автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.03, диссертация на тему:Автоматизация оценки технического состояния и проектирования подкреплений конструкций судов в эксплуатации

V« оа

АЛЕКСЮК Александр Анатольевич

АВТОМАТИЗАЦИЯ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПОДКРЕПЛЕНИИ КОНСТРУКЦИИ СУДОВ В ЭКСПЛУАТАЦИИ

Специальность' 05. СО. 03 - Проектирование-^ и конструкции судов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владивосток-199?

Работа выполнена в Дальневосточном государственном техническом университете и Институте автоматики и процессов

управления.

Научные руководители: доктор физ.-мат. наук, профессор

Быковцев Г.И. ,

кандидат технических наук, доцент Кулеш В.А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Москаленко А.Д.

кандидат технических наук, с.н.с. Луценко В.Т.

Ведущая организация: Судоходная компания

АО "Востоктрансфдот"

Защита состоится иЮИ¡Я 1997 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д. 064.01.01 Дальневосточного государственного технического университета по адресу: 690600, Владивосток, Пушкинская, 10, конференцзал (А-306).

Автореферат разослан ЪВЛвс 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Чибиряк И.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблей ы.

В процессе эксплуатации судов возникают дефекты, которые могут иметь опасные последствия и создавать потенциальную угрозу разрушения. Для предотвращения этого разработана и действует целая система, которая вюиочает: проведение периодических осмотров корпусов, обмеры дефектов и оценку их опасности путем сопоставления с допускаемыми размерами, ремонт конструкций.

Основными причинами ремонта являются износ и остаточные деформации корпусов судов. Затраты на ремонт корпуса вследствие коррозии и деформаций составляют 20-30% от всей стоимости ремонта.

В последние 10-20 лет нормативные документы по оценке технического состояния (ОТС) корпуса постоянно совершенствуются. Техническое состояние (ТС) конструкций в настоящее время оценивается более дифференцированно, учитываются многие индивидуальные осооенности судна и конструкции. Это позволяет установить объем ремонтных работ и, в основном, обеспечить надежность судна на период эксплуатации мезду освидетельствованиями.

Однако в части разработки автоматизированных (компьютерных) систем ОТС корпусов судов наблюдается ~значительное отставание. Этому способствует низкая приспособленность нормативных документов к алгоритмизации. Компьютерные программы с допусками Регистра для решения рассматриваемой проблемы буквально единичны и недостаточно приспособлены к производственным условиям.

Основным методом ремонта остается металлоемкая замена конструкций с восстановлением до построечных размеров. Альтернативные методы ремонта практически не используются из-за отсутствия методик проектирования подкреплений. Недостаточно используются и возможности отсрочек ремонта. Немаловажным остается и то, что анализ надежности изношенно-деформированных конструкций требует расчетов в упругопластической области, которые пока не имеют достаточного методологического и программного обеспечения.

Решению основных вопросов указанной проблемы на основе широкого использования новых возможностей компьютерной техники и посвящена данная работа.

Целью работы является разработка алгоритмов и программ для автоматизированной ОТС и методик проектирования подкреплений изношенно-деформированных конструкций корпуса на базе персональных компьютеров.

Основные задачи.

1. Анализ сложившейся практики ОТО конструкций, методов ремонта и существующих методик их расчета за пределом упругости.

2. Разработка алгоритмов принятия решений по ремонту и обоснование необходимого уровня повышения прочности при подкреплении судовых конструкций.

3. Получение зависимостей для оценки остаточных ресурсов листов при гофрировке, линейном и канавочном износе.

4. Разработка методик проектирования подкреплений изношенно-деформированных листов обшивки и балок набора в районе вмятин.

5. Проведение экспериментальных исследований на пластинах с дефектами для оценки запасов деформационной способности с учетом влияния неравномерности износа на прогибы при разрыве.

6. Испытания моделей перекрытий на равномерное давление для проверки теоретических решений.

7. Исследование влияния на прочность перекрытий в районе вмятин различных способов подкреплений.

8. Разработка алгоритмов и программ ОТО судовых конструкций и проектирования подкреплений.

9. РазраСотка компьютерной программы для исследования работоспособности изношенно-деформированных пластин и ее тестирование.

Методы исследования. В работе используются аналитические, численные и экспериментальные методы строительной механики корабля, теория предельного равновесия, методы математической статистики и моделирования.

Научная новизна.

Разработаны методики определения размеров подкреплений изношенно-деформированных листов и балок набора в районе вмятин.

Предложены методики выбора подкреплений при проектировании поврежденных судовых конструкций: в эксплуатации.

Получены формулы для оценки остаточных ресурсов при гофрировке, линейном и канавочном износе листов.

Получен патент *1615032 на изобретение "Узел подкрепления деформированного участка судового перекрытия".

Исследовано влияние на прочность перекрытий в районе вмятин способов подкреплений струнами-оттяжками и стрингерами.

Экспериментально показаны значительное влияние канавочной коррозии на прогибы при разрыве пластин и безопасность предложенной границы для области подкреплений.

Практическая ценность. Программно-методическое обеспечение ОТО и решения вопросов ремонта изношенно-деформированных пластин обшивки в виде методики и программы "SHELL" согласовано с Регистром (письмо JS010-7.2.2-7118).

Методика расчета судовых конструкций за пределом упругости согласована с Регистром (письмо Ж)10-7.2.2-13365р). Разработанная на ее основе программа "FRAME" для ОТО и решения вопросов ремонта конструкций с вмятинами одобрена Регистром (допуск JG2-3-94).

Программа "PLATE" для расчета упругопластического поведения и разрушения пластин с учетом эксплуатационных дефектов одобрена Регистром (допуск $2-1-94).

