МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний університет кораблебудування

імені адмірала Макарова

КОРОСТИЛЬОВ ЛЕОНТІЙ ІВАНОВИЧ

УДК 629.5.017:629.5.018:539.43

Експериментально-теоретичний метод розрахунку
втомної міцності суднових корпусних конструкцій

Спеціальність 05.08.03 – Механіка та конструювання суден

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Миколаїв – 2006

Дисертацією є рукопис.

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

Науковий консультант – Заслужений діяч науки і техніки України,

доктор технічних наук, професор Суслов Віталій Павлович,

Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, професор кафедри будівельної механіки корабля.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук Єгоров Геннадій В’ячеславович,

Морське інженерне бюро, м. Одеса, генеральний директор;

- доктор технічних наук Цибаньов Георгій Васильович,

Інститут проблем міцності імені Г.С. Писаренка НАН України,

завідувач відділу втоми і термовтоми матеріалів;

- доктор технічних наук Гиренко Вадим Сергійович,

Інститут електрозварювання імені Є.О. Патона НАН України,

провідний науковий співробітник.

Провідна установа – Одеський національний морський університет Міністерства освіти і науки України, м. Одеса.

Захист відбудеться "14" _листопада_2006 р. о 1100 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 38.060.01 Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова за адресою: 54025, м. Миколаїв, проспект Героїв Сталінграда, 9.

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

Автореферат розісланий "_6_" __жовтня__2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор М.І. Радченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Важливим джерелом надходжень до державного бюджету України є і в майбутньому залишиться перевезення вантажу і пасажирів морським транспортом, а також риболовний промисел. Враховуючи значний вік більшості суден, що експлуатуються як в Україні, так і в інших країнах світу, треба чекати поповнення флоту ближчим часом. При цьому необхідно суттєво підвищувати рівень надійності корпусних конструкцій, що проектуються, бо, як показують результати аналізу даних про страхові претензії, майже п'ята їх частина пов'язана з конструктивними недоліками. Надійність корпусних конструкцій судна визначається надійністю їх конструктивних вузлів. В умовах змінного навантаження втомні пошкодження (тріщини), як правило, виявляються в зонах концентрації напружень. При цьому, окрім макроконцентрації, на показники довговічності вузлів впливає також низка факторів стохастичного характеру, які пов'язані із виготовленням конструкцій та експлуатацією судна.

Рекомендації з конструктивного оформлення типових корпусних вузлів, що відображають досвід експлуатації суден і в окремих випадках спираються на результати наукових досліджень, викладені в "Правилах" різних класифікаційних товариств. Проте в цих "Правилах" відсутня розрахункова основа чи метод, які б дозволяли аналізувати конструкції з позиції втомної міцності і отримувати конструктивні рішення, що дуже важливо для суден нових типів.

Нині у вітчизняному суднобудуванні використовуються методи розрахункової оцінки втомної міцності конструкцій – емпіричний метод ЦНДІ ім. акад. О.М. Крилова (Г.В. Бойцов, О.М. Палій) і теоретичний метод С.В. Петінова, – застосування яких для вирішення конкретних міцнісних і проектувальних задач в окремих випадках утруднене, а інколи практично неможливе через велику різноманітність конструктивних вузлів і необхідність урахування особливостей локальної геометрії. Тож виникає необхідність створення нового методу розрахунку втомної міцності конструкцій (вузлів), який дозволяє безпосередньо оперувати із абсолютними показниками довговічності і дає можливість враховувати вплив геометричних параметрів концентраторів напружень в конструктивних вузлах на ці показники.

Таким чином, підвищення надійності корпусних конструкцій в умовах змінного навантаження є важливою науковоприкладною проблемою, вирішення якої вимагає розробки на основі нового підходу розрахункового методу оцінки втомної міцності конструктивних вузлів, котрий дозволить виконувати їх оптимізацію із урахуванням технологічності і металоємності.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Напрямок досліджень дисертаційної роботи відповідає тематиці науково-дослідних робіт (НДР) за Координаційним планом міжвузівських та науково-технічних програм на 1997-1999 роки "Енергоресурси, енергозбереження на водному транспорті України" (шифр 55), Державних науково-технічних програм на 1999-2003 роки із пріоритетного напрямку розвитку науки і техніки "Підвищення ефективності та довговічності машин і конструкцій" (розділ 11 "Механіка"), а також загальному плану наукових досліджень Українського державного морського технічного університету в складі комплексних НДР № .04.10 "Розробка методів розрахунку міцності суден нових типів" (№ держ. реєстрації 0100U001909) і № "Розробка методів розрахунку міцності корпусних конструкцій при різних умовах навантажень, нерегламентованих нормативними документами" (№ держ. реєстрації 0102U001018).

