Расчет прочности корпуса судна
 Скачать 2.55 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования СЕВАСТОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ МОРСКОЙ ИНСТИТУТ Кафедра «Океанотехника и кораблестроение РАСЧЕТ ПРОЧНОСТИ КОРПУСА СУДНА Методические указания к выполнению практических заданий Севастополь СевГУ 2020 УДК 629.5.015.4(076.5) ББК я Р Рецензент КВ. Перепадя – кандидат технических наук, доцент Составители: В.С. Игнатович, МГ. Балашов, А.В. Кузьмина, А.В. Родькина Р Расчет прочности корпуса судна : методические указания к выполнению практических заданий / Сост. В.С. Игнатович, МГ. Бала- шов, А.В. Кузьмина, А.В. Родькина ; Министерство науки и высшего образования РФ, Севастопольский государственный университет. – Севастополь : СевГУ, 2020. – 46 сил Текст электронный. Настоящие методические указания предназначены для оказания методической помощи студентам по направлению подготовки 26.03.02 Кораблестроение, океанотехника и системотехника объектов морской инфраструктуры и специальности Проектирование и постройка кораблей, судов и объектов океано- техники при выполнении практических заданий по дисциплине Прочность корабля и объектов океанотехники». УДК 629.5.015.4(076.5) Рассмотрены и рекомендованы на заседании кафедры «Океанотехника и кораблестроение в качестве методических указаний к выполнению практических заданий по дисциплине Прочность корабля и объектов оке- анотехники» студентами направления подготовки 26.03.02 Кораблестроение, океанотехника и системотехника объектов морской инфраструктуры и специальности 26.05.01 Проектирование и постройка кораблей, судов и объектов океанотехники, протокол № 8 от 26 мая 2020 г. © ФГАОУ ВО Севастопольский государственный университет, 2020 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение ............................................................................................................... Практическое задание 1. Определение внешних сил, вызывающих общий изгиб судна .............................................................................................. Практическое задание 2. Определение изгибающих моментов и перерезывающих сил при общем изгибе судна ............................................. Практическое задание 3. Расчёт характеристик эквивалентного бруса и определение нормальных и касательных напряжений в связях корпуса от общего изгиба судна ..................................................................... Практическое задание 4. Проверка продольной прочности корпуса по Правилам Регистра ............................................................................................ Практическое задание 5. Проверка продольной прочности корпуса по Нормам прочности ............................................................................................ Практическое задание 6. Проверка местной прочности конструкций корпуса ............................................................................................................... Библиографический список. 46 4 ВВЕДЕНИЕ Методические указания составлены в соответствии с программой дисциплины Прочность корабля и объектов океанотехники», предусмотренной действующим учебным планом направления подготовки 26.03.02 Кораблестроение, океанотехника и системотехника объектов морской инфраструктуры и специальности 26.05.01 Проектирование и постройка кораблей, судов и объектов океанотехники. Дисциплина Прочность корабля и объектов океанотехники» включает проблемы оценки внешних и внутренних сил применительно к корпусным конструкциям, а также проблемы нормирования прочности и оптимального проектирования корпуса. При выполнении практических заданий обучающимися используются теоретические методы расчета конструкций, изученные в дисциплине Строительная механика корабля. Выполнение расчетов прочности корпуса невозможно без глубокого знания конструкций судов, рассматриваемых при изучении дисциплины Конструкция корпуса судов, Конструкция корпуса кораблей, судов и объектов океанотехники», а также основных положений теории корабля плавучесть, начальная остойчивость, качка. С учетом изложенного целью методических указаний является оказание методической помощи при выполнении практических заданий, развития