Программы "SHELL" и "FRAME" переданы для использования шести судоходным компаниям и двум судоремонтным заводам.

Результаты исследований были внедрены на 16 судах и дали экономию прямых затрат около 300 тыс. долларов США.

Программы используются в учебном процессе ДВГТУ по дисциплинам "Техническая эксплуатация флота" и "Основы судоремонта", в курсовом и дипломном проектировании.

Апробация работы. Основные положения и результаты проведенных исследований отражены в 13 публикациях, доложены и обсуждены на научно-технических конференциях в 1988-1994 гг. : ХХХ-ХХШ НТК ДВГТУ (г. Владивосток) в 1988-1994 гг.; НТК "Совершенствование технической эксплуатации корпусов судов" (г. Калининград) в октябре 1989 г.; НТК "Проблемы продления навигации на внутренних водных путях" (г. Нижний Новгород) в мае 1989 г.; XI Дальневосточная НТК "Повреадения и эксплуатационная надежность судовых конструкций" (г. Владивосток) в сентябре 1990 г.; XI Дальневосточная НТК "Опыт проектирования и модернизации судов для Дальневосточного бассейна" (г. Владивосток) в сентябре 1992 г.

Результаты исследований использованы при выполнении МНТП "Океанотехника" и "Дальний Восток России".

Структура и объел. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Объем диссертации 120 страниц машинописного текста, 57 иллюстраций, 9 таблиц, библиография из 119 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы, излагаются цели и краткое содержание работы.

В первой главе дан анализ современной практики

ОТО и ремонта, методик расчета судовых конструкций в области больших деформаций.

Отмечено, что существование ряда документов ОТО судовых конструкций вызывает неопределенность при решении задач автоматизации. Использование норм Руководства по технадзору ведет к неоправданному увеличению объемов и стоимости ремонта. Для автоматизации ОТО по Спецнормам необходима их предварительная разработка на каждую серию судов, что представляет самостоятельную и трудоемкую задачу. В последние 10 лет Спецнормы практически не разрабатываются. Поэтому наиболее приемлемыми для автоматизации являются положения Методик дефектации.

Однако применение методик, связанное с рекомендуемым определением толщины связей корпуса по Правилам Регистра, существенно усложняет задачу. Алгоритм упрощается при вычислении допускаемой толщины относительно построечной.

Показано, что "ручная" ОТО конструкций достаточно трудоемка вследствие неоднозначности формулировок методик, разветвленности условий и большого числа связей корпуса. В то же время она типовая, а значит поддается программированию.

Рис. 1. Типовой алгоритм программ "БМрВазе", "СОИККС" и "СНТОР"

Рассмотрение программ ОТС корпусов судов для ПК "БМрВазе" (КВИМУ), "СОИККС" (ЦНИИМФ) и "СНТОР" <КТИРПХ) показало, что нормы допускаемых дефектов в основном не вычисляются, а берутся из готовых баз данных (рис. 1), которые, в свою очередь, предварительно формируются на основе Спецнорм. Поэтому область использования программ ограничена. При разработке программ в работе намечено предусмотреть автономный (независимый от базы данных) ввод информации по судну, дефектам корпуса и вычисление их допусков по Методике дефектации, возможность проектирования подкреплений.

Ремонт путем подкреплений не находит широкого внедрения прежде всего из-за того, что действующие нормативные документы не

содержат конкретных методических указаний по выбору их размеров и конструкций. Поэтому они часто рекомендуются в качестве временной меры до планового ремонта.

Изучение практики применения подкреплений позволило наметить основные задачи проектирования: определение необходимого уровня повышения прочности при подкреплении; определение ТС конструкции, при котором единственным способом ремонта является замена; переход от регламентируемого уровня повышения прочности к требуемым размерам подкрепляющих элементов.

Первые две задачи решены в методике ДВГТУ применительно к набору с вмятинами. Необходимое повышение прочности (в %)

где [/], /, / - допускаемый, фактический и разрушающий прогибы, мм; [А], А - допускаемый и фактический износ конструкций, %; Тв- возраст судна на момент ремонта, лет; Т ~ время эксплуатации, на которое устанавливается подкрепление.

Отмечается, что при выборе метода ремонта должны учитываться прогрессировав дефектов, и .сдаточные ^ресурсы конструкций с дефектами. Формулы для оценки ресурсов при дефектах в виде общего и местного износа приведены в действующих методиках, за исключением линейного износа и канавочной коррозии, и имеют вид

где t1, t3 - остаточная толщина по общему и местному износу; [з1], [Sg] - допускаемая остаточная толщина по общему и местному износу; и - средняя скорость износа; и3-скорость местного износа. Выражение для оценки ресурса при гофрировке не нашло практического применения.

Для определения требуемого уровня повышения прочности следует оценить прочность повревденных конструкций.

Анализ работ Е.М. Апполонова, Н.В. Барабанова, Г.В. Бойцова, Л.М. Беленького, Н.Ф. Ершова, H.A. Иванова, В.В. Козлякова, В.А.Кулеша, В.А.Курдамова, И.И.Тряскина, Я.Ф.Шарова, Н.Ю.Шаврова и др. показал, что известные решения для расчета пластин в области больших деформаций неудобны в инженерно-производственной практике, требуют ввода большого числа данных, определение которых представляет собой самостоятельную задачу. Поэтому в качестве критерия прочности поврежденных пластин обшивки принята предельная нагрузка:

(1)

Ä1=(t1-[s1])/u1+5 и fi3=(i3-Cs3])/u3+5,

(2)

q0= 4оои/а)г(1+2|33/2), (3)

где с0 - предел текучести материала; í - толщина пластины; а - шпация; р - отношение меньшей и большей сторон пластины.