Основу дисертаційних досліджень складають результати, що отримані безпосередньо автором, як відповідальним виконавцем і науковим керівником низки держбюджетних і госпрозрахункових НДР: "Исследование прочности и надежности узлов судовых конструкций повышенной технологичности" (№ держ. реєстрації 0180035635); "Разработка рекомендаций по проектированию, обеспечению усталостной прочности и надежности конструкций повышенной технологичности" (№ держ. реєстрації 01880041845); "Разработка инженерной методики расчетной оценки усталостной прочности и надежности узлов судовых корпусных конструкций" (№ держ. реєстрації 01890085542); "Исследование усталостной прочности корпусных узлов и разработка расчетных методов ее оценки" (№ .1.Пр.513); "Исследование закономерностей усталостной прочности и долговечности конструктивных узлов судового корпуса" (№ держ. реєстрації 0193U034101); "Исследование напряженного состояния главных гофрированных переборок танкеров проекта 15966 и выработка рекомендаций по обеспечению их усталостной прочности" (№ .2.Пр.902); "Разработка методов оценки усталостной долговечности судовых корпусных конструкций с концентраторами напряжений" (№ держ. реєстрації 0195U029353); "Экспериментальные и теоретические исследования предельной и усталостной прочности различных типов сварных швов судовых конструкций для сопоставительной оценки их надежности и долговечности" (№ держ. реєстрації 0195U023666); "Исследование прочности конструктивных узлов корпуса судов новых типов при статических и переменных нагружениях" (№ держ. реєстрації 0192U025017); "Разработка методов оценки прочности и живучести корпусных конструкций судна при переменном нагружении" (у складі комплексної НДР № .04.10); "Разработка методов расчета прочности узлов корпусных конструкций с учетом пластических деформаций" (у складі комплексної НДР № ).

Виконані дослідження є актуальними не тільки для суднобудування, але і для інших галузей промисловості та будівництва, де широко використовуються тонкостінні металеві конструкції.

Мета і задачі дослідження. Метою досліджень є розробка методу розрахунку втомної міцності корпусних конструкцій судна, який дозволяє здійснювати їх оптимізацію з урахуванням технологічності і металоємності.

Для досягнення поставленої мети були вирішені такі основні задачі:

- розробка експериментально-теоретичного (осередкового) підходу до створення розрахункового методу оцінки втомної довговічності конструктивних вузлів;

- відбір і класифікація типових осередків концентрації напружень в конструктивних вузлах корпусу судна;

- отримання критеріальних залежностей втомної міцності (кривих втоми) для типових осередків концентрації напружень у вузлах;

- визначення амплітудно-циклічної навантаженості корпусних конструкцій і їх конструктивних вузлів;

- розробка розрахункового методу оцінки втомної довговічності типових осередків концентрації, що входять до складу вузла, і вузла в цілому;

- реалізація критеріальних залежностей втоми в практичних методиках розрахунку довговічності і параметрів змінного навантаження, а також при проектуванні конструктивних вузлів з урахуванням утомленості.

Об’єктом досліджень в дисертаційній роботі виступає надійність суднових корпусних конструкцій в умовах експлуатації.

Предметом досліджень є втомна міцність конструктивних вузлів суднового корпусу з осередками концентрації напружень, в яких можуть виникати пружнопластичні деформації від експлуатаційних навантажень.

Методи досліджень. Виходячи із різноплановості задач, які потребували вирішення, в роботі використані як теоретичні, так і експериментальні методи. Розробка "осередкового" експериментально-теоретичного підходу до створення методу розрахункової оцінки втомної міцності корпусних конструкцій базувалась на аналітичному аналізі існуючих підходів у суднобудуванні. Класифікація типових осередків концентрації, як основних об'єктів розрахункового методу, виконана на основі досліджень конструктивних форм і силових умов навантаження корпусних вузлів.

Для обґрунтування принципових положень, які покладені в основу створеного методу, і практичного використання критеріальних залежностей втомної міцності типових концентраторів напружень показники їх довговічності отримані експериментально при циклічних випробуваннях моделей. Дослідження напружено-деформованого стану в осередкових зонах концентрації вузлів виконані поляризаційно-оптичним методом, методом електротензометрування, а також на основі розрахунків методом скінченних елементів. При визначенні номінальної навантаженості конструктивних вузлів і типових концентраторів на основі "Норм міцності" використані методи будівельної механіки корабля і теорії пружності.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:

1. На основі експериментально-теоретичного підходу створено методологію і розроблено новий метод розрахунку втомної міцності суднових конструкцій, який дозволяє вирішувати низку практичних задач, в тому числі і оптимізаційних. Основним об'єктом методу виступає типовий осередок концентрації напружень конструктивних вузлів, показники втоми якого дозволяють оцінити довговічність самого вузла і конструкції в цілому.

2. Розроблено класифікацію типових осередків концентрації напружень у вузлах суднових корпусних конструкцій із урахуванням їх конструктивних форм, технологічних особливостей і умов навантаження. Складено таблицю типових концентраторів, які рекомендується використовувати при оцінках втомної міцності конструктивних вузлів експериментально-теоретичним методом.

3. Вперше розроблено критеріальні залежності втомної довговічності в малоцикловій і багатоцикловій областях для узагальненого типового осередку концентрації з урахуванням можливої зміни геометричних параметрів концентратора, що базуються на деформаційних і силових критеріях втоми матеріалу, "прив’язку" яких до осередку концентрації здійснено в одній точці. Показники втоми, що визначають координати цієї точки, встановлюються експериментально при втомних випробуваннях моделей з типовими концентраторами напружень.

4. Вперше на основі наближеної залежності для визначення пружнопластичних деформацій в осередках концентрації напружень отримано прості розрахункові формули для побудови кривих втоми типових концентраторів в залежності від їх геометричних параметрів.