умения использования полученных в указанных выше дисциплинах теоретических и практических знаний. При подготовке материала методических указаний авторы в основном руководствовались Международной системой единиц СИ. Однако в отдельных случаях для удобства применены единицы измерения физических величин, принятых Правилах Регистра [1] (далее Правилам, нормативах и расчетах, используемых в судостроении. В этом случаев квадратных скобках указывались результаты в единицах системы СИ. Программой дисциплины предусмотрено выполнение практических заданий, темой которых является расчет общей и местной прочности корпуса судна. Рассмотрены основные методы вычисления изгибающих моментов и перерезывающих сил при общем изгибе корпуса судна на тихой воде и волнении. Изложены требования Правил классификации и постройки морских судов Регистра к определению момента сопротивления поперечного сечения и жесткости корпуса судна, а также рекомендации Норм прочности 1988 [2] по проверке общей прочности корпуса по критериям эксплуатационной и предельной прочности. Приведены способы расчета пластин, ребер жесткости и перекрытий. Для проверки прочности перекрытий рекомендуется расчет по методу конечных элементов, для которого на кафедре имеется программа, реализованная на ЭВМ. При выполнении расчетов прочности студентам рекомендуется принять вариант судна, основные размеры и конструкция которого были определены при разработке курсового проекта по дисциплине Конструкция корпуса судов, Конструкция корпуса кораблей, судов и объектов океанотехники». 6 Практическое задание 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВНЕШНИХ СИЛ, ВЫЗЫВАЮЩИХ ОБЩИЙ ИЗГИБ СУДНА Цель работы. Выполнить разбивку масс судна на статьи нагрузки, распределить статьи по теоретическим отсекам, определить центр тяжести судна и построить кривую масс. 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ 1.1. Внешние силы, вызывающие общий изгиб судна Корпус судна представляет собой тонкостенную коробчатую балку переменного сечения, находящуюся под действием масс и сил поддержания воды. Действующие на корпус судна силы поддержания и весовая нагрузка и массы распределяются по его длине по различным законам, не являются уравновешенными на каждом участке (теоретическом отсеке) и вызывают общий изгиб корпуса. Вследствие этого в поперечных сечениях корпуса возникают изгибающие моменты и перерезывающие силы, которые вызывают в них соответствующие напряжения. Чтобы установить величины изгибающих моментов и перерезываю- щих сил, необходимо построить эпюру нагрузки, которая получается алгебраическим суммированием весовой нагрузки и сил поддержания воды в каждом сечении корпуса судна. Интегрируя кривую нагрузки два раза по длине, получают последовательно кривые перерезывающих сил и изгибающих моментов. Изгибающие моменты и перерезывающие силы при общем изгибе корпуса принято подразделять наследующие. а) Изгибающий момент и перерезывающая силана тихой воде, возникающие в поперечных сечениях судна вследствие неуравновешенности весовой нагрузки и сил поддержания воды в каждом сечении б) Волновой изгибающий момент и перерезывающая силана волнении, возникающие в поперечных сечениях судна, находящегося на взволнованной поверхности воды и испытывающего качку, вследствие изменения профиля действующей ватерлинии по отношению к уровню спокойной воды. Расчёт волновых моментов при качке на нерегулярном волнении требует большой вычислительной работы, поэтому, согласно установившейся практике, до последнего времени использовалась традиционная схема статической постановки судна на волну, высота которой устанавливалась с учётом вероятностного характера волнового процесса. Более точное значение волновых изгибающих моментов и перерезывающих сил даёт методика, рекомендуемая Регистром [1] и Нормами прочности [2]. 7 в) Изгибающий момент и перерезывающая сила от удара о волну (слеминга) оголяющейся при продольной качке носовой оконечности днища корпуса в настоящем задании не определяется. 