Отмечено, что влияние дефектов в виде неравномерного износа, надрезов, канавок и т.п. на несущую способность конструкций пока не учитывается в расчетах при ОТС.

Как показали результаты дефектации 20 судов типа ОРТ (КТИРГЕС), типа "Балтийский" (ЛИВТ), осмотры корпусов судов сотрудниками ДВГТУ и инспекторами Регистра, сочетание линейного или канавочного износа и гофрировки на пластинах приводит к образованию трещин у набора. Замечено, что трещины обнаружены у набора при износе и прогибах пластин, во многих случаях меньше допускаемой величины. Наиболее вероятная причина появления трещин - концентрация деформаций в опорных сечениях пластин.

Отмечено, что неравномерность износа пластин обшивки и стенок набора чаще появляется в районе действия экстремальных местных нагрузок. Показана необходимость учета взаимного влияния неравномерности износа и стрелки прогиба при нормировании критерия опасного состояния пластин. Предложено скорость местной ксрросйн при прогнозировании и оценке остаточных -ресурсов обшивки, имеющей гофрировку и линейный износ, принимать в 2 раза выше средней скорости.

Обследование продольных подпалубных балок танкера типа "Дрогобыч" показало, что скорость коррозии у обшивки в 1,5 раза выше, чем у головки. Предложено определять фактический момент сопротивления поперечного сечения набора с учетом распределения скорости износа по высоте балки.

Отмечено, что исследования разрушения пластин относятся в основном к гибким пластинам без концентраторов и с концентраторами в виде язвин. Их результаты противоречивы. Не обнаружены данные работ по влиянию на работоспособность пластин наиболее опасных дефектов: линейного и канавочного износа.

Для автоматизированной оценки прочности поврежденных перекрытий выбрана зависимость В.А. Кулеша, учитывающая размеры зоны приложения поперечной нагрузки, соотношение размеров перекрытия и смещение центра приложения нагрузки от середины пролета балки в виде

О = °й<9а + Цп> <*>

где а^- коэффициент, учитывающий размеры зоны приложения нагрузки относительно размеров перекрытия (вмятины); параметр прочно-

сти обшивки; Q^ - параметр прочности набора (балок перекрытия); / - прогиб в центре вмятины.

Расчеты по формуле (4) показали хорошее согласование с испытаниями перекрытия на сосредоточенную нагрузку, проведенными под руководством JI.M. Беленького. Однако для сопоставления в случае действия равномерного давления отмечена необходимость проведения дополнительных экспериментов.

Первая глава заканчивается постановкой задач исследования.

Вторая глава посвящена разработке методик выбора способов ремонта говреаденных судовых конструкций. Обоснованы алгоритмы принятия решений по ремонту и уровень повышения прочности при подкреплении.

Анализ практики дефектации корпусов судов показал, что основной недостаток нормативных документов заключается в установлении только одной границы между состояниями "годно" -"требует ремонта" без учета взаимного влияния дефектов.

Для упрощения алгоритма и автоматизации ОТО листов были предложены коэффициенты ТО К± по (-ому дефекту, которые равны отношению фактического значения дефекта к допускаемому и нормиро-ванч следугтщ образом- в,диапазоне от 0 д«;-1 ТС - гнутое, а при значениях больших 1 - требует ремонта.

Коэффициенты представлены в виде

At1/CÄ31] - по условию общего износа;

Я2= //t/J ~ по остаточным прогибам;

К3= Aig/tÄSg] - по условию местного износа "пятнами", где Ai1, CAs1] - фактический и допускаемый общий износ; f, lf] - фактическая и допускаемая стрелка прогиба; At3> CAs3l -фактический и допускаемый местный износ.

Для местного износа в виде канавочной коррозии и линейного износа введен дополнительный коэффициент:

д,_ У*3 С31] Ц

3 i1 [s1 ]-is33 fr)] где T)=(i^-i3)/i1 - параметр фактической неравномерности износа; [t]]=([s1]-ts3])/ts1]-параметр допускаемой неравномерности износа.

Графическая интерпретация поверхности допускаемого состояния "годно" показана в виде куба единичных размеров вдоль оси кавдого из коэффициентов (рис. 2). Положение точки, характеризующей ТС листа, внутри или на поверхности указанного куба допускает дальнейшую безремонтную эксплуатацию до следующего очередного освидетельствования судна. Комплексно ТС предложено характеризовать

вектором? (К1Д2Д^,), максимальная величина которого соответствует диагонали куба и равна гтах=(Яф1/г=(К^+ £;+ К^)1 /г- УЗ. Отмечено, что ГС, соответствующее указанной величине радиуса-вектора, выбрано в качестве границы безусловной замены, превышение которой связано с необходимостью обязательной замены поврежденной конструкции.

Выделена область мезду состояниями годное и безусловная замена, которая допускает отсрочку ремонта или подкрепление. С определенной осторожностью, верхняя граница области подкрепления представлена многогранной поверхностью, для которой допускается превышение допуска только одним из коэффициентов ТС (рис. 2). Предложен алгоритм выбора решений по ремонту листов в виде

1 - ремонт не нужен;

1<Яд.<1 + (УЗ-1 )С1-(£.|)тах] при - подкрепление; (5)

+ (УЗ-1 ИМЯ^щахЭ при - безусловная замена,

где - наибольший из коэффициентов ТС, исключая Я..