5. Вперше на моделях із суднобудівних сталей в умовах малоциклового навантаження створено базу даних із показників втоми трьох типових концентраторів напружень. Оцінено вплив основних геометричних параметрів на їх довговічність і виявлено особливості втомного руйнування в досліджених осередках концентрації.

6. Побудовано криві втоми для трьох типових концентраторів напружень з конкретною геометрією в діапазоні числа циклів від 1 до 108. Надійність цих кривих підтверджено порівнянням з експериментальними даними, які отримані при втомних випробуваннях сталевих моделей.

7. Експериментально встановлено підвищення втомної довговічності в типових осередках концентрації за рахунок початкового циклічного навантаження (тренування) на низькому рівні номінальних напружень, а також від попереднього статичного перевантаження з максимальним номінальним напруженням, яке перебільшує границю плинності матеріалу на 20

8. Розроблено практичну формулу для розрахунку коефіцієнта концентрації напружень в осередку концентрації типу "злам стінки", яку рекомендовано використовувати при оцінці втомної довговічності вузлів з концентраторами вказаного типу.

На основі отриманих результатів теоретичних і експериментальних досліджень сформульовані нові наукові положення:

- базовим об'єктом, який визначає втомну міцність корпусної конструкції, є не конструктивний вузол, різноманітність яких дуже велика і залежить від типу судна, а найслабкіший за довговічністю типовий осередок концентрації напружень вузла, що дає змогу суттєво зменшити кількість досліджуваних одиниць;

- за умов дотримання діючих у вітчизняному суднобудуванні нормативних вимог щодо виготовлення суднових корпусних конструкцій визначальним фактором утомної довговічності конструктивних вузлів і їх типових осередків концентрації є номінальна навантаженість; це положення відкриває шлях для створення нового розрахункового методу оцінки втомної міцності корпусних конструкцій при "осередковому" підході;

- розробка критеріальних залежностей втомної довговічності (кривих втоми) для типових осередків концентрації конструктивного вузла можлива на основі комбінації деформаційних і силових критеріїв утоми матеріалу, "прив'язку" котрих до типового концентратора достатньо виконати в одній точці, координати якої встановлюються експериментально за результатами втомних випробувань моделей з такими ж концентраторами при конкретних значеннях геометричних параметрів;

- для досліджених осередків концентрації напружень плоского типу наявність в них зварних швів більше як у два рази нівелює вплив важливих геометричних параметрів концентратора на показники довговічності.

Практичне значення одержаних результатів:

1. Створена методологія і розроблено метод розрахунку втомної міцності суднових корпусних конструкцій, в яких основним об'єктом виступає типовий осередок концентрації напружень конструктивного вузла.

2. Отримано базу експериментальних даних із показників втомної міцності трьох типових осередків концентрації, що дозволило встановити координати точки "прив'язки" критеріальних залежностей для вказаних концентраторів і побудувати криві втоми в діапазоні числа циклів від 1 до 108. Ці дані можна безпосередньо використовувати при проектуванні конструктивних вузлів із такими концентраторами.

3. Оцінено вплив основних геометричних параметрів досліджуваних осередків концентрації на показники їх втомної довговічності. Вивчено характер втомних пошкоджень в залежності від типу концентратора, наявності і якості зварних швів в осередковій зоні.

4. Отримана наближена формула для визначення теоретичного коефіцієнта концентрації напружень в осередку типу "злам стінки", яку за визначених умов рекомендовано використовувати для вирішення міцнісних задач, в тому числі при розрахунках на втому.

5. Розроблені практичні методики визначення втомної довговічності конструктивних вузлів із типовими осередками концентрації, допустимого рівня параметрів номінальної навантаженості, а також проектування за показниками втомленості.

Впровадження результатів досліджень. Експериментальні дані про показники втомної довговічності досліджених типових концентраторів напружень використані в ЦКБ "Чорноморсуднопроект" і "Ізумруд" та КБ суднобудівних заводів м. Миколаєва і м. Херсона при проектуванні конструкцій корпусу танкерів і суховантажних суден.

Результати експериментально-теоретичних досліджень і розроблені практичні методики розрахунку втомної міцності і довговічності конструктивних вузлів впроваджено в ЦКБ "Чорноморсуднопроект" при розробці рекомендацій із забезпечення утомної міцності і надійності конструкцій підвищеної технологічності, а також на ВАТ "Херсонський суднобудівний завод" при розробці конструктивно-технологічних рекомендацій щодо виготовлення вузлів головних гофрованих перегородок і виконання зварних з'єднань внутрішнього борту танкерів проекту 15966 з метою підвищення надійності і втомної довговічності корпусних конструкцій.

Матеріали досліджень і експериментально-теоретичний метод розрахунку втомної міцності корпусних конструкцій суден використовуються в Національному університеті кораблебудування імені адмірала Макарова у навчальному процесі при викладанні дисциплін "Будівельна механіка корабля і технічних засобів освоєння океану" і "Спеціальні питання міцності і динаміки суден та морських плавучих споруд", виконанні курсових робіт і дипломних проектів студентами спеціальності 8.100201 "Кораблі та океанотехніка".

Особистий внесок здобувача. Основні положення методології експериментально-теоретичного підходу до створення розрахункового методу оцінки втомної міцності конструктивних вузлів розроблені у співавторстві з В.П. Сусловим, а їх обґрунтування виконано особисто автором. Розрахунковий метод і практичні методики, аналітичні і емпіричні залежності, програми для виконання розрахунків на ПЕОМ і отримані результати, які виносяться на захист, належать особисто автору.

