми бажано виготовляти однакової довжини. У цьому випадку натяги в діафрагмах будуть близькі один до одного, а максимально допустима безрозмірна їх довжина буде більше, ніж у випадках, коли d1 ? d2.

Розроблено і проаналізовано математичну модель визначення форми і НДС кормового багатоярусного (триярусного) ресиверу ГО СПП у режимі руху на тихій воді з урахуванням впливу на його форму і НДС двох діафрагм, у яких може бути різна довжина, а також сил опору води.

У четвертому розділі досліджено врахування особливостей конструкції ГО і різних факторів, що діють на ресивер НГО при визначенні його форми і НДС. З цією метою розроблені математичні моделі і вирішені задачі визначення форми і НДС носового одноярусного ресиверу з антивібраційною діафрагмою з урахуванням властивостей матеріалу (нерозтяжний і розтяжний) з перевіркою достовірності за МКЕ. Оболонка гнучкого ресиверу навантажена ступінчастим тиском повітря (див. рис. 4,б). При експлуатації СПП матеріали ГО піддаються низькочастотній вібрації, що приводить до їхнього розшарування і руйнування ГО. Запобіганню низькочастотної вібрації сприяє включення до складу конструкції ГО антивібраційних діафрагм (див. рис. 2), які не дають опускатися нижній кромці ГО відносно рівноважного положення, не перешкоджаючи при цьому піддатливості ГО при проходженні його над вершиною хвилі. Матеріал оболонки і діафрагми вважається ізотропним, невагомим, нерозтяжним або розтяжним (залежно від розв'язуваної задачі), абсолютно гнучким; форма оболонки – циліндрична; стрибок тиску повітря відбувається в районі кріплення нижнього кінця діафрагми.

Чисельна реалізація систем трансцендентних рівнянь, отриманих у результаті ряду перетворень зазначених математичних моделей, дозволила провести аналіз їх результатів, одержати залежності для визначення форми і НДС носового одноярусного ресиверу як з розтяжної, так і з нерозтяжною антивібраційною діафрагмою без виконання додаткових графічних побудов, досліджувати умови, при яких діафрагма працює на розтягнення або втрачає стійкість. Перехід до безрозмірних характеристик дозволив узагальнити отримані результати. Відмінність результатів порівняльного розрахунку за МКЕ не перевищує 0,1що підтверджує достовірність створеної математичної моделі.

Досліджено механіку і визначено форму і НДС носового одноярусного ресиверу ГО СПП з урахуванням впливу розмірів повітряпроводних вирізів в антивібраційній діафрагмі і оболонці ресиверу, трьох стрибків тиску повітря в районі повітряпроводних вирізів у ресивері (див. рис. 5,в). Результати розрахунків показують, що зі збільшенням довжини діафрагми натяги в ній знижуються. Врахування вирізів в оболонці ресиверу викликає зменшення натягів в антивібраційній діафрагмі в порівнянні з математичною моделлю, яка їх не враховує. Нульове значення натягу в антивібраційній діафрагмі з урахуванням вирізів в оболонці ресиверу наступає при менших значеннях її довжини.

Досліджена за допомогою МКЕ форма і просторовий НДС носової секції ГО СПП з урахуванням впливу на них просторового знімного елементу і місцевих напружень, які виникають у місцях стикування знімних елементів з ресивером, а також повітряпроводних вирізів у ресивері. Отримано картину НДС всієї конструкції. Визначено місця концентрації напружень і їх характер. Результати розрахунків показані на рис. 10.

а б

Рис. 10. Носове гнучке огородження в районі концентрації напружень:

а – кінцево-елементна модель у районі концентрації напружень; б – епюра еквівалентних напружень за Мізесом уздовж лінії AB

Аналіз отриманих результатів показав, що небезпечні місця концентрації напружень знаходяться у районі кріплення знімних елементів до гнучкого ресиверу і особливо сильно це проявляється на внутрішньому краї кріплення (рис. 10). З графіка еквівалентних напружень за Мізесом, побудованого на відрізку AB, видно (рис. 10,б), що в цьому районі напруження зростають приблизно в 10 разів і досягають значення 23,6 МПа при допустимих напруженнях для різних матеріалів ГО 10...70 МПа. Звідси зроблено висновок, що зношування і руйнування ГО починається в районі кріплення знімних елементів до ресиверу ГО, що підтверджує практика експлуатації СПП і що говорить про достовірність отриманих автором результатів.

У п'ятому розділі досліджена за допомогою МКЕ форма і просторовий НДС носового ГО СПП з урахуванням впливу на них одночасно вагомості матеріалу ГО, наявності знімних елементів, антивібраційної діафрагми, повітряпроводних вирізів у ресивері і в антивібраційній діафрагмі. В якості початкової форми ресиверу прийнята форма, розрахована відповідно до математичної моделі нерозтяжного ресиверу з антивібраційною діафрагмою без урахування повітряпроводних вирізів. Твердотільна модель, граничні умови і зовнішні навантаження створюються за допомогою програми, яка написана мовою APDL.

Вирішення задачі відшукувалося при наступних вихідних даних (рис. ): довжина смуги (периметр поперечного перерізу ресиверу ГО СППА) м; ширина смуги (довжина розглянутої в математичній моделі ділянки ресиверу ГО СПП) м; товщина оболонки мм; ; Па; Па; модуль Юнга Па; коефіцієнт Пуассона ; м; м; м; м; м; м; м;  м; довжина вирізу м; ширина вирізу м; ; ; ; кг/м3. Результати досліджень показані на рис. 12 і 13.