Для решения вопроса о способе ремонта намечены основные опасные последствия ТС, соответствующего различным частям области подкрепления. - - -

отмечается, что величина УЗ апробирована практикой судоремонта, т.к. в действующие нормы дефектации уже заложен коэффициент запаса по прогибам пг=/р/С/1=УЗ. Известно, что конструкции обладают большим запасом по прочности и прогибам. Теоретически и экспериментально установлено, что с ростом прогибов их несущая спобность не уменьшается. 0шт эксплуатации судов показывает, что в ряде случаев листы имеют износ до 50-70%, т. е. в 1,5-2 раза превышающий нормативный. Но, учитывая новизну предложенного учета взаимного влияния дефектов при ОТС, показана целесообразность экспериментальной проверки границы безусловной замены путем разрушения стальных образцов, имеющих дефект в виде канавки в опорных сечениях.

Применительно к набору граница прогибов, соответствующих безусловной замене, установлена за счет дополнительного ограничения на предельный уровень пластичности стали (ер=15%) и определена выражением /зам- п£[/]=УЗ[/].

Алгоритм выбора решений по ремонту набора записан в виде

- ремонт не нужен; [Я</«Узам - подкрепление; (6)

f>fзau - безусловная замена.

Конкретные требования к необходимому уровню повышения проч-

Рис. 2. Границы области ТС изношешо-деформированных листов,

не требующих ремонта (-) и

подлежащих безусловной замены (—

Рис.3. К определению уровня необходимого повышения прочности при подкреплении набора в районе вмятин

ности при подкреплении листов сформулированы, исходя из параметров ремонта способом замены, как получившего наибольшее распространение. В качестве параметра при замене выбрана толщина вновь устанавливаетиго лис-га-. Предложено условие прочности для ремонта путем подкреплений:

^под ^ ^зам'

где о - предельная нагрузка подкрепленного участка обшивки; д.-

■Ч^Д зэм

предельная нагрузка в случае замены, определяется по формуле (3).

Принято, что толщина листа при замене обеспечивает надежность на срок дальнейшей эксплуатации судна меньше большего из трех значений:

и должна быть не

t > зам

£а, 1+^(^-5); t1f/lf}+ui(To-5);

(8)

шах

- 'з3]+из<Т0-5),

где То- время, оставшееся до списания судна.

Рекомендации по подкреплению набора в районе вмятин получены из условия сохранения необходимого запаса энергоемкости согласно схеме, представленной на рис. 3. Если фактический прогиб превысил допускаемую величину, то возможно подкрепление без замены при условии, что увеличение прочности сохраняет необходимый запас энергоемкости (рис. 3, площадь ?2):

V СЛ?]' (9)

где Д£0- уровень дополнительной прочности, обеспечиваемой подкре-

)

плягацими элементами; САР]-уровень необходимого повышения прочности судовых конструкций с вмятинами, определяемый по формуле (1).

Для выбора оптимального решения по ремонту получены формулы, позволяющие оценить остаточные ресурсы листов при линейном и канавочном износе, гофрировке.

Остаточный ресурс при линейном и канавочном износе листов получен из условия т) = (^-^/^(т)] и равен

й„= —!—!-^ + 5. (10)

3 и1([1)]-1)+и3

Выражение для определения остаточного ресурса при гофрировке найдено в предположении, что прогрессировав^ дефекта во времени вызвано снижением прочности пластин вследствие износа

*1 с ? л

— [1--1+5. (11)

* и, 1 [/]■»

Минимальный из ресурсов по всем видам прогрессирующих дефектов листов принят за остаточный, который не должен быть меньше времени до следующего ремонта или списания судна. Положительный остаточный ресурс меньше 5 лет является основанием для отсрочки ремонта ло согласованию с Регистром.

В третьей главе разработаны методики проектирования подкреплений повревденных конструкций.

Проектирование подкрепляющих элементов листов обшивки осуществляется в соответствии: 1) с методами подкрепления (рис. 4); 2) с остаточными ресурсами листов, определяемыми по формулам (2,10,11); 3) с алгоритмом принятия решений (5); 4) с условием прочности (7) и требуемым уровнем ее повышения, определяемым по формуле (8).

Согласно предложенной схеме, методом предельных нагрузок получены выражения для определения размеров подкреплений.

Минимальный момент сопротивления подкрепляющего ребра для деформированных листов:

перпендикулярно основному набору (рис. 4, а)

У/ = —— а ** ; (12)

К к

41 I

параллельно основному набору (рис. 4, б) 1

* =-ь

к к. зам п I

1+2р1,5 с гл I2 1+р2

^ о«»»

36 ^

н 4 зам"

2|3

7в гГ

I г

в-в

| прижим I 'у 11» 1 ш I ' ^ ' I > 11 т~11 ■ I ¡у

Г-Г

Рис. 4. Способы подкрепления изношенно-деформированных листов: а- ребро поперек набора; б- ребро вдоль набора; в - вертикальные полосы вдоль зон линейного износа (1) и канавочной коррозии (2); г - горизонтальная накладная полоса; д - дублирующий лист

где к - коэффициент формы поперечного сечения ребра; к£-коэффициент, учитывающий подрезку (причерчивание) стенки ребра.

Отмечено, что при достаточной или избыточной прочности подкрепляющего ребра вдоль основного набора возможно повреждение обшивки мезду ребром и набором. Поэтому при выборе данного способа необходима проверка условия

+3& 1+2(31 '5 ^_]_ >_

^ 1+2(3',6 зам к2

где Р2- отношение сторон пластины обшивки после подкрепления.

Толщина накладной полосы * вдоль зон линейного и канавоч-ного износа (рис. 4,в) определена из условия образования пластических шарниров у опорных сечений по формуле

*н=<2'зам" <14>

Ширина накладной полосы получена из условия образования

пластических шарниров вдоль подкрепления при ограничении

%>а{ 1-А). (15)

зам

В общем случае ширина полосы определяется шириной дефекта и конструктивно-технологическими соображениями.