Автором розроблені всі програми і методики експериментальних випробувань моделей з типовими осередками концентрації напружень та інших конструктивних вузлів, які проводились протягом 15 років в лабораторних умовах, а також на натурних об'єктах. Здобувачем особисто отримана низка емпіричних результатів як при статичних, так і циклічних випробуваннях. Ним виконана обробка і аналіз всіх експериментальних даних, сформульовані висновки за результатами виконаних досліджень.

Із наукових праць, які опубліковані у співавторстві, на захист винесені їх основні частини, розроблені особисто дисертантом.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень дисертаційної роботи оприлюднено на науково-технічних конференціях різних рівнів та симпозіумі, зокрема

- міжнародній конференції "Оцінка й обґрунтування продовження ресурсу елементів конструкцій" (6-9 червня 2000 р., Київ, Інститут проблем міцності НАН України);

- ІІ і ІІІ міжнародних конференціях із суднобудування ISC'98 і ISC'2002 (24-26 листопада 1998 р. і 8-10 жовтня 2002 р., Санкт-Петербург, Росія, ЦНДІ ім. акад. О.М. Крилова);

- міжнародній конференції "Современные проблемы концентрации напряжений" (21-25 червня 1998 р., Донецьк, Донецький державний університет);

- двох міжнародних конференціях "Проблемы прочности и эксплуатационной надежности судов" (11-14 вересня 1996 р. і 8-11 вересня 1999 р., Владивосток, Росія, Далекосхідний державний технічний університет);

- міжнародній конференції "Кораблестроение и океанотехника. Проблемы и перспективы" (14-17 вересня 1998 р., Владивосток, Росія, Далекосхідний державний технічний університет);

- міжнародному науково-практичному симпозіумі "Проблеми суднобудування: стан, ідеї, рішення"( 8-10 жовтня 1997 р., Миколаїв, Український державний морський технічний університет);

- міжнародній конференції "Кораблебудування: освіта, наука, виробництво" (24-25 вересня 2002 р., Миколаїв, Український державний морський технічний університет ім. адм. Макарова);

- міжнародній науково-технічній конференції "Безопасность мореплавания и ее обеспечение при проектировании и постройке судов (БМС-2004)" (2004р., Миколаїв, Національний університет кораблебудування ім. адм. Макарова);

- всесоюзній науково-технічній конференції "Проблемы прочности и снижение металлоемкости корпусных конструкций перспективных транспортных судов и плавучих сооружений" (20-22 лютого 1990 р., Ленінград, ВНТО ім. акад. О.М. Крилова);

- науково-технічній конференції "Эксплуатационная и конструктивная прочность судовых конструкций. Девятые "Бубновские чтения"" (5-6 червня 1991 р., Нижній Новгород, Росія, Нижегородський політехнічний інститут);

- науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу МКІ-УДМТУ-НУК у 1988...2006 рр.

Апробація результатів досліджень відбулася також на наукових семінарах в Інституті проблем міцності ім. Г.С. Писаренка та в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України, засіданнях науково-технічної ради з кораблебудування УДМТУ-НУК.

Публікації. Результати досліджень з теми дисертації опубліковані в 38 наукових працях. З них 23 (16 без співавторів) – у збірниках наукових праць, які входять до переліку спеціалізованих видань ВАК України, 12 (8 без співавторів) – у працях і матеріалах міжнародних конференцій та науково-практичного симпозіуму, 3 (1 без співавторів) – у тезах науково-технічних конференцій різних рівнів.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, 7 розділів, висновків, списку використаних джерел і 5 додатків. Загальний обсяг дисертації становить 406 сторінок, з яких 278 основного тексту, 72 рисунки, 40 таблиць, а також 68 сторінок додатків. Список використаних джерел складає 225 найменувань і займає 24 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ містить обґрунтування актуальності теми дисертаційної роботи і її зв’язок з науковими програмами, мету і задачі досліджень, наукову новизну результатів, які виносяться на захист, і їх практичне значення.

Перший розділ дисертації присвячено аналізу втомних пошкоджень суднових корпусних конструкцій, а також методів оцінки їх втомної міцності, які використовуються нині у вітчизняному суднобудуванні.

Розглянуто значну кількість публікацій щодо дослідження пошкоджуваності конструкцій корпусу в умовах змінного навантажування. Автори цих досліджень М.В. Барабанов, А.С. Брикер, Г.В. Єгоров, М.О. Іванов, В.В. Козляков, С.М. Кононенко, В.Т. Луценко, О.І. Максимаджі, В.В. Новіков, О.І. Свєчніков, Г.П. Шемендюк та інші вказують на наявність втомних пошкоджень в корпусах всіх типів морських суден (старих і новозбудованих), а також суден обмеженого і змішаного районів плавання. Пік інтенсивності таких пошкоджень припадає на 10...14 роки експлуатації. Основною причиною виникнення втомних тріщин визнана концентрація напружень в конструктивних вузлах. У більшості випадків зростання кількості тріщин спостерігається в межах 1/3...1/4 довжини судна від носового і кормового перпендикулярів.

