Расчет прочности корпуса судна
 Скачать 2.55 Mb.
|
|
2. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА Отчет должен содержать исходные данные для программы расчета и результаты вычисления изгибающих моментов и перерезывающих сил в табличной и графической форме. 3. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1) Как определяется полная нагрузка при общем изгибе судна. 2) Назовите основные исходные данные для расчета изгибающих моментов и перерезывающих сил по программе STH. 18 Практическое задание 3. РАСЧЁТ ХАРАКТЕРИСТИК ЭКВИВАЛЕНТНОГО БРУСА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ НОРМАЛЬНЫХ И КАСАТЕЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В СВЯЗЯХ КОРПУСА ОТ ОБЩЕГО ИЗГИБА СУДНА Цель работы вычертить расчетную схему эквивалентного бруса корпуса, рассчитать геометрические характеристики поперечного сечения и вычислить нормальные и касательные напряжения в связях корпуса при изгибе на вершине и подошве волны. 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ 1.1. Расчёт характеристик эквивалентного бруса в первом приближении Под эквивалентным брусом (рис. 3.1) понимают совокупность всех продольных связей корпуса судна, принимающих участие в восприятии общего изгиба. Для проверки прочности необходимо найти момент инерции, моменты сопротивления и статические моменты миделевого поперечного сечения корпуса судна, рассматривая его в целом как балку. Рис. 3.1. Схема поперечного сечения корпуса и эквивалентный бруса продольные связи б – эквивалентный брус в – распределение нормальных напряжений по высоте корпуса (эквивалентного бруса. 1 – лист настила верхней палубы 2 – палубный стрингер; 3 – продольные подпалубные балки 4 – карлингс; 5 – ширстрек; 6 – обшивка борта 7 – скуловой лист 8 – обшивка днища 9 – горизонтальный киль 10 – днищевой стрингер; 11 – продольные балки днища 12 – вертикальный киль 13 – настил второго дна 14 – продольные балки второго дна 19 Площади сечений продольных связей, участвующих в общем изгибе, включаются в первом приближении в состав эквивалентного бруса полностью, хотя некоторые из них ввиду возможной потери устойчивости или наличия начальной погиби могут оказаться работающими недостаточно эффективно. Оценка влияния неполного участия таких связей в общем изгибе производится в последующих приближениях с применением редуцирования. При расчёте момента сопротивления сечения корпуса учитываются все непрерывные продольные связи, включая непрерывные продольные комингсы и участки палуб между ними и бортом. Короткие продольные связи, высота которых соизмерима сих длиной (короткие надстройки и рубки, платформы, фундаменты, и т.д.), не включаются в состав эквивалентного бруса, так как степень их участия в общем изгибе незначительна. При использовании стали повышенной прочности продольные непрерывные связи, выполненные из этой стали, должны простираться вноси корму за пределы средней части судна настолько, чтобы момент сопротивления сечения корпуса вместе изменения предела текучести стали имел величину не менее требуемой для такого же корпуса, выполненного из обычной стали. Большие вырезы (длиной болеем или шириной болеем) должны исключаться из площадей сечений, учитываемых при расчёте момента сопротивления сечения корпуса. Меньшие по размерам вырезы могут не учитываться при условии, если суммарная ширина вырезов и неэффективных участков водном поперечном сечении корпуса не превышает В, где b – суммарная ширина больших вырезов, или уменьшает момент сопротивления не более чем на 3 %; – высота облегчающих вырезов в продольных элементах набора не превышает 25 % высоты стенки. В соответствии с Нормами [2] расчетное состояние корпуса принимается в середине срока службы с учетом износа залет. Правилами Регистра установлены стандартные скорости коррозии U i (мм/год). В табл. 3.1 приведены величины U i (мм/год) для продольных связей сухогрузных и наливных судов. Поэтому все величины, вводимые в эквивалентный брус, должны быть уменьшены на величину, мм ∆ ( ) (1) Коэффициент , учитывающий поправку на износ к площади сечения стенки и моменту сопротивления балок каждого профиля определяется по формуле ∆ , (2) 20 где при см ( ) при см 3 Т а блица Нормативные значения среднегодового уменьшения толщины связей корпуса U i , мм/год Наименование связей Ui Группа 1 Группа 2 1. Обшивка и настилы 1.1 Верхняя палуба 1.2 Нижняя палуба 0.10 0.11 0.25 2. Борт 2.1 