автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Математическое и численное моделирование поведения подводных тросовых систем

На правах рукописи

Младова Татьяна Александровна

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ ПОДВОДНЫХ ТРОСОВЫХ СИСТЕМ

Специальность 05.13.18 — Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Комсомольск-на-Амуре — 2004

Работа выполнена в ГОУВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» на кафедре «Кораблестроение»

Научный руководитель: Заслуженный работник ВШ РФ,

доктор технических наук, профессор Тарануха Николай Алексеевич

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

Бугаев Виктор Григорьевич

Кандидат технических наук, доцент Онищук Андрей Валентинович

Ведущая организация: Специальное конструкторское бюро

средств автоматизации морских исследований ДВО РАН

Защита состоится 19 февраля 2004 г. в_час. на заседании диссертационного совета Д 212.092.03 в ГОУВПО «Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет» по адресу: 681013, г. Комсомольск-на-Амуре, пр. Ленина, 27

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВ1Ю «Комсо-мольский-на-Амуре государственный технический университет».

Автореферат разослан «

2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Могильников Е.В.

»

27959

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Разрушения подводных тросовых систем (ПТС) приносят огромные материальные потери и в определенной степени тормозят развитие некоторых отраслей и народного хозяйства, связанных с использованием ПТС. В представленной работе осуществлено решение комплекса проблем, связанных с моделированием поведения подводных тросовых систем, что может послужить основанием для успешного проектирования и эксплуатации ПТС.

Подводные тросовые системы используются как система удержания надводных сооружений, как заграждения или ловушки, а также как гибкие биотехнические сооружения для выращивания морских организмов и водорослей.

Диссертация посвящена вопросам расчета внешних нагрузок на ПТС, оценки устойчивости и прочности верхнего строения ПТС и определения держащей силы анкеров. Исследование указанных проблем и построение математических и численных моделей является задачей актуальной.

Постановка задачи. При проектировании и эксплуатации подводных тросовых систем чрезвычайно важной является оценка внешних воздействий (волн, течений), оценка прочности таких систем и оценка держащей способности анкерных закреплении в грунте.

Расчетный путь создания сооружений обладает существенными преимуществами перед эмпирическим и требует создания надежных методов определения нагрузок и внутренних усилий, возникающих в элементах ПТС.

Основными воздействиями, вызывающими нарушения функционального назначения сооружения и целостность его элементов являются волновые воздействия и течения. Они составляют около 95 % всех нагрузок. Разрушаются сооружения, главным образом, во время штормов.

3 рос. национальная]

библиотека {

С Петербург 1 « ОЭ ]

Основными особенностями ПТС являются:

• наличие гибких элементов (тросовых элементов) и анкеров, удерживающих ПТС в определенном месте;

• перемещение ПТС не регламентируется строгим сохранением заданной формы;

• перемещения ПТС соизмеримы с размерами самого сооружения.

Традиционно для проектирования прочных, устойчивых, долговечных ПТС требуются определения воздействующих на них внешних усилий и оценка прочности элементов ПТС. В виду особенностей ПТС приспособить для решения этих задач методики, разработанные для других сооружений, невозможно или крайне затруднительно.

Ставятся три задачи - исследование внешних воздействий на ПТС; исследование самой ПТС и исследование поведения удерживающих анкеров в грунте.

Цель работы - разработка и экспериментальное обоснование математических и численных моделей поведения гибких и полугибких элементов используемых в подводных тросовых системах, в том числе и моделей для оценки держащей силы анкерных закреплений.

Научную новизну работы составляют:

математическая модель и компьютерная программа для оценки влияния внешних воздействий (волн и течений) на сооружение;

математическая модель расчета на прочность подводной тросовой системы на основе метода контурных уравнений;

численная модель и экспериментальное обоснование оценки держащей силы анкерных закреплений подводных тросовых систем.

Достоверность результатов обеспечения: экспериментальным, обоснованием исходных положений исследований, сравнением результатов расчета с результатами существующих норм и методик, с численными. расчетами по методу конечных элементов.

Практическое значение и реализация результатов работы:

предложенные модели расчета элементов подводных тросовых систем обеспечивает возможность рационального использования конструкций при максимальных нагрузках и эксплуатации сооружения на более длительный' срок.