На рекласифікованих суднах змішаного плавання кількість утомних тріщин, як правило, визначається терміном його експлуатації на морі. Самі тріщини в рівній мірі виявляються як в базових конструкціях, так і в додатково встановлених для підвищення загальної і місцевої міцності такого типу суден.

Виникнення втомних тріщин в корпусах старих і новозбудованих суден говорить про необхідність удосконалення вимог "Правил" класифікаційних товариств щодо забезпечення міцності конструктивних вузлів при змінних навантаженнях. Цього можна досягти на основі узагальнення результатів експериментально-теоретичних досліджень, отриманих із використанням надійних методів оцінки втомної довговічності корпусних конструкцій.

Не дивлячись на великий об’єм досліджень в області втоми матеріалів, зварних з’єднань і конструкцій, викладених у фундаментальних працях відомими фахівцями Г.В. Бойцовим, В.М. Волковим, А.П. Гусенковим, В.І. Дворецьким, В.С. Івановою, В.П. Когаєвим, В.В. Козляковим, С. Коцаньдою, І.В. Кудрявцевим, О.І. Максимаджі, М.А. Махутовим, П.П. Міхеєвим, В.Х. Мюнзе, О.М. Палієм, В.В. Панасюком, С.В. Петіновим, О.М. Романівим, С.В. Серенсеном, В.О. Стрижалом, В.Т. Трощенком, В.І. Труфяковим, Р.Б. Хейвудом, С.Я. Яремою та іншими, поки що не створено достатньо досконалих розрахункових методів для оцінки втомної міцності вузлів тонкостінних конструкцій, які б забезпечували також вирішення проектувальних задач за показниками втомленості.

У суднобудуванні існують два принципово різні підходи щодо розрахункових досліджень утоми конструкцій. Перший базується на прийомах порівняльного аналізу втомної довговічності з базовою конструкцією, а другий – на прямих абсолютних оцінках показників утоми.

Серед методик порівняльного типу виділено методики О.І. Максимаджі і В.В. Козлякова. В їх основу покладено силовий критерій руйнування матеріалу і лінійна гіпотеза підсумовування пошкоджень. Використовуючи статистичний підхід В.В. Болотіна, автори за прийнятим законом довгочасного розподілу номінальної напруженості (Релея в першій методиці і Вейбулла у другій) отримали розрахункову формулу для довговічності конструкцій у часі . Таку ж довговічність можна за прийнятих умов визначити і для базової конструкції, в якій не виявлено втомних пошкоджень за весь експлуатаційний період. Тоді маємо змогу оцінити надійність досліджуваної конструкції відношенням .

Розрахункові методи, якими можна отримати прямі оцінки показників довговічності вузлів суднових конструкцій, більш складні. У вітчизняному суднобудуванні використовуються емпіричний метод ЦНДІ ім. акад. О.М. Крилова (Г.В. Бойцов, О.М. Палій) і теоретичний (деформаційний) метод С.В. Петінова.

В першому методі за показник утомної міцності вузла прийнято ефективний коефіцієнт концентрації напружень, який представляє собою відношення

де – границя обмеженої витривалості на базі N циклів, а – така ж границя для конструктивного вузла, що встановлюється за результатами втомних випробувань моделі. Кінцева розрахункова формула для побудована на силовому критерії втоми матеріалу і вузла, враховує вплив на довговічність зварних швів і характеристик матеріалу. На основі лінійної гіпотези підсумовування пошкоджень при довгочасному розподілі номінальних напружень вузла за законом Вейбулла отримана формула для оцінки його втомної довговічності.

Для практичного наповнення розрахункової методики фактичними даними про коефіцієнт в ЦНДІ ім. акад. О.М. Крилова проведено декілька серій випробувань на втому моделей конструктивних вузлів, виготовлених із сталей п’яти марок. Використавши ці дані, а також результати випробувань інших дослідників, побудовано таблицю значень для 32 конструктивних вузлів, яку рекомендовано використовувати на практиці.

Метод С.В. Петінова, в основу якого покладено деформаційний критерій втоми матеріалу Ленджера і лінійну гіпотезу підсумовування пошкоджень, потребує попереднього розрахунку розмаху повної пружнопластичної деформації в зонах концентрації напружень конструктивного вузла. Визначення такої деформації навіть сучасними числовими методами є досить складною задачею, так як необхідно враховувати особливості локальної геометрії в осередковій зоні.

На основі проведеного аналізу встановлено, що методи, які базуються на визначенні абсолютних показників довговічності, мають певні обмеження, пов'язані з великим різноманіттям вузлів, їх складністю, необхідністю врахування локальної геометрії в осередку концентрації напружень. Розрахункові залежності цих методів прямо не відображають вплив на довговічність геометричних параметрів, чим суттєво утруднюється рішення проектувальних задач. Тож виникає нагальна потреба у розробці такого методу розрахунку втомної міцності конструкцій, який був би вільним від вказаних вище недоліків.

У другому розділі сформульовані основні принципи і положення щодо розробки нового методу розрахункової оцінки втомної міцності корпусних конструкцій судна. Показано, що при існуючому нині рівні дотримання вимог на виготовлення конструкцій в умовах суднобудівних заводів визначальним фактором втомних пошкоджень виступає напружено-деформований стан. Інші фактори, в першу чергу технологічного характеру, є менш значимі.