1.2. Распределение весовой нагрузки судна по теоретическим отсекам Для определения изгибающего момента необходимо распределение весовой нагрузки по длине судна [3]. Условимся разбивать длину судна на 20 равновеликих отсеков (теоретических шпаций, счёт теоретических шпангоутов вести с кормы внос. Ось Х направлена внос, начало координат на миделе. Для построения кривой нагрузки необходимо иметь данные о расположении по длине судна всех грузов, составляющих водоизмещение судна а) укрупнённые статьи нагрузки, включающие в себя вес всех грузов, корпуса и оборудования б) чертёж продольного разреза судна с расположением поперечных переборок, позволяющий определить районы, занимаемые каждым грузом в отдельности. Разбивка отдельных составляющих нагрузки по теоретическим щпа- циям должна проводиться так, чтобы сохранялась величина нагрузки и положение ее центра масс. При практическом построении кривой весовой нагрузки необходимо учитывать следующие правила. а) Вес данного груза , распределённого по какому-либо закону на протяжении одного или двух смежных отсеков (рис. 1.1), представляется эквивалентными ему равномерно распределёнными в двух смежных отсеках нагрузками Р и Р, равными { ( ) ( ) (1) где – теоретическая шпациям длина суднам отстояние центра тяжести груза от го шпангоутам. Такой способ разложения нагрузки даёт возможность сохранить её величину и положение центра тяжести. 8 Рис. 1.1. Разбивка весовой нагрузки по теоретическим шпациям б) Если центр тяжести сосредоточенного груза совпадает с границей двух теоретических шпаций, ток каждой из шпаций следует относить массу, где – полный вес груза, т в) Грузы массой могут быть равномерно разнесены по всей длине шпации, независимо от действительного положения их центра тяжести. г) Если груз равномерно распределён на части длины судна, то такой груз можно разбить на 3 составляющие, , . Среднюю часть следует расположить равномерно на полностью загруженные отсеки, ас частями и поступить так, как указано в пунктах аи в д) если на судне имеются грузы, центры тяжести которых находятся за пределами крайних (0 и 20) шпангоутов (выступающие части, то они учитываются в нагрузке тяжести следующим образом. Груз Р с центром тяжести, отстоящим на расстоянии «c» от крайнего шпангоута, заменяется двумя распределёнными нагрузками Нагрузка прибавляется к нагрузке крайней шпации, а вычитается из нагрузки шпации, смежной с крайней шпацией, Р ( 3 с) Р ( 1 се) Распределение нагрузки металлического корпуса по длине судна производится в виде трапеции, изображённой на рис. 1.2. Значение ордината, вис в долях отданы в табл. 1.1, где – нагрузка корпуса судна, т. 9 Таким образом, нагрузка корпуса на i – j шпации определяется по формуле Р) Рис. 1.2. Весовая нагрузка корпуса, представленная в виде трапеции Таблица Значения ордината, в, с Коэффициенты полноты а в с Острые 0,7 0,65 1,20 0,57 Полные > 0,7 0,71 1,17 0,60 Все грузы, приходящиеся на каждую теоретическую шпацию, суммируют и разносят равномерно по длине шпаций, получают ординаты кривой масс x P , соответствующие средним ординатам шпаций. Для облегчения контроля вычислений и большей их наглядности разбивку масс по отсекам следует производить в табличной форме (табл. 1.2). На основании данных таблицы 1.2 можно определить абсциссу центра тяжести суднам) Поданным строки сумма сверху следует построить гистограмму масс x P , которая показывает распределение масс, составляющих водоизмещение судна, по длине судна. Для расчёта изгибающих моментов, перерезывающих сил необходимы следующие исходные данные, приведённые в табл. 1.2 и 1.3. 10 Таблица Распределение нагрузки по шпациям Укрупненные статьи нагрузки Масса по нагрузке, т Шпация Суммы слева 0 -1 1 -2 2 -3 3 -4 4 -5 5 -6 6 -7 7 -8 8 -9 9 -10 10 -11 11 -12 12 -13 13 -14 14 -15 15 -16 16 -17 17 -18 18 -19 19 -20 1. Корпус собору- довани- ем 2. Механизмы. Груз 4. Снаб- Снаб- жение экипажа. Запас водоизмещения. Запас топлива Произ- Примечание к табл. 1.2. Множители, представляют собой условные по вертикали и горизонтали должны быть равны. Таблица Распределение нагрузки массы по шпациям Шпация Нагрузка по шпациям 0-1 1-2 …… 18-19 19-20 абсциссы центра тяжести шпации от миделя. Произведения – условные моменты. Числа столбца Величина нагрузки и Сумма слева должны совпадать. Суммы 1 Σ 2 = Σ 1 x Σ 2 = Σ 1 x ведения Σ Σ 1 Множители х плеч 2. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА Отчет должен содержать разбивку нагрузки судна на статьи, распределение статей по теоретическим отсекам в табличной форме, определение центра тяжести судна и построение кривой нагрузки. 3. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1) Назовите внешние силы, вызывающие общий изгиб судна. 2) Основные статьи нагрузки и их распределение по длине судна. 3) Метод распределения веса корпуса по длине судна. 4) Определение центра тяжести судна по длине. 5) Построение кривой веса судна по длине. 12 Практическое задание 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИЗГИБАЮЩИХ МОМЕНТОВ И ПЕРЕРЕЗЫВАЮЩИХ СИЛ ПРИ ОБЩЕМ ИЗГИБЕ СУДНА Цель работы Определить ординаты теоретических шпангоутов для вычисления погруженного объёма корпуса. Используя результаты разбивки нагрузки масс по теоретическим шпациям, по программе STH на ЭВМ выполнить расчет изгибающих моментов и перерезывающих сил на тихой воде и на волнении. Построить соответствующие эпюры изгибающих моментов и перерезывающих сил. 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ 1.1. Определение исходных данных для расчета изгибающих моментов и перерезывающих сил при общием изгибе судна Для расчета сил поддержания необходимо определить по теоретическому чертежу рассматриваемого судна или близкого прототипа ординаты теоретических шпангоутов для разных ватерлиний, по которым вычисляются силы поддержания для различных режимов волнения. Суммарная нагрузка от сил веса корпуса и сил поддержания дважды интегрируется, в результате чего определяются перерезывающие силы и изгибающие моменты на тихой воде, вершине и подошве волны. Вычисление перерезывающих сил и изгибающих моментов производится по программе STH, основными этапами работы которой являются – построение и печать масштаба Бонжана; – вычисление трохоидального профиля волны – удифферентовка судна – вычисление перерезывающих сил и изгибающих моментов. Результаты расчёта на ЭВМ выдаются в табличной и графической форме с указанием значений изгибающих моментов и перерезывающих сил на каждом теоретическом шпангоуте на тихой воде, на вершине и подошве волны. Поданным расчёта следует выполнить анализ, включающий в себя установление характера изгиба корпуса на тихой воде и на волнении, определение расчётных значений перерезывающих сил и изгибающих моментов. Запуски выполнение программы Программа расчета хранится в директории STH и называется STH.EXE. Для запуска программы Вам нужно войти в директорию проекта, набрать командную строку диски нажать клавишу “Enter”. 13 Файл исходных данных должен иметь имя XXXXXXXX.DAT, где XXXXXXXX – идентификатор проекта – произвольная буквенно- цифровая комбинация не более ми символов. После запуска программы на экране появятся комментарии и диалог для ввода данных. Начинает работу программа расчета перерезывающих сил, изгибающих моментов и прогибов. Укажите идентификатор проекта без расширения) Задайте высоту волны в метрах при нулевом значении постановки на волну не будет При высоте волны равной 0 длина волны не запрашивается (задается равной Если высота волны не 0, то Задайте длину волны в метрах Далее запрашивается Плотность воды 1.025 т/м^3 (Y/N): Для подтверждения нажать клавишу “Enter”. Если ответ “N”, то Задайте плотность воды После этого на экран выдается вся информация, введенная в диалоге, и предоставляется возможность ее проверки и подтверждения Вы ввели общие данные для расчета Файл с описанием корпуса Е ... Плотность воды ... Шпация ... Количество шпангоутов ... Длина волны ... Высота волны ... Моменты инерции заданы (не заданы) Вас устраивают эти данные Для подтверждения достаточно нажать клавишу “Enter”. Если “N”, программа заканчивает работу сообщением Ошибка при вводе исходных данных. В противном случае программа начнет расчет, взяв остальные исходные данные из файла описания проекта (см. п. Результаты счета и масштаб Бонжана будут помещены программой в файлы, находящиеся в той же директории, что и файл описания проекта, с именами XXXXXXXX.REZ – результаты XXXXXXXX.BON – масштаб Бонжана, где XXXXXXXX – идентификатор проекта. 