Замечено, что на практике накладные полосы при относительно малой толщине могут иметь большие размеры и не прижиматься к поверхности обшивки. Соединение по периметру может оказаться ненадежным из-за разрушения сварных швов вследствие коррозии и вибрации. Поэтому ширина горизонтальной накладной полосы или дублирующего листа в районах вибрации получена из условий ограничения частот колебаний и вибронапряжений по Правилам Регистра. Принято, что эти параметры для данных подкреплений должны быть обеспечены на уровне, соответствующем аналогичным параметрам пластин обшивки в данном районе.

Сопоставление условий показало, что ограничение по вибронапряжениям является более жестким в ожидаемом диапазоне соотношения толщины накладок и подкрепляемых пластин ^/£^0,6. Для районов повышенной вибрации ширина полосы ограничена условием

а^ а , (16)

и

а в остальных районах а. :

Толщина горизонтальной накладной полосы (рис. 4,г) получена согласно расчетной схеме, при которой разрушение обшивки с накладной полосой возможно при условии образования пластических шарниров толщиной 3):

V [4м- 0,25Цг*з)2]0-5- 0,5(^3). (17)

Прочность дублировки (рис. 4,д) ввиду случайного характера

повреждений может не регламентироваться, за исключением районов повышенной вибрации, где по выражению (16) толщина дублировки

вн

С И, - . (18)

н 1 а

В остальных районах толщина дублировки должна увеличивать толщину обшивки до уровня, требуемого условиями (8):

V V <19>

Учитывая, что ресурс накладных полос и дублировок целесообразно обеспечить до списания судна, необходимо, чтобы О и„Т .

Н о О

В основу проектирования подкреплений набора в районе вмятин положены: 1) методы подкрепления (рис. 5); 2) схема выбора решений (6); 3) условие прочности (9) и требуемый уровень ее

А-А

СЕ

Б-Б

В-В

X

г-г

Рис. 5. Способы подкрепления вмятин: а - накладные полосы; стрингеры: б - разрезной (интеркостельный), в- силовой (причерчиваемый), г - силовой (врезной); д - струны-оттяжки

повышения, определяемый по выражению (1).

В рамках метода предельных нагрузок получены прикладные расчетные зависимости для определения величины дополнительной прочности в районе вмятины.

Отмечено, что повышение прочности при подкреплении накладными полосами (рис. 5,а) происходит за счет увеличения момента сопротивления профиля балок набора. Оценка величины дополнительной прочности находится по формуле

^под= АР/ЮО * 2 Рн/Р, ' (20)

где Рд - площадь сечения накладной полосы; Р - площадь сечения балки основного набора.

Показано, что увеличение прочности, обеспечиваемое разрезным стрингером (рис. 5, б), возможно лишь до момента развития напряжений текучести по приваренному сечению стенки. Оценка дополнительной прочности имеет вид

?

АРпод= °'5("+1 )00П ^ К'

где N - число подкреплений, устанавливаемых в пределах данной вмятины; о0д- предел текучести материала подкрепляющего элемента; t - толщина стенки стрингера; 1гс - высота стенки стрингера; Ъ - длина вмятины.

Принято, что увеличение прочности, обеспечиваемое силовым стрингером (рис. 5,в), достигается вследствие развития напряжений текучести по площади наиболее ослабленного сечения стрингера. Поясок стрингера работает полной площадью на восприятие напряжений, в то время как стенка работает лишь частью своей площади, расположенной выше выреза под проход балок основного набора. Оценка дополнительной прочности

У+1 Р Р АР___= 2 -а^СРт -Я+0,5Г [(Л -/Р (22)

где ?п - площадь сечения пояска стрингера; кс - габаритная высота стенки стрингера; 1г - высота балок основного набора.

Отличительной особенностью врезного стрингера (рис. 5, г) отмячено.отсутствие вырезов для прохода балок основного набора, вследствие чего стенка работает полной площадью. Получена формула для оценки прочности в виде ЛГ+1

АРщд=2тош(Гп40.Я'0)(71ь-/). (23)

где Рс= *с(1х - площадь стенки стрингера в расчетном сечении.

В работе описан новый запатентованный способ подкрепления, разработанный в соавторстве с В.А. Кулешом и Г.П. Шемендюком (рис. 5,д), который отличается высокой технологичностью и лишен ряда недостатков, типичных для других способов. В данном способе полку балки соединяют струной-оттяжкой в виде полос с основанием стенок соседних балок, подобно ферменной конструкции.

Величина дополнительной прочности, обеспечиваемая струнами-оттяжками:

^««Г 2 — аои^соП- ^

где 2Рсо- суммарная площадь поперечного сечения всех струн, поддерживающих наиболее деформированную балку.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям несущей способности конструкций в области больших

деформаций.

Для проверки положения границы безусловной замены при комплексной ОТО листов (см. рис. 2) относительно области разрушения и учета влияния неравномерности износа на прогиб разрыва пластин, был испытан 51 плоский стальной образец толщиной 2; 3 и 5 мм с "дефектами" в виде фрезерованных канавок в районе опорных сечений. Нагрузка создавалась жестким цилиндрическим штампом. Эксперименты проводились на специально спроектированной и изготовленной установке (рис. 6).