Утомна міцність конструкції визначається найслабкішим за довговічністю конструктивним вузлом з наявними в ньому осередками концентрації напружень. З метою зменшення кількості об'єктів досліджень за первинний об'єкт приймається не сам вузол, а окремі його типові осередки концентрації з оточуючими їх невеликими зонами ("осередковий" підхід). Напруження на границях цих зон розглядаються як номінальні, по відношенню до яких встановлюються показники втомної довговічності осередку концентрації напружень.

Для конструктивних вузлів введено два рівні номінальних напружень: вузлових і осередкових. У загальному випадку зв'язок між цими рівнями можна встановлювати розрахунковим або експериментальним методами. Проте, коли в межах вузла знаходиться один осередок концентрації або декілька незалежних між собою, вказані два рівні номінальних напружень ототожнюються. Основними параметрами таких напружених станів прийнято розмах , максимальне номінальне напруження , а також характеристику циклу змінних напружень. На основі детального аналізу показано, що в задачах втомної міцності суднових корпусних конструкцій за характеристику циклу номінальних напружень доцільно прийняти параметр , який представляє собою відношення середніх напружень циклу до розмаху . Рівень концентрації напружень в типових осередках концентрації прийнято визначати теоретичним коефіцієнтом концентрації KT та коефіцієнтами концентрації напружень K і деформацій K при пружнопластичному деформуванні.

Викладена практична схема реалізації експериментально-теоретичного "осередкового" підходу при розробці методу розрахунку втомної міцності конструкцій (вузлів), яка включає:

) визначення експлуатаційної навантаженості конструктивних вузлів за діючими "Нормами міцності" або прямими розрахунками загальної і місцевої міцності конструкцій корпусу;

) розробку критеріальних залежностей втоми для типових осередків концентрації напружень;

) оцінку втомної міцності конструктивних вузлів на основі лінійної гіпотези підсумовування втомних пошкоджень.

Деталізована процедура вирішення основної задачі при розробці нового методу – отримання критеріальних залежностей (кривих втоми) для типових осередків концентрації напружень. Такі залежності доцільно розробляти на основі деформаційних і силових критеріїв утомленості матеріалу, "прив'язку" яких до типового осередку концентрації треба виконати за експериментально встановленими на моделях показниками втомного руйнування в осередку з конкретною геометрією.

У третьому розділі наведена класифікація типових концентраторів напружень конструктивних вузлів і проаналізовані способи визначення їх експлуатаційної навантажуваності.

Викладені існуючі в суднобудуванні підходи до класифікації вузлів корпусних конструкцій. Вказано, що частіше всього класифікація будувалася за технологічними або конструктивними ознаками. Це призводило до великої кількості вузлів одного функціонального призначення. Суттєвим кроком вперед у цій області треба визнати праці А.І. Бронського і Г.П. Шемендюка. Останній при побудові класифікаційної схеми виділив три основні ознаки: функціональність, спосіб формування вузлів і їх технологічність.

З точки зору оцінки міцності вузлів визначальною ознакою виступає функціональність, яка дозволяє відрізняти вузли за силовими умовами роботи у складі корпусу. За цією ознакою Г.П. Шемендюком виділено три класи вузлів, кожен з яких поділяється на групи фактично за конструктивним принципом. У вказаних групах виділені підгрупи за характером дії навантажень.

Аналіз великої кількості конструкторської документації по корпусу різних за призначенням суден дозволив виявити у вузлах типові осередки концентрації напружень конструктивного характеру. Їх загальна кількість близька до 20 без урахування в окремих випадках різних варіантів виконання концентратора одного і того ж типу. Складена таблиця типових осередків концентрації, де вказані їх номери і всі можливі комбінації сумісної дії простих видів навантажень: рівномірного одновісного розтягування (стискання), згину в площині плоского елемента і зсуву. Ці осередки прийнято класифікувати за двома основними ознаками – формою і характером навантаження. За формою вони поділені на плоскі і просторові. Останні мають у своєму складі один або декілька елементів, що розташовуються у взаємно перпендикулярних площинах. Таких осередків більшість. За характером навантаження виділені типові осередки з простим видом номінального навантаження і складним, який являє собою комбінацію простих видів.

Типові осередки концентрації можуть мати декілька небезпечних точок, в яких можливе порушення втомної міцності. Це пов'язано із наявністю в таких осередках елементів складної геометрії, а також зварних швів різних типів і орієнтації. До того ж, положення небезпечних зон залежить і від співвідношення простих видів навантажень у випадку їх одночасної дії. Проте, у випадках простих навантажень, небезпечні точки в зонах концентрації визначаються однозначно.

Наведено принципову схему побудови довгочасного розподілу сумарних номінальних напружень у вузлах, запропоновану В.В. Козляковим. За цією схемою сумарне напруження від декількох типів хвильових випадкових навантажень , що призводять до різних видів деформування, представляється у вигляді лінійної функції

де – невипадкові коефіцієнти пропорційності між номінальними напруженнями вузла і навантаженнями , які визначаються звичайними методами будівельної механіки корабля із урахуванням макроконцентрації. Така форма подання сумарних номінальних напружень дає можливість визначити їх середнє значення і дисперсію а також стандарт , як частку стандарту номінальних напружень міделевого перерізу від згинання корпусу у вертикальній площині через деякий узагальнений коефіцієнт концентрації напружень у вузлі . Тоді за відомим стандартом на кожному стаціонарному режимі і прийнятим законом розподілу можна на основі формули повної ймовірності побудувати довгочасний розподіл сумарних номінальних напружень у вузлі.