Надводный 2.2 В районе переменной ВЛ 2.3 Подводный 0.10 0.17 0.14 0.13 0.19 0.16 3. Днище 3.1 При отсутствии второго дна 3.2 При наличии второго дна 0.14-0.20 0.14-0.20 0.17-0.20 0.14-0.20 4. Второе дно 0.12-0.20 0.17-0.20 5. Продольные, поперечные переборки, второй борт 0.12 0.15-0.20 6. Продольные и поперечные балки набора 6.1 Палуб 6.2 Борта, переборок 6.3 Днища 0.12 0.10 0.14 0.20 0.25 0.20 Примечание Группа 1 – сухогрузные суда и аналогичные по условиям эксплуатации Группа 2 – наливные и комбинированные суда и аналогичные им по условиям эксплуатации. Элементы эквивалентного бруса вычисляются в табл. 3.2 (для половины сечения. За ось сравнения обычно принимают основную линию (нижнюю кромку обшивки днища. Собственные моменты инерции (см 2 м 2 ) следует учитывать только для связей, ориентированных вертикально и имеющих сравнительно большую высоту – листы вертикального киля, стрингеров, ширстрека, обшивки борта и т.п. по формулам - для прямоугольного сечения ; (3) 21 - для скулового листа, заменяя его одной четвертью окружности ; (4) где F – площадь связи, см h – высота связи, м r – радиус закругления скулы, м. Таблица Расчет элементов эквивалентного бруса Наименование связи Размеры связи, мм Площадь сечения, см 2 Отстоян ие от оси сравнениям Ста ти че ск ий момент, см 2мПе ре нос ный момент инерции, см 2*м2Собс тве нн ый момент инерции см 2*м2Напряжение от общего изгиба впер- вом приближении, МПа Эй ле ровы напряжения МПа b t кол -во на вершине волны на подошве волны лист настила верхней палубы палубный стрингер … горизонт. киль наружная обшивка днища настил годна продольные балки второго дна Суммы А В С Заполнив соответствующие столбцы табл. 3.2, можно вычислить элементы эквивалентного бруса - отстояние нейтральной оси сечения от оси сравнениям- момент инерции относительно нейтральной оси, (см 2 м 2 ) ( ), (6) где A – сумма площадей продольных связей (столбец 3), см B – сумма статических моментов площадей продольных связей относительно оси сравнения (столбец 5), см 2 м; C – момент инерции полусечения, относительно оси сравнения (сумма столбцов 6 и 7), см 2 м 2 ; момент сопротивления поперечного сечения относительно крайней связи (фибры) палубы, см 2 м ; (7) где – отстояние от нейтральной оси до крайней связи (фибры) палубы, м момент сопротивления поперечного сечения относительно днища, см 2 м ; (8) где – отстояние от нейтральной оси до связи (фибры) днищам. Вычисление нормальных напряжений в первом приближении При общем изгибе в поперечных сечениях корпуса возникают нормальные напряжения, уравновешивающие внешний изгибающий момент. Нормальные напряжения в продольных связях вычисляются по формулам на вершине волны ; (9) на подошве волны ; (10) где , – коэффициенты, м см кН 2 , соответственно равные , , где , – расчетные изгибающие моменты для положения судна на вершине и подошве волны соответственно, кНм; 23 – момент инерции сечения относительно нейтральной оси, см 2 м 2 ; – отстояние рассматриваемой связи от нейтральной оси, положительное при отсчете вниз, м. Изгибающий момент считается положительным при перегибе судна. 1.3. Проверка устойчивости пластин Проверка устойчивости пластин производится для определения возможности потери устойчивости при сжимающих напряжениях от общего изгиба и необходимости редуцирования пластин, теряющих устойчивость. Все пластины настила палубы, обшивки борта, днища и настила второго дна при проверке устойчивости считаются свободно опертыми по контуру, образованному соответствующими балками (рис. 3.2, рис. 3.3). Рис. 3.2 Продольная система Рис. 3.3. Поперечная система набора набора Эйлеровы напряжения, МПа а) палуба, борт, днище при продольной системе набора ( ) ; (11) б) палуба, борт, днище при поперечной системе набора ( ) (12) Допускаемые напряжения, МПа – для сухогрузных судов – для наливных судов, где – предел текучести стали, МПа. 1.4. Проверка устойчивости продольных ребер жесткости Неразрезные ребра жесткости палубы и днища считаются свободно опертыми. Определенные для них эйлеровы напряжения корректируются с помощью графика [3], позволяющего определить критические напряжения. 