Апробация работы. Материалы работы докладывались и получили одобрение на Международной конференции, г. Владивосток, 1997 г.; XXXV научно-технической конференции, г. Владивосток, 1995 г.; научно-техническом семинаре кафедры «Теории сооружений» ДВПТУ, 2001 г.; научно-технической конференции, г. Комсомольск-на-Амуре, 2001 г., объединенным научным семинаре кафедр морского института ДВГТУ, 2003 г.

Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в б научных статьях и докладах, приведенных в списке публикаций.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения и шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Она изложена на 172 страницах текста, содержащего 58 рисунков и 11 таблиц, 32 страницы приложений. Библиографический список содержит 95 наименований.

Работа выполнена на кафедре кораблестроения Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета. Автор выражает признательность коллективу кафедры за оказанную помощь при выполнении данной работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрена проблема расчета подводных тросовых систем. Отмечены важность и актуальность темы.

В первой главе приведен обзор работ, где рассмотрены существующие подводные тросовые системы (рисунок 1), математические и численные модели расчета системы вертикального удержания и системы гори-

зонтального удержания. Исследованием волновых воздействий на ПТС, а также возникающих в тросах усилий и перемещений занимались Беглярова Э.С. Беккер АЛ\Зласов Б.А., Галахов И.Н., Гандерсон Р.Х., Данилов Ю.А., Стоценко А.А., Фридман АЛ.. Особой проблемой для ПТС является поведение анкера в грунте. Этой проблемой занимались Буслов А.С., Броме Б., Жезницкий-А.И., Канонян А.С., Кирилин В.МД Коровникова Т.Н., Лучковский И.Я., Лекумович Г.С., ЛундинЛ.Ш., Мустафаев А.А., Мамедов KJM, Рабинович Е.А., Строганов А.С., Урбан И.В.. Достаточно глубокие и комплексные исследования ПТС были выполнены на кафедре «Теории сооружений» ДВГТУ под руководством профессора-Стоценко А.А.

Рисунок 1 - Подводно-тросовая система

Одной из наиболее ответственных частей ПТС является система удержания. Под системами удержания понимают устройства, связывающие верхнее строение с дном водоема и предназначенные для удержания верхнего строения в пределах допускаемых перемещений.

Свайные анкеры - это анкеры кругового действия, одинаково хорошо работающие при любом изменении направления усилий, передаваемых

якорными оттяжками. Однако применяемые в настоящее время в практике проектирования методы расчета свай не отражают в полной мере характер работы свайных анкеров в основаниях ПТС.

Поскольку сваи вовлекают в работу нижние слои грунта, при экстремальных волновых воздействия могут происходить разрушения грунта в верхней зоне свай. Способность грунтов восстанавливать свои свойства в воде при изменении положения анкеров хорошо известна. Следовательно, традиционные методы расчета свай для описания работы свайных анкеров ПТС малопригодны. Необходима разработка специальных методов расчета, учитывающих возможность больших перемещений, возникновения в грунте больших зон пластических деформаций и, возможно, зон разрушения..

Гибкость верхнего строения ПТС допускает значительные перемещения голов свай, соизмеримые с размерами самой сваи, поэтому нет необходимости использовать в расчете ограничения по перемещениям. Если допустить для головы сваи значительные перемещения, то в грунте верхней зоны вокруг сваи будут образовываться большие области пластических деформаций, возможно даже разрушение части грунта вокруг сваи. Главное условие, которое необходимо соблюдать, - обеспечение устойчивости сваи в грунте, то есть невозможности выдергивания сваи или выпора грунта из-под нижнего конца сваи, для коротких свай и обеспечение прочности материала сваи в месте изгиба.

Таким образом, применяемая в настоящее время в практике проектирования модель упругого линейно - деформируемого полупространства (модель Винклера) для расчета оснований анкеров ПТС непригодна. Более пригодными здесь являются модели, основанные на численных процедурах метода конечных элементов.

Во второй главе рассматривается математическая модель определения параметров течения и волнения и нагрузок, действующих на ПТС

со стороны моря. Составлена программа по расчету этих нагрузок на сооружения. Для определения параметров течения необходимо определить: -вероятностные характеристики волнения; влияние рельефа дна и глубины на волны; влияние нелинейности волнения.