Викладена схема побудови довгочасного розподілу сумарних напружень потребує детальної інформації про напружений стан вузла з урахуванням макроконцентрації, ймовірнісні характеристики зовнішніх навантажень та відповідні коефіцієнти кореляції між ними. Недостатня вивченість вказаних величин поки що не дозволяє отримувати надійні результати за такою схемою.

У порівнянні з наведеною схемою більш простий шлях визначення характеристик циклічної номінальної навантаженості вузлів можна практично реалізувати на основі норм допустимих напружень, які прийняті в "Нормах міцності" морських суден, і лінійного закону кумулятивного довгочасного розподілу. Основні труднощі на такому шляху пов'язані з тим, що вказаними "Нормами" не встановлюються допустимі рівні для сумарних напружень в елементах корпусу. Проте в окремих випадках, наприклад, для поздовжнього набору і відповідних вузлів, допустимі напруження від місцевого навантаження встановлюються в залежності від їх участі в загальному згинанні корпусу.

На конкретних прикладах показано визначення сумарних номінальних напружень для вузлів у поздовжньому напрямку, які утворюються рамними поздовжніми днищевими балками (вертикальним кілем, стрингерами), поздовжніми ребрами жорсткості днищевої обшивки, другого дна, верхньої палуби, а також борту. Першою складовою сумарних напружень для вузлів палуби і днища є напруження від загального згинання корпусу, яке при нормованих значеннях коефіцієнтів запасу визначається за формулами:–

в настилі палуби –

в днищевій обшивці

де – нормативна границя плинності матеріалу, а , – відповідно відстань настилу палуби і обшивки днища від нейтральної осі поперечного перерізу корпусу. Інші складові сумарних напружень від дії місцевого навантаження на перекриття, ребра жорсткості і пластини визначаються відповідно на основі стержневих розрахункових схем, технічної теорії згинання балок і жорстких пластин. При визначенні поперечної навантаженості зазначених вузлів не враховуються напруження від загального згинання корпусу у вертикальній площині.

Отримані розрахункові формули для визначення параметрів навантаження конструктивних вузлів у поздовжньому і поперечному напрямках прості за структурою і можуть використовуватись при оцінках втомної міцності конструкцій у першому наближенні.

У четвертому розділі дисертації викладені основні положення з розробки критеріальних залежностей втомної довговічності типових осередків концентрації напружень і отримані такі залежності. Вони дозволяють побудувати криву втоми у діапазоні числа циклів від 1 до 108. В основу цих залежностей покладені деформаційні і силові критерії втоми матеріалу, "прив'язка" яких до типового концентратора виконується в одній точці. Координати цієї точки , встановлюються за результатами втомних випробувань моделей з осередками концентрації даного типу при конкретних геометричних параметрах. За рівень утомного руйнування при пружнопластичному деформуванні в осередковій зоні прийнята довжина видимої тріщини ...2 мм.

Весь діапазон утомної довговічності від 1 до 108 циклів умовно поділено на малоциклову і багатоциклову області. Тож за умови пружнопластичного деформування в осередковій зоні виконано "прив'язку" якраз деформаційного критерію втоми матеріалу. В багатоцикловій області перевага віддана силовому критерію, який дозволяє без особливих труднощів реалізувати пристиковування до деформаційного критерію.

Розглянуто чотири найбільш поширені деформаційні критерії Менсона, Ленджера, Махутова і Дюбюка, які представлені єдиною залежністю типу

де – розмах повної пружнопластичної деформації; – число циклів до появи втомної тріщини; – параметри, які залежать від властивостей матеріалу, а також коефіцієнтів асиметрії циклів напружень і деформацій .

Процедура "прив'язки" деформаційного критерію матеріалу до типового осередку концентрації в точці , можлива при наявності зв'язку між розмахом зведеної пружнопластичної деформації в осередку концентрації і відповідним розмахом номінальних

напружень , який прийнято у вигляді

де – значення розмаху зведеної деформації, розрахованої за прийнятим деформаційним критерієм утоми матеріалу при ; – функція, яка залежить від геометричних параметрів осередку концентрації; – залежний від властивостей матеріалу показник степені.

Побудову функції і встановлення значення показника степені можна практично здійснити шляхом обробки експериментальних даних втомних випробувань моделей з осередками концентрації даного типу або на основі наближених залежностей для пружнопластичних деформацій в концентраторах напружень. Останній шлях менш трудомісткий. Тож на основі проведеного аналізу для вирішення даної задачі використано наближену залежність Нейбера

де – коефіцієнти концентрації деформацій і напружень в пружнопластичній області, а  – теоретичний коефіцієнт концентрації, який відповідає умові пружного деформування матеріалу.

У випадку степеневої апроксимації діаграми деформування матеріалу -

де – границя плинності матеріалу, а – модуль пружності при розтягуванні, отримано такі формули для функції та показника :

В першій формулі величини з індексом "0" відносяться до моделі з типовими концентраторами, при втомних випробуваннях якої з розмахом номінальних напружень отримано експериментальний результат довговічності .