Рис. 11. До розрахунку НГО зі знімним елементом

(вид збоку)

Аналіз отриманих результатів показав, що збільшення зони (рис. 12) у діапазоні  м без урахування вагомості матеріалу ГО приводить до зменшення максимальних переміщень у ГО на 7,9У діапазоні  м переміщення стабілізуються. З ростом від 2,4 м до 2,7 м переміщення збільшуються на 1,3З подальшим ростом до 3,5 м переміщення зменшуються на 14,2Урахування у розрахунковій схемі вагомості матеріалу ГО (рис. ) приводить до зниження максимальних переміщень у середньому на 20Збільшення зони кріплення знімного елемента до гнучкого ресиверу в діапазоні  м з урахуванням вагомості матеріалу ГО приводить до зменшення максимальних переміщень у ГО на 16,5З подальшим ростом до 3,5 м переміщення зменшуються на 11,0

При неврахуванні вагомості матеріалу ГО ріст з 1,0 м до 2,1 м приводить до зменшення максимальних напружень за Мізесом на 77( рис. ). У діапазоні  м напруження стабілізуються на рівні 5,42 МПа. У діапазоні  м виникає горб з максимумом у  м и напруження зростають на 85відносно стабілізованої площадки. У діапазоні від 3,8 м і далі знову з'являється площадка стабільних напружень на рівні 5,41 МПа. З рис. 13 видно, що з урахуванням вагомості матеріалу ГО ріст з 1,0 м до 2,3 м приводить до зменшення максимальних напружень за Мізесом на 77,5У діапазоні  м ці напруження стабілізовані на рівні 5,42 МПа. У діапазоні  м на графіку виникає горб з максимумом у  м и напруження зростають на 37 % відносно стабілізованої площадки. У діапазоні від 3,7 м і далі знову з'являється площадка стабільних напружень на рівні 5,42 МПа. Обидва графіка (рис. ) показують приблизно один рівень площадок стабілізованих напружень 5,41...5,42 МПа, довжини площадок відрізняються приблизно на 10а їх положення зміщені на 0,2 м. Параметри горбів напружень сильно відрізняються один від одного: діапазони – на 30 %, а максимуми відносно стабілізованих площадок – на 48

Рис. 12. Графіки залежності максимальних переміщень ресиверу НГО від

довжини зони кріплення знімного елемента до ресиверу

Рис. 13. Графіки залежності максимальних напружень за Мізесом від довжини зони кріплення знімного елемента до ресиверу НГО

Виконані розрахунки показують, що врахування ваги матеріалу ГО незначно впливає на точність визначення форми ресиверу, але дозволяє уточнити напруження в місцях концентрації напружень (вирізи і вузол кріплення антивібраційної діафрагми до ресиверу). Порівняння результатів розрахунків ГО без урахування і з урахуванням знімного елемента показує, що врахування знімного елемента значно впливає на НДС ГО, але для наближеної оцінки форми ГО і кліренсу СПП можна користуватися розрахунковою схемою, що не враховує вагомість ГО і наявність знімного елементу.

У шостому розділі розроблено методику, алгоритм проектування і розрахунку ГО у складі підйомного комплексу СППС з урахуванням взаємного впливу всіх елементів системи, які беруть участь у забезпеченні підйому над водною поверхнею СППС, з одночасним визначенням параметрів вентиляторної установки СППС, а також з урахуванням впливу на них повітряпроводних вирізів в оболонці ресиверу НГО, трьох стрибків тиску повітря в районі повітряпроводних вирізів у ресивері, з урахуванням втрат напорів у повітряпроводах вентиляторної системи судна, визначенням тисків у ресиверах НГО і КГО залежно від параметрів повітряної подушки і осадки судна на тихій воді (рис. 14 і 15).

а

б

Рис. 14. Схема розрахункової системи проектування ГО у складі підйомного комплексу СППС:

а – поздовжній перетин; б – поперечний перетин

Рис. 15. Схема системи повітряпроводних каналів СППС

Базою для розробки вказаних методики, алгоритму проектування і розрахунку ГО служать математичні моделі визначення форми і НДС НГО і КГО, які побудовані у 2 – 5 розділах дисертації. Методика проектування і розрахунку ГО СППС включає 8 груп рівнянь і залежностей (82 рівняння і 82 невідомі величини): рівняння рівноваги сил, що діють у поздовжній площині СППС (вертикальні складові); систему рівнянь для кормового триярусного ГО; систему рівнянь для носового одноярусного ГО; рівняння нерозривності і витрат повітря в повітряній подушці і ресиверах СППС; рівняння напорів для витікання повітря з повітряної подушки через носове і кормове ГО з урахуванням хвильового поршня; рівняння напорів для витікання повітря з ресиверів носового і кормового ГО в повітряну подушку; рівняння, що зв'язує осереднений зазор між нижньою кромкою носового ГО і діючою ватерлінією, і осереднений зазор між нижньою кромкою кормового ГО і діючою ватерлінією; рівняння, що зв'язують геометричні параметри носового і кормового ГО з геометричними параметрами повітряної подушки.

Після вирішення зазначених рівнянь визначені продуктивності, потужності і повні напори вентиляторів правого і лівого бортів СВПС, а також їхні