Для расчета гравитационных сооружений; когда доминирующей составляющей волновой нагрузки является инерционная, в большей степени подходит линейная теория волн. В этой теории не учитывается взаимодействие волн, имеющих разные частоты, и, следовательно, применим принцип суперпозиции параметров, соответствующих волнам различных частот и направлений. Рассмотрим влияние гидродинамической нагрузки на сооружение в предположении неизменяемости системы, то есть в первом приближении. Допущения, объясняющие статический подход:

1) ПТС полностью в воде, силы скорости и ускорения малы;

2) тросовая система тонкая; силами, действующими на ширину тросов, пренебрегаем;

3) объем технологичных элементов велик по сравнению с небольшими силами инерции.

Принятые допущения позволяют определять нагрузку по пространственному полю скоростей в волне на сооружение; положение которого заранее известно. Однако, для того; чтобы говорить о загружении конкретного сооружения, требуется решить вопросы:

- о значении для гибких технологичных элементов скоростной составляющей нагрузки;

- о вычислении гидродинамического сопротивления .

Система уравнений равновесия:

Для данной модели из уравнений равновесия 1 получим следующие выражения (рисунок 2):

а - расчетная модель течения; б - расчетная модель волнения Рисунок 2 - Расчетная модель конструкции ПТС

В уравнения равновесия 2 следует включить гидродинамические силы на технологические элементы, наплава и груза. Но это можно сделать, заменяя сосредоточенные усилия распределенными и включая их в Силы определяются приближенно по формуле Морисона:

где Си =(РшБтр)+ погонная масса; т - масса троса с рас-

пределенной массой дополнительных элементов; присоединенная масса воды; коэффициент сопротивления профиля, плотность материала;

площадь поперечного сечения, диаметр троса; коэффициент

присоединенной массы. Сосредоточенные присоединенные массы зависят от формы тел:

А/ =* ^ я р Л3, где Л - радиус шара; к • коэффициент присоединенной " з

массы.

Коэффициенты профильного сопротивления, сопротивления тре-

1

ния: Сг: С^ -- pdCd • для круглого сечения диаметром d С^ - в зависимо-

1 . •=-

сти от числа Рейнольдса; Cr = -pL-CT, где L - периметр сечения троса

Координаты равновесного положения частиц по формуле:

Z, = о. ■ ^Чг cosli t-o í)——-

Ь 0 2 v ' chkH

Х^ - о. -

й>

h(k(Z±H))

chkH

(4)

Скорости определяем через тригонометрические функции. Численная реализация предложенной модели осуществляется с использованием программ на алгоритмическом языке «БЕЙСИК». Фрагмент результатов расчетов приведен на рисунке 3.

Рисунок 3 - Результаты расчетов волновой нагрузки

Третья глава посвящена моделированию расчета тросовой системы. Применяя метод контурных уравнений, произведен расчет на максимальные усилий в тросах ПТС, в том числе и в оттяжках к анкерам.

Конструкция ПТС состоит из двух, частей: из верхнего-строения, (системы тросов, наплавов и грузов) и держащих анкеров, заглубленных в грунт (рисунок 4)

Рисунок 4 - Расчетная модель ПТС На основании исследований существующих конструкций с учетом ранее указанных особенностей была предложена схема сооружения, монтируемая из отдельных прямоугольных и треугольных блоков. Поскольку монтаж верхнего строения, являющегося вантовой системой, происходит непосредственно под поверхностью воды, то монтаж мелкими блоками будет более технологичным и экономичным. Монтаж сооружения и технология использования упрощается, если ПТС конструировать из нескольких блоков. Тогда, исходя из требований к ПТС, можно изменять конфигурацию и размеры блоков (рисунок 5), а так же общие очертания ПТС.

Ставятся две задачи - исследования горизонтальной системы удержания (анкеры) и верхнего строения (тросы).

На рисунке 5,а основание - равносторонний треугольник, со стороной а = 5 м , на рисунке 5,б- основание - квадрат со стороной а = 5 м, на

рисунке 5,в — основание - прямоугольник со сторонами а=15 м, Ь = 5 м.

В рамках задачи исследования верхнего строения (тросов) рассматривались три варианта вантовых- конструкции, различающихся фигурой, положенной в ее основание: Конструкции различаются количеством тросов и размерами; ПТС относится к вантовым системам, поскольку состоит из гибких стержней, работающих только на растяжение.