Испытания относятся к судостроительной стали и пластинам с гибкостью в реальном диапазоне возможного изменения: отношение пролета к толщине от 24 до 120, который охватывает пластины судов разных типов и размеров. Глубина дефектов изменялась в широком диапазоне - от 0 до 33% при ширине до 1,5% от пролета. Практически такие дефекты соответствуют реальным канавкам, образующимся вдоль сварных швов, соединяющих обшивку с судовым набором, и являются наихудшим видом местного износа с позиций снижения деформационной способности.

Установлена четкая тенденция падения деформационной способности пластин с ростом глубины дефектов. Как показали испытания, деформационная способность-в соответствующих условиях реальной эксплуатации пластин может уменьшиться в 3-4 раза.

Показан качественно правильный учет снижения / с ростом т), (рис. 7) при сохранении значительного резерва эксплуатационной надежности. Поэтому выбранную границу безусловной замены при комплексной ОТС можно считать приемлемой и лежащей в безопасной области принятия решений.

Для оценки эффективности подкреплений перекрытий, проверки формул (4,24) выполнены эксперименты на малых стальных моделях, нагружаемых равномерным давлением до величины прогибов, в 1,5-2,0 раза превышающих допускаемые. Схема установки для испытаний перекрытий показана на рис. 8.

Серия опытов включала испытания пластин, подкрепленных: балками в одном направлении; балками в одном направлении и струнами-оттяжками в другом; балками в двух направлениях. В экспериментах менялись следующие параметры: ширина пластины, количество балок набора, высота стрингера, количество и схема расположения струн.

Для проверки решения (4), подготовки испытаний моделей с подкреплениями, отработки технологии изготовления и проведения экспериментов предварительно была исследована работа пластин, подкрепленных балками одного направления. При одинаковых размерах

ц'__$ .'т

^ «3 = 7?/[7}]

Рис. 7. Сопоставление границы

безусловной замены (-) и

экспериментов по разрушению образцов с дефектами:

1=2мм, □- £=3мм, о- t=5мм

Рис. 6. Принципиальная схема установки для разрушения образцов с дефектами:

1- образец; 2- силовая рама;

3- подвижная опорная плита;

4- гайка для выбора зазора;

5- опорные планки

батюк. шпациях и условиях закрепления перекрытия имели от 1 до 4 балок.

Хорошее согласование расчетной зависимости (4) с результатами экспериментов (погрешность до 8%), особенно в области принятия решения о необходимости ремонта перекрытий и его виде (рис. 9), позволило принять ее в качестве расчетной для программы проектирования подкреплений набора в районе вмятин.

Испытания выявили неиспользуемый резерв несущей способности перекрытий. Показано незначительное, не более 12%, повышение прочности при подкреплении пластин тремя и более балками одного направления в области больших прогибов. Поэтому эффективность подкрепления пластин путем установки дополнительных балок параллельно основному набору становится проблематичной.

Предложена несложная технология изготовления и испытания конструкций моделей перекрытий в области больших прогибов для исследования их несущей способности и эффективности подкрепления.

Основное внимание было уделено новому запатентованному способу подкрепления набора в районе вмятин (см. рис. 5,д), как наименее изученному и апробированному практикой судоремонта. Серия экспериментов для перекрытий, подкрепленных струнами-оттяжками, включала: подкрепление по центру струной; подкрепление по центру

О 2 4 [А6 3 10 ^ мм

Рис. 8. Принципиальная схема Рис. 9. Сопоставление экспери-

эксперимеятальной установки: ментальных данных (---) с

1- модель; 2- камера давления; расчетными по формуле (4) (—)

3- съемная крышка; 4- резина- для перекрытий. ••• -предельная

вая прокладка; 5-жесткие опоры нагрузка, 1-4- количество ребер

двумя струнами, расположенными одна над другой; подкрепление двумя струнами, разделяющими пролет на три равные части.

Анализ экспериментальных зависимостей (рис. 10) позволил сделать следующие основные выводы:

1. Увеличение длины перекрытия (числа деформированных балок) ведет к снижению эффективности подкреплений. При изменении длины от двух до пяти шпаций - эффективность подкрепления уменьшается в 2,4 раза.

2. Смещение струн-оттяжек от центра перекрытия снижает эффективность. Так, при увеличении числа струн с одной до двух и одновременном их расположении на 1/3 длины балок повышение прочности составило в экспериментах 1,5-2 раза.

3. С ростом прогибов эффект от подкрепления струнами снижается, т.к. одновременно растет прочность самого перекрытия.

Сопоставление с экспериментальными данными показало, что формула (24) позволяет достаточно точно оценить эффективность подкрепления струнами-оттяжками при изменении длины перекрытия, смещении струн от центра перекрытия и росте прогибов.

Однако использование формулы (24) приводит к несколько заниженным значениям. Поэтому была получена донолни-

а) Я. МПа

1,4 1.2 1.0 0,3 0,Б 0.4 0,2

О

/

77

и-

7

П

1/

-и

б)

Я- МПа

4 [Г] 6 I мм

4 И

12 I мм

- МП-

Ч .....

Рис. 10. Влияние подкрепления струнами-оттяжками на прочность

перекрытий с одной (а) и тремя (б) балками: 1- пластина с ребрами; 2- пластина с ребрами и одной струной; 3- пластина с ребрами и двумя струнами по центру; 4- пластина с ребрами и двумя струнами

тельная формула, учитывающая влияние прогибов на повышение прочности, обеспечиваемой струнами:

[¡№+0,5(№И)/]. (25)

а

Пример сопоставления с расчетами по формуле (25) при подкреплении двумя струнами показан на рис.11.

Согласование с результатами экспериментов в пределах погрешности до 10%.