24 Рис. 3.4. Схема ребер жесткости неразрезных ребер Эйлеровы напряжения ребер рассчитываются по формуле ( ) , (13) где – момент инерции поперечного сечения ребра с присоединенным пояском, шириной , м – площадь сечения ребра, см – длина ребрам модуль упругости, МПа. При необходимо учесть отклонение от закона Гука и определить критическое напряжение. Критические напряжения должны превышать напряжения сжатия ребер , где – сжимающее напряжение, МПа. 1.5 Определение касательных напряжений при общем изгибе корпуса Расчет проводится в табличной форме (табл. 3.3). Величина касательных напряжений определяется по формуле , (14) где – перерезывающая сила в данном сечении, кН; – статический момент поперечного сечения продольных связей, лежащих по одну сторону от точки, для которой определяются касательные напряжения относительно нейтральной оси, см 2 м·; – момент инерции сечения относительно нейтральной оси, см 2 м 2 ·; – толщина связи, в которой определяются касательные напряжения, см. Момент инерции и должны вычисляться для сечения, в котором действует наибольшая перерезывающая сила. Однако, так как отношение ⁄ для различных сечений корпуса изменяется значительно меньше, чем величины ив отдельности, допускается подставлять в формулу значения и , вычисленные для миделевого сечения по результатам первого 25 приближения (без учета редуцирования связей и смещений нейтральной оси сечения, так как это мало сказывается на ). Таблица Расчет касательных напряжений Наименование Размер, мм Площ., F,см 2 Отст. от ном Стат. мом. см 2 *м Касательные напряжения МПа 1. … 2. … 3. … 4. … Для танкеров при определении касательных напряжений в сечениях корпуса, имеющих продольные переборки, можно считать, что эти напряжения в обшивке борта и обшивке продольной переборки на одном уровне от нейтральной оси сечения одинаковы. В связи с этим в качестве толщины в формулу (14) необходимо подставить суммарную толщину обшивки борта и продольной переборки в рассматриваемом сечении относительно нейтральной оси сечения корпуса. 2. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА Отчет должен содержать расчетную схему эквивалентного бруса, расчет его геометрических характеристик, расчет нормальных напряжений в связях корпуса, проверку устойчивости пластин и ребер жесткости, определение касательных напряжений в связях корпуса и их эпюры. 3. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1) Дать определение эквивалентного бруса корпуса. Какие связи в него входят 2) Назвать основные геометрические характеристики эквивалентного бруса. 3) Назовите формулы для определения эйлеровых напряжений в пластинах и ребрах жесткости. 4) Объясните построение эпюр касательных напряжений. 26 Практическое задание 4. ПРОВЕРКА ПРОДОЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ КОРПУСА ПО ПРАВИЛАМ РЕГИСТРА Цель работы изучить метод проверки продольной прочности корпуса судна по Правилам Регистра [1] при общем изгибе. Выполнить расчет момента сопротивления корпуса и сравнить его с моментом сопротивления, определенным в задании 3. 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ 1.1. Требование Правил к судам Требования Правил [1] распространяются на суда неограниченного района плавания длиной м, кроме судов, имеющих – соотношение главных размерений ⁄ , ⁄ , – коэффициент общей полноты , – спецификационную скорость , превышающую √ , уз, где прима также судов, перевозящих грузы при высокой температуре, и судов необычной конструкции. Расчетные нагрузки, определяющие продольную прочность судна, включают изгибающие моменты и перерезывающие силы на тихой воде, волновые перерезывающие силы и моменты, а для судов с большим развалом бортов – изгибающие моменты, обусловленные ударом волн в развал бортов. Расчетные волновые и ударные нагрузки могут определяться по формулам, приведенным в Правилах и по методике с учетом качки на волнении, долговременного распределения волновых режимов и районов плавания. Положительными считаются – перерезывающие силы, направление вниз – изгибающие моменты, вызывающие перегиб корпуса – поперечные нагрузки, направленные вниз. Размерности физических и геометрический величин приняты в соответствии с Правилами. 1.2. Изгибающие моменты и перерезывающие силы на тихой воде и волнении Изгибающие моменты и перерезывающие силы на тихой воде должны рассчитываться для всех реально возможных случаев распределения весовой нагрузки по длине судна, в т. ч. в полном грузу ив балласте. 