а—основание ПТС - равносторонний треугольник; б - основание ПТС - квадрат; в - основание ПТС - прямоугольник Рисунок 5 - Конструктивные схемы ПТС

Задачи с большими перемещениями требуют для решения специальных методов, в частности, здесь может быть применен метод контурных уравнений, пригодный для расчета конструкции с большими перемещениями узлов и большими деформациями.

В методе контурных уравнений система уравнений в общем случае имеет вид:

и +=м ^ (5)

где [к] — орт-вектор стержня , с индексом (0) - до деформации, с индексом р — орт-вектор силы; [С] — матрица базисных циклов орграфа; [т], [п], [е] - диагональные матрицы, элементами которых являются направляющие косинусы стержней; [Б] — матрица, содержащая информацию о цепочках стержней, соединяющих опоры;- [8] -структурная матрица, полученная из матрицы инцидентности орграфа; [В] - диагональная матрица жесткости, Ь = —Ь.—, где {Л'} — вектор-столбец, его элементы — усилия в стержне; единичная матрица; неизвестными в системе уравнений являются усилия в стержнях и направляющие косинусы стержней.

Для рассматриваемой в диссертации задачи математическая модель в проекциях на оси Ox, Oy, Oz в матричной записи имеет вид:

где первые три строки - это уравнение равновесия, следующие три -контурные, следующие три - граничные условия и последнее - основное тригонометрическое тождество для каждого стержня.

Решая систему уравнений (6) находим усилия в тросах N и направляющие косинусы т, п, е, т.е. фактически координаты узлов ПТС в деформированном состоянии.

В данной задаче наибольший интерес вызывает поведение тросов, соединяющих основание с анкерами. Каждый узел основания соединен с

двумя анкерами, при выключении из работы бокового троса конструкция еще выдерживает нагрузки, а при выключении второго (основного) начинает падать, именно эта ситуация является самой опасной при работе рассматриваемой вантовой системы.

Если встает вопрос о перемещении узлов, то можно воспользоваться методом узловых координат . В матричной записи уравнения метода имеют вид:

= -Рт + 5В"' [|и]{£.} = -Р„ + 5В"1 [/»]{£} (7)

г=-Рл + ¿В1 [я]{£}

где неизвестными являются X, У, 2- векторы-столбцы, их элементы - координатами узлов после деформации.

Решая каждое из уравнений, получим новые координаты узлов, а, следовательно, и их перемещения. Приведены перемещения для самого опасного случая, максимально возможной силы течения, которую выдерживает конструкция, для каждого из вариантов основания.

Был разработан алгоритм оценки провисания гибкого троса и составлена компьютерная программа на языке Си, которая используется как подпрограмма при общем расчете верхнего строения ПТС, в состав которой входит алгоритм подпрограммы учета провисания троса.

В четвертой главе приведены результаты физического моделирования несущей способности сваи на выдергивающую нагрузку (модельные эксперименты). Модельные эксперименты проводились с целью проверки адекватности принятой расчетной модели и исследования основных зависимостей.

Для выявления закономерности работы системы необходимо проанализировать процесс разрушения, определить зависимости несущей способности от вида нагрузки и геометрических характеристик свай. С этой

целью проведены серии испытаний мелкомасштабных моделей свай в сухом и водонасыщенных песчаных грунтах.

Основными задачами экспериментальных исследований были:

1) Исследование зависимости между величиной наклонной выдергивающей нагрузки и углом наклона нагрузки. Целью эксперимента является определение зависимости между углом наклона нагрузки, приложенной к анкеру, и величиной выдергивающей нагрузки.

2) Исследование- влияния жесткости моделей анкеров на зависимость между горизонтальной нагрузкой и перемещением анкера по поверхности грунта.- Целью эксперимента в этом случае является выявление зависимости перемещений свай различной жесткости от величины горизонтальной нагрузки.

3) Исследование влияния величины нагрузки на зависимость между горизонтальной нагрузкой и перемещениями анкера. Целью эксперимента в этом случае является выявление закономерностей поведения системы анкер - основание на моделях при однократном статическом и циклическом загружениях.

Все экспериментальные исследования проводились в лаборатории. Опытового бассейна кафедры кораблестроения . Комсомолького-на-Амуре государственного технического университета.