Эффективность подкрепления стрингерами в экспериментах

1,4 1.2 1.0 0.6 0.4 0.2

0

/ л

1 / // /у .V/'/1 Г у*

/2 ¿У < /г / /

/ / / ш

й ШУ / I I

I I

г ! I I

4 т

> 10 I мм

исследовалась на моделях с тремя Рис. 11. Сопоставление данных шпациями. Установлено, что увели-модеКеНшдаеше™ дв$5 «высоты стрингера повышает струнами-оттяжками, с расчетами эффективность подкрепления. При

(1-4ЬкожЖво балок*" Увеличении высоты стрингера в 1,4

раза повышение прочности составило 1,6 раза. Но отмечено, что увеличение высоты балки ведет к уменьшению допускаемого нормами дефектации прогиба

ч

вмятины, а следовательно, к необходимости ремонта. В результате подкрепления снижается деформационная способность конструкции.

Сравнение вариантов подкреплений перекрытия с тремя шпациями путем установки двух струн-оттяжек и стрингера показало, что по параметру (рост прочности на единицу массы металла) вариант подкрепления струнами эффективнее.

В пятой главе разработаны алгоритмы и компьютерные программы: ОТС, проектирование подкреплений изношенно-деформированных листов обшивки (программа "SHELL") и набора в районе вмятин (программа "FRAME"); исследование упругопластичес-кого поведения пластин (программа "PLATE").

В основу программ ОТС положены типовая блок-схема выбора решений по ремонту судовых конструкций (рис. 12), алгоритмы подкреплений обшивки и набора (рис. 13).

После ввода данных по судну и фактических значений дефектов, последние сравниваются с вычисляемыми допусками и границей безусловной замены. В зависимости от фактического ТС предлагаются решения: годное состояние - подкрепление (отсрочка)- безусловная замена. Любое принимаемое решение имеет количественное выражение: отсрочка - время отсрочки, подкрепление.- размеры подкрепления.

Различие алгоритмов подкреплений (рис. 13) в том, что для обшивки программа предлагает подкрепления с минимальными размерами, а для набора размеры выбираются пользователем до тех пор, пока не будет выполнено условие прочности.

Оценка и прогноз ТС листов в программе выполняются по износу и остаточным деформациям (бухтины, гофрировка). По результатам анализа определяются следующие возможные решения: ремонт не нужен, отсрочка ремонта, подкрепление листа, замена. Выбор окончательного решения осуществляет пользователь программы с учетом конкретных условий ремонта.

Если принимается решение о подкреплении, то программа обеспечивает возможность выбора следующих способов: приварка вертикальных или горизонтальных накладных полос, приварка дублировки, установка ребер параллельно или перпендикулярно основному набору. Размеры подкрепляющих элементов определяются с учетом возраста судна, степени износа и величины деформации. В случае замены рассчитывается толщина вновь устанавливаемого листа с учетом срока дальнейшей эксплуатации судна.

Для конструкций в районе вмятин программа позволяет выбрать способы ремонта, оценить возможность его отсрочки без ограничений или с ограничениями на условия эксплуатации.

Рис. 12. Блок-схема программ выбора решений по ремонту

а)

Рис. 13. Типовые блок-схемы проектирования подкреплений обшивки (а)) и набора (б)

Рассматриваются решения: ремонт не нужен, подкрепление балок, замена с восстановлением, замена с подкреплением.

В зависимости от ТС, программа обеспечивает возможность выбора пяти видов подкреплений: приварка накладных полос к полкам балок; установка разрезных, силовых и врезных стрингеров; установка струн-оттяжек. Необходимое количество подкреплений и их размеры подбираются с учетом возраста судна, степени износа, величины деформаций и планируемого срока дальнейшей эксплуатации.

Поскольку в программе ОТО листов, ориентированной на массовое применение в производстве, сложные схемы расчета пластин сведены к обобщенным упрощенным нормам дефектации, то "физика" поведения пластин в эксплуатации остается малоизученной и невидимой. Для учебных и исследовательских задач, дальнейшего совершенствования нормативной базы по судоремонту предложена и апробирована программа расчета пластин "PLATE", расчетные зависимости для которой разработал В.А. Кулеш.

Она предназначена для решения вопросов местной прочности судовых конструкций, оценки экстремальных внешних воздействий на корпус и прогнозирования ТС пластин в эксплуатации, проектирования листов обшивки и настилов с учетом фактора времени.

Показано, что программа позволяет рассчитывать прямоугольные пластины на действие поперечной нагрузки от начала нагружения до разрушения. Возможности программы обеспечивают учет локальности приложения нагрузки, конечной величины распора, упрочнения материала, остаточных прогибов пластины и ее опорного контура, времени эксплуатации и скорости износа. Результаты расчетов выводятся в виде графика "давление-прогиб" и таблиц.

Выполнена проверка точности и достоверности учета в алгоритме программы распора, жесткости, соотношения сторон и локальности приложения нагрузки путем сопоставления с экспериментальными данными 16 натурных и около 100 малых моделей. Получено удовлетворительное согласование с расчетами по программе (рис. 14).

Опыт внедрения программ показал высокую эффективность предложенного алгоритма выбора решений по ремонту судовых конструкций. Программы использовались для оценки и прогноза ТС более 2000 листов наружной обшивки семи судов, расчета 11 вмятин (9 из них оставлены без ремонта и отсрочен ремонт для двух).

ОСНОВШЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Выполненные в работе исследования позволили получить следующие результаты:

2) ч.ИПа 9

а 7 б 5 4 3 2 1 О

4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5

I

.0.0

Рис. 14. Сопоставление расчетных данных по программе (—) с экспериментальными (•) для пластин разной жесткости при равномерном (а- эксперимент H.A. Иванова) и локальном приложении нагрузки (б- эксперимент Н. Yasuyuki)

1. Предложены летодиш выбора способов ремонта поврежденных судоых конструкций с обоснованием алгоритмов принятия решений по ремонту и уровня повышения прочности при подкреплении.