27 Как правило, должны быть рассмотрены следующие варианты нагрузки. а) Для сухогрузных судов, судов с широким раскрытием палуб, судов ро-ро, рефрижераторов, навалочников, рудовозов – равномерная нагрузка при полной осадке – балластное состояние – специальные случаи (загрузка контейнерами, легкими тяжелым грузом при наличии пустых отсеков, наличие палубного груза и т. д – загрузка при постановке в док. б) Для наливных судов – равномерная загрузка, исключая сухие отсеки – частичная и балластная загрузка – неравномерная загрузка – состояние загрузки вначале, середине и конце рейса – загрузка при постановке в док. в) Для комбинированных судов – см. сухогрузные суда. В результате рассмотрения реально возможных случаев загрузки судна на тихой воде для любого сечения по длине должны быть определены – наибольшие абсолютные значения изгибающего момента при прогибе и перегибе судна – наибольшее абсолютное значение перерезывающей силы Волновой изгибающий момент, кНм, действующий в вертикальной плоскости в рассматриваемом сечении - вызывающий перегиб судна , (1) - вызывающий прогиб судна ( ) , (2) где прим прим, прим коэффициент, определенный по табл. 4.1. 28 Таблица Значение коэффициента Положение сечения по длине судна 4 , 0 L x L x 5 , 2 65 , 0 4 , 0 L x 0 1 65 , 0 L x 35 , 0 Волновая перерезывающая сила, , кН, в рассматриваемом сечении - положительная ( ) , (3) - отрицательная ( ) , (4) где и - коэффициенты, определяемые по таблице 4.2 [1]; Закон распределения по длине судна от значения на миделе запишем в виде ( ( ⁄ )). (5) Момент сопротивления рассматриваемого сечения корпуса (для палубы и днища) W , см, должен быть не менее , (6) где | | – расчетный изгибающий момент, кНм, в рассматриваемом сечении равный максимуму абсолютной величины алгебраической суммы моментов. Допускаемые нормальные напряжения, МПа, , (7) где – коэффициент использования механических свойств стали. Таблица Значение коэффициента R eH 235 315 355 390 1.0 0.78 0.72 0.68 где R eH – верхний предел текучести, МПа. Момент сопротивления корпуса для наибольшего расчетного изгибающего момента должен сохраняться постоянным в средней части судна (в пределах ). Момент сопротивления должен плавно уменьшаться к 29 оконечностям судна за пределами части судна, в которой он сохраняется постоянным. Во всех случаях момент сопротивления поперечного сечения корпуса в средней части судна (для палубы и днища, см, должен быть не менее ( ) . (8) Размеры всех непрерывных продольных элементов корпуса, обеспечивающих, должны сохраняться неизменными в пределах средней части судна. Фактический момент сопротивления корпуса судна (см. расчет эквивалентного бруса) должен быть не менее значений, определяемых по формулам (6), (8). В случае несоблюдения указанного условия студенту необходимо указать мероприятия по обеспечению необходимой прочности. Это требование относится и к обеспечению жесткости корпуса (9). 1.3. Момент инерции поперечного сечения корпуса Жесткость корпуса характеризуется моментом инерции поперечного сечения. По Правилам фактическая величина момента инерции в см поперечного сечения корпуса относительно горизонтальной нейтральной оси в средней части должна быть не менее ( ), (9) 1.4. Толщина бортовой обшивки и обшивки непрерывных продольных переборок Толщина бортовой обшивки , мм, в рассматриваемом сечении по длине судна и высоте борта при отсутствии продольных переборок (см. расчет эквивалентного бруса) должна быть не менее ( ) , (10) где и – перерезывающая силана тихой воде и волнении, расчетное значение, кН. Допускаемые касательные напряжения, МПа ⁄ . (11) Толщина бортовой обшивки и толщина обшивки продольной переборки, мм в рассматриваемом сечении корпуса при наличии двух плоских продольных переборок должны быть не менее , (12) , (13) где ⁄ , ⁄ . 2. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА Отчет должен содержать расчет изгибающих моментов и перерезыва- ющих сил, определение расчетного момента сопротивления и момента инерции поперечного сечения корпуса, толщины бортовой обшивки по Правилам Регистра [1]. 3. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1) Каковы основные варианты нагрузки судов 2) Какие характеристики сравниваются при проверке продольной прочности судов по Правилам Регистра 31 Практическое задание 5. ПРОВЕРКА ПРОДОЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ КОРПУСА ПО НОРМАМ ПРОЧНОСТИ Цель работы. Проверить продольную прочность корпуса по критерию эксплуатационной (усталостной) прочности и по предельному состоянию (критерию предельной пластической прочности) в соответствии с Нормами прочности [2]. |