Испытания проводились в мелком сухом и водонасыщенном песке. Модели деревянные и стальные с квадратным и круглым сечениями. Нагрузка к модели прикладывалась под разными * углами отклонения от вертикали. Нагружение моделей проводилось до выдергивания их из грунта. Нагрузка прикладывалась ступенями в 5Н с выдержкой до условной стабилизации. Значение максимальной нагрузки принималось за частное

предельное значение несущей способности сваи.

Перед выдергиванием сваи в фунте образовывались характерные трещины, идущие от граней сваи под углом к направлению приклады-

ваемой силы Этот угол находится в пределах 20 - 30° и уменьшается с увеличением угла 5 . Грунт в верхней зоне образовывал характерный клин, размеры которого увеличивались при выполаживании нагрузки

Выявлена характерная особенность работы модели свайного анкера -значительное увеличение критической нагрузки на сваю при увеличении угла наклона выдергивающей силы

Все эксперименты фиксировались на видеокамеру, далее данные считывались на компьютер, где и проходила основная обработка результатов

В пятой главе исследовалось поведение анкеров в грунте численным методом на основе метода конечных элементов. Для этого в диссертации была разработана специальная методика.

Рассматриваемая задача считалась осесимметричной. Количество узлов - 25141, элементов - 16471. Конечные элементы приняты тетраидаль-ные Граничные условия на контуре конечно-элементной сетки задаются на дне по осям X, Y, Z (1, 2, 3) и углами КК, RY, RZ (4, 5, 6), на фасаде модели по оси Y(2) и углам КХ, RY, RZ (4,5, 6).

Рисунок 6 - Конечно-элементная схема сваи в грунте Для решения задачи была использована программа MSC/NASTRAN.

Первая модель расчета основана на создании тела с параметрами

песка и размерами 500 х 500 мм, в центре которой находилось отверстие, соответствующее размерам сваи. На это тело действовали гравитационные нагрузки, то есть нагрузки от давления воды (Н = 200 мм) и самого грунта.

Вторая модель основана на создании тела с параметрами песка 500 х 500 мм, в центре массива металлическая свая. К свае приложены гравитационные нагрузки и наклонная выдергивающая сила. При действии выдергивающей нагрузки свайный анкер будет работать в грунте до момента вырыва анкера из грунта. Таким образом, предельное состояние системы будет обусловлено прочностью грунта. Для выявления закономерности работы системы необходимо проанализировать зависимости несущей способности от вида нагрузки и геометрических характеристик свай, найти нормальные и касательные напряжения, определить распределение перемещений. Результаты расчетов представлены на рисунке 7.

-I *[*J-I.| ф* чащ

Рисунок 7 - Эпюра распределения перемещений грунта Принципиальная схема определения выдергивающей силы с использованием метода конечных элементов для случая действия силы под углом

1) Выполняется модельный эксперимент, в результате которого определяются значения критической выдергивающей силы при различных углах наклона а . Угол а = 0" соответствует вертикальному на-

правлению выдергивающей силы. Полученные в данном исследовании

численные значения Р° показаны в таблице 1: Ч>

Таблица 1

Угол наклона а, град 0 15 30 45 60

Выдергивающая нагрузка, Р° ,Н ч> 8,40 16,70 21,70 22,00- 24,30

2) Для данных значений выдергивающей силы вычисляются методом конечных элементов значения эквивалентных напряжений в

нижнем торцевом сечении анкера (на границе анкера и фунта) при нагрузках, равных выдергивающим. Величины эквивалентных напряжений, полученные в данном исследовании, показаны в таблице 2 и на рисунке 8. Таблица 2

Угол наклона а, град 0 15 30 45 60

Эквивалентные напряжения сг , Н/м2 Зкв (Р = 8,40) 2535 (Р=16,7) 5565 (/> = 21,7) 7010 (Р = 22,0) 5540 (Я = 24,3) 4505

Эти напряжения будем считать критическими, то есть напряжениями, при которых происходит выдергивание сваи при разных углах наклона выдергивающей силы.

3) Вычисляем безразмерный коэффициент К по формуле:

К =0° /<7° а- кр кр •

(8)

здесь

а* -кр

критическое значение напряжения при заданном значении угла

наклона критическое значение напряжения при вертикальном

кр

= 0°) направлении выдергивающей силы. Назовем этот коэффициент коэффициентом увеличения (из-за наклонного характера действия силы) критического напряжения в зависимости от угла наклона направляющей силы. В данном исследовании график для определения коэффициента К приведен на рисунке 9.