Число циклів , яким весь діапазон числа циклів від 1 до 108 умовно поділяється на малоциклову і багатоциклову області, визначено із деформаційної залежності при :

Тож "прив'язку" деформаційного критерію втоми матеріалу до осередку концентрації виконуватимемо за умов і в точці з координатами і . Використуючи залежність, яка зв'язує розмах номінальних напружень з розмахом зведеної пружнопластичної деформації в типовому осередку, отримано таку формулу для відносного розмаху номінальних напружень:

Відповідне значення силового параметру визначиться попередньою формулою при .

При маємо два крайні випадки: і . Першій рівності відповідають такі значення залежності

Враховуючи зв'язок між і у вигляді

отримано такі формули для вказаних силових параметрів:

Цикловий параметр визначиться із виразу для при .

На ділянці малоциклової області, де число циклів задовольняє умові , з очевидним запасом залежність між і відносним розмахом напружень прийнята лінійною, що дало змогу записати

Таким чином, в малоцикловій області маємо дві ділянки, які за числом циклів визначаються умовами і . Третя ділянка відноситься до багатоциклової області. Тут використано силовий критерій втоми матеріалу Хейвуда

де – розмах і середнє напруження циклу; – границя міцності матеріалу; , – коефіцієнти, які залежать від властивостей матеріалу і встановлюються експериментально.

Приймаючи коефіцієнт відомим ( =0,00125 при наявності в осередку концентрації сталевої конструкції зварних швів і =0,0038 при їх відсутності), із умови стиковки силового критерію Хейвуда до правого кінця другої ділянки малоциклової області матимемо таку формулу для визначення :

,

де

; .

Тож для багатоциклової області з урахуванням асиметрії циклу напружень за наближеною формулою Гудмана отримано таку критеріальну залежність:

яка описує третю ділянку кривої втоми узагальненого типового концентратора при =0,0028 у випадку наявності в осередку концентрації зварних швів і =0,008 за їх відсутності. У напівлогарифмічній системі координат , ця крива представлена на рис. 1.

У випадку використання деформаційного критерію Ленджера критеріальні залежності втоми типового концентратора сталевої конструкції будуть найпростішими за структурою. До того ж, представлені на рис. 2 криві втоми для деякого умовного концентратора на основі чотирьох деформаційних критеріїв утоми матеріалу при віднульовому ( =0,5) циклі напружень показують, що вказаний критерій забезпечує надійні результати на всьому діапазоні числа циклів від 1 до 108. Це дало підставу на основі критерію Ленджера представити в остаточному вигляді критеріальні залежності втоми узагальненого типового осередку концентрації при таким чином:

ділянка I

ділянка II

ділянка III

де

У наведених формулах , , , , – характеристики матеріалу конструкції; , – розмах і середнє напруження циклу номінального навантаження; – число циклів до появи втомної тріщини; , – розмах номінальних напружень і число циклів до появи тріщини, встановлене при втомних випробуваннях моделі; , – коефіцієнти, числове значення яких залежить від наявності в концентраторі зварних швів; – функція геометричних параметрів осередку концентрації напружень.

П'ятий розділ присвячено експериментальним дослідженням міцності конструктивних вузлів з типовими концентраторами напружень в умовах циклічного і статичного навантажень.

Експериментальні випробування на втому моделей конструктивних вузлів, виготовлених із суднокорпусних сталей, виконані з метою отримання даних про показники довговічності в типових осередках концентрації в залежності від рівня номінальних напружень і геометричних параметрів концентратора. Циклічним навантаженням піддавалися моделі з трьома типами осередків концентрації – з концентраторами "злам стінки" плоского 14А (рис. 3) і просторового 15А (рис. 4) типів, а також з плоским концентратором типу 13, який реалізований в моделях "хрестовин" (рис. 5).

Утомні випробування моделей виконувались на спеціальній машині для малоциклових випробувань УМЭ-10ТМ, а також на двох модифікованих машинах Р-100 і УММ-200, які дообладнані блоком пульсації. Максимальні розтягуючі зусилля циклу названих машин відповідно дорівнюють 100, 650 і 1000 кН, а частота навантажень – 0,15, 0,60 і 0,30 Гц. Як правило, цикл навантажень був близьким до віднульового. Моделі з концентраторами типу 14А випробовувались на машинах УМЭ-10ТМ і УММ-200, а з концентраторами 13 і 15А – на машинах УММ-200 і Р-100. Поверхневі втомні тріщини виявлялись за допомогою мікроскопа МПБ-2.

При дослідницьких випробуваннях на втому варіювались рівень номінальних напружень і геометричні параметри типових концентраторів. Такі випробування, окрім декількох, відносились до малоциклових, оскільки утворення втомних тріщин і руйнування моделей відбувалось при повторно-пластичному деформуванні в осередках концентрації.

Основна серія втомних випробувань плоских моделей (51 шт.) габаритними розмірами 300?100 мм і товщиною   мм з осередками концентрації типу 14А (див. рис. 3, а) виконана при

радіусах закруглення в місці зламу мм і мм. При цьому, кут зламу кромки збільшувався з кроком 15° до прямого. В залежності від розмаху номінальних напружень , меншому границі плинності матеріалу 340 МПа, отримано великий обсяг даних про показники довговічності при довжині тріщини в концентраторі ~1мм. Як приклад, на рис. 6 для трьох кутів зламу кромки при радіусі закруглення мм представлена залежність числа циклів від

розмаху напружень Середні значення довговічності  в типових концентраторах