14 Вы можете просмотреть их с помощью любого текстового редактора и при необходимости вывести на печать. Файл описания проекта Вся необходимая информация по проекту должна содержаться втек- стовом файле MS DOS, так называемом файле описания проекта. Файл описания проекта должен иметь имя (называемое в дальнейшем – идентификатор проекта) и расширение .DAT , например 11570.DAT , где 11570 – идентификатор проекта. В нем пользователь должен задать следующие исходные данные Количество шпангоутов (целое число <=50); Длина шпации (м, действительное положительное число Модуль Юнга (т/м 2 ) Моменты инерции (м) Обводы корпусам) Нагрузки (т) Количество шпангоутов, длина шпации и модуль Юнга задаются в удобном для Вас виде, разделенные пробелами (не имеет значения на одной или разных строках. Массиву моментов инерции должна предшествовать строка Моменты инерции Массив моментов инерции заносится с новой строки в форме положительных десятичных чисел с интервалом между ними по меньшей мере в один пробели может занимать произвольное количество строк. Каждому теоретическому шпангоуту должен соответствовать момент инерции. После моментов инерции (если их нет - после модуля Юнга) задается описание корпуса на отдельной строке - слово Обводы Далее – с новой строки два целых числа № шпангоута количество точек на нем Со следующей строки набираются координаты {y,z} этих точек, представляющие из себя пары десятичных чисел. Разделителем между числами должен быть хотя бы один пробел. После того, как введена информация по одному шпангоуту, снова набирается № шпангоута количество точек на нем и т.д. При задании обводов необходимо соблюдать следующие условия Длина между перпендикулярами разбивается на 20 теоретических 15 шпаций, и номера шпангоутов в ее пределах 0–20. Дополнительные шпангоуты внос имеют отрицательные номера, в корму – номера > 20. Нумерация должна быть непрерывной (без пропусков. Общее количество шпангоутов и количество точек на каждом из них должно быть не больше 50. Предполагается, что обводы корпуса симметричны относительно ДП, и задается только правая часть. Первая точка по каждому из шпангоутов должна лежать в ДП. Для каждой следующей точки должно выполняться условие Z i+1 >= Z i ; Последняя точка задается на пересечении борта с верхней палубой. Точки должны быть заданы на таком расстоянии, чтобы участок шпангоута между ними можно было с достаточной степенью точности считать прямолинейным. После обводов корпуса необходимо на отдельной строке набрать название варианта нагрузки, например Весовая нагрузка и с новой строки – массив нагрузок, распределенных по теоретическим шпациям (формат – десятичное число, разделитель – пробел. Количество вариантов нагрузки не ограничено, но перед каждым нужно написать его название. Пример файла описания проекта 24 10.3 2.1e7 Обводы -1 1 0 20.8 0 4 0 11.0 5.125 14.00 7.875 20.875 9.75 23.55 1 4 0.0 5.125 15.5 14.00 19.0 21.25 19. 23.3 2 6 0.0 0.00 4.625 0 8.5 4. 18.125 9.875 19.0 14.00 19.0 23.30 3 5 0.0 0.0 14.625 0.0 16.75 2.20 19.0 14.00 19.0 23.30 4 7 0.0 0.0 15.5 0.0 16.125 0.50 16.5 1.0 16.850 2.2 19.0 14. 19. 23.3 5 7 0.0 0.0 15.5 0.0 16.125 0.50 16.5 1.0 16.850 2.2 19.0 14. 19. 23.3 6 7 16 0.0 15.5 0.0 16.125 0.5 16.5 1.0 16.850 2.20 19.0 14. 19. 20.3 7 7 0.0 0.0 15.5 0.0 16.125 0.5 16.5 1.0 16.850 2.200 19.0 14. 19. 20.3 8 7 0.0 0.0 15.5 0.0 16.125 0.5 16.5 1.0 16.850 2.200 19.0 14. 19. 20.3 9 7 0.0 0.0 15.5 0.0 16.125 0.5 16.5 1.0 16.850 2.200 19.0 14. 19. 20.3 10 7 0.0 0.0 15.5 0.0 16.125 0.5 16.5 1.0 16.850 2.200 19.0 14. 19. 20.3 11 7 0.0 0.0 15.5 0.0 16.125 0.5 16.5 1.0 16.850 2.200 19.0 14. 19. 20.3 12 7 0.0 0.0 15.5 0.0 16.125 0.5 16.5 1.0 16.850 2.200 19.0 14. 19. 20.3 13 7 0.0 0.0 15.5 0.0 16.125 0.5 16.5 1.0 16.850 2.200 19.0 14. 19. 20.3 14 7 0.0 0.0 15.5 0.0 16.125 0.5 16.5 1.0 16.850 2.200 19.0 14. 19. 20.3 15 7 0.0 0.0 15.5 0.0 16.125 0.5 16.5 1.0 16.850 2.200 19.0 14. 19. 20.3 16 5 0.0 0.0 11.75 0.0 16.75 1.50 19. 14. 19.0 20.30 17 5 0.0 2.0 9.0 2.0 17.375 4.625 19. 14. 19.0 20.30 18 5 0.0 5.125 9.0 5.125 17.75 7.75 19.0 14.00 19.0 20.30 19 5 0.0 8.25 9. 8.25 18.375 11. 19.0 14.00 19.0 20.30 20 4 0.0 11. 9. 11. 19.0 14.00 19.0 20.3 21 3 0.0 14.0 19.0 14.0 19.0 20.3 22 1 0. 0. Hагрузка 830.61 1177.41 1598.73 1733.22 1867.44 2567.86 6777.93 4755.61 5647.14 5832.92 3782.97 4074.81 3317.05 4383.69 4371.35 2185.45 2340.99 3013.51 2140.46 1706.46 1472.51 540.52 73.7 |