Рисунок 9 - Зависимость коэффициента К^ от угла наклона а По этому графику можно определить значения коэффициента увеличения критического напряжения при любом заданном угле наклона а выдергивающей силы.

4) При наличии этого графика можно определить величину критического напряжения аа при любом угле а наклона выдергивающей силы

кр

по формуле:

о* =*: -<х° кр а кр

(9)

Здесь критическое эквивалентное напряжение при вертикальном действии

силы определяется из предварительного эксперимента, предварительного расчета или по нормативным документам как допускаемое напряжение.

5) Для случая, когда связь между напряжениями о^ _ и выдергивающими силами /^является линейной (или может быть принята линейной) можно считать, что коэффициент К^ увеличения критического напряжения одновременно является и коэффициентом увеличения критической (выдергивающей) силы.

6) В этом линейном случае величина критической (выдергивающей)

наклонной силы при любом значении угла может быть определена по формуле:

Здесь Р^ - критическое значение выдергивающей силы, для случая, когда она действует вертикально вверх, то есть при а = 0 (смотри пункт 7).

7) Величину для любого реального анкера конкретного типа

можно вычислить по методу конечных элементов, используя процедуру пошагового нагружения. Для этого необходимо по МКЭ вычислять эквивалентные напряжения в нижнем сечении анкера, постепенно увеличивая вертикальную силу Р. Значение Р, при котором возникает напряжения, равные критическим для данного грунта, можно считать критическим значением выдергивающей вертикальной нагрузки

8) Для случая, когда связь между напряжениями сг^ и выдергивающими силами является существенно нелинейной (а здесь мы имеем именно такой случай, см. графики на рисунках 8 и 9), необходимо устано-

Ра =г •Ри

кр а кр

(10)

вить эту нелинейную зависимость. В диссертации такая зависимость установлена в разделе 5.2.

В этом случае определение критической (выдергивающей) наклон-

ной силы для нелинейной задачи производятся по формуле:

ра _ ка рО

(И)

9) Входящие в формулу (11) коэффициенты Кфопределяются следующим образом: коэффициент к0 определяется по графику на рисунке 9; коэффициент »Сд при найденных ранее величинах о^ (пункт 4) и

^ко (пункт 7) определяется по формуле: /с® >

^ 0 жр кр

(12)

коэффициент является коэффициентом нелинейности выдергивающей нагрузки и определяется расчетно-экспериментальным методом по форму-

ле:

где

ра

определяется на основании предварительного модельного экспе-

римента (см. таблицу 1), а (7° соответствующим расчетом по МКЭ (см.

кр

таблицу 2). На основании этих данных может быть построен график для определения коэффициента нелинейности при любом

Рисунок 10 - Зависимость коэффициента Ж"| от угла наклона а

В заключительной части главы S было рассмотрено поведение в грунте анкера с уширением и определены для него коэффициенты удержания.

В шестой главе приводятся результаты сопоставлений расчетных и экспериментальных данных.

Таблица 5 Сопоставление расчетных и экспериментальных результатов

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1) Разработана математическая модель и методика учета влияния на ПТС внешних воздействий (волнение моря, подводные течения).

2) Создана компьютерная программа для вычисления внешних нагрузок на ПТС в зависимости от Параметров волнения и течения.

3) Разработана математическая модель и методика расчета прочности верхнего строения ПТС с учетом больших перемещений и провисания тросов.

4) Создана компьютерная программа учета провисания тросов ПТС.

5) Выполнено физическое моделирование (модельный эксперимент)

поведения различных анкеров в грунте.

6) Разработана численная модель и методика расчета на основе МКЭ определения держащей силы анкера в грунте.

7) Выполнено сопоставление результатов определения несущей способности свайных анкеров, полученных различными способами при произвольных направлениях усилия в оттяжке на анкер ПТС.

8) Разработанные в диссертации математические и численные модели и методики позволяют расчетным путем с достаточной точностью определять для ПТС:

• Внешние нагрузки на ПТС со стороны моря;

• Усилия в тросах верхнего строения ПТС и в оттяжках к анкерам;

• Держащую силу свайных анкеров при произвольных направлениях усилий в оттяжках.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1) Младо ва Т. А. Исследование работы свайного анкера с ушире-нием. //Строительство и Архитектура. Книга 1. Ч. 2: Тез. Докл. XXXV научно-технической конференции