Одновременный учет дефектов трех видов (остаточный прогиб, общий и местный износ) позволил установить верхнюю границу области подкрепления листов.

2. Получены прикладные зависилост для определения размеров подкреплений изношенно-деформированных листов и набора в районе вмятин. Для подкреплений листов рассматривались следующие варианты: ребра, накладные полосы и дублировки; для подкреплений набора: накладные полосы; разрезной, силовой и врезной стрингеры; струны-оттяжки.

»

t

i

N

012345678 f,KM

3. Получены формулы для оценки остаточных ресурсов листов при гофрировке, линейном и канавочном износе.

4. Выполнены экспериментальные исследования на моделях пластин с дефектами и проверено полокение предложенной границы безусловной замены относительно области разрушения. Установлено, что граница безусловной замены лежит в безопасной области принятия решений о ремонте листов путем подкрепления.

5. Выполнены, эксперимент на малых стальных моделях для оценки эффективности способов подкреплений струнами-оттяжками и стрингерами в районе вмятин. Показана перспективность подкрепления набора струнами-оттяжками в районе вмятины как наименее металлоемкого способа ремонта.

Получен патент №1615032 на изобретение "Узел подкрепления деформированного участка судового перекрытия".

6. Разработаны алгоритмы и программы оценки технического состояния, методики проектирования подкреплений судовых конструкций на базе персональных компьютеров. Программы согласованы и одобрены с Регистром.

7. Предложена компьютерная программа "PLATE" для упругопла-сгического расчета пластин на действие поперечной нагрузки и апробирована путем сопоставлении с экспериментами, остановлено, что алгоритм программы с достаточной точностью учитывает изменение таких параметров, как жесткость, соотношение сторон, степень распора и локальность приложения нагрузки.

8. Программы и методики переданы 8 организациям, с общей стоимостью реализации около 25 тыс. долларов США. Внедрение результатов работы при ремонте 16 судов обеспечило экономию прямых затрат около 300 тыс. долларов США.

Основные результаты диссертации изложены в следующих печатных работах:

1. Оценка технического состояния и способов ремонта изношенно-деформированных пластин судовой обшивки с использованием персональной ЭВМ // Совершенствование технической эксплуатации корпусов судов: Тез. докл. Всесоюзн. НТК, посвященной 80-летию проф. А.Г. Архангородского. -Калининград,

1989. -С. 28-29. (Соавтор В.А. Кулеш).

2. Совершенствование оценки технического состояния и ремонта корпусов судов// Повреждения и эксплуатационная надежность судовых конструкций: Тез. докл. XI Дальневост. НТК. -Владивосток,

1990.-С. 56-58. (Соавторы В.А. Кулеш, Г.П. Шемендюк).

3. Расчетно-экспериментальное исследование несущей способно-

сти подкрепленных пластин при больших прогибах // Там же. -С. 53-56. (Соавтор В.А. Кулеш).

4. Повреждения и ремонт корпусов судов типа РС-300 // Повреждения судовых конструкций при эксплуатации судов в ледовых условиях и пути их устранения: Материалы по обмену опытом. -Влад-к, 1989. -Вып. 27. -С. 52-60. (Соавторы В.А. Кулеш, Г.П. Шемендюк).

5. Влияние неравномерности износа на деформационную способность пластин судового корпуса // Там же. -С. 60-66. (Соавтор В.А. Кулеш).

6. Экспериментальное исследование влияния неравномерности износа на деформационную способность пластин // Совершенствование судоремонтного производства: Материалы по обмену опытом. -Владивосток, 1991. -Вып. 29. -С. 48-55. (Соавтор В.А. Кулеш).

7. Модернизация фальшбортов рыбопромысловых судов // Опыт проектирования судов для Дальневосточного бассейна: Тез. докл. XI Дальневост. НТК. -Владивосток, 1992. -С. 42.(Соавтор В.А. Кулеш).

8. А. с. СССР £1615032. Узел подкрепления деформированного участка судового перекрытия, МКИ В 63 В 9/00, опубл. в Б.М, 1990, М7 (соавторы В.А. Кулеш, Г.П. Шемендюк).

9. Нормативно-методическое обеспечение расчетов судовых пластин с использованием персональных компьютеров //' Кораолестроение и океанотехника: Тез. докл. XXXIII Юбилейной НТК ДВГТУ. Влад-к, 1993. -С. 110-111. (Соавторы Н.И. Восковщук, В.А. Кулеш).

10. Упругопластический расчет пластин на компьютерах типа IBM. Метод, указания. -Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 1993. -32с. (Соавторы Н.И. Восковщук, В.А. Кулеш).

11. Опыт снижения объемов ремонта корпусов судов на основе программного обеспечения НПЦ ДВГТУ // Исследование по вопросам повышения эффективности судостроения и судоремонта: Сб. НТО им. акад. А.Н. Крылова. -Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 1994. -Вып. 36.

-С. 28-35. (Соавтор В.А.Кулеш).

12. Опыт применения программы по ремонту вмятин "FRAME" // Там же, 1995.-Вып.36.-С.42-49. (Соавторы С.Н. Иванов, В.А.Кулеш).

13. Программно-методическое обеспечение расчетов местной прочности судовых конструкций в эксплуатации //Транспорт и связь: Мехвуз. сб. науч. тр. -Хабаровск: Изд-во ДВГАПС, 1995. -С. 63-71. (Соавтор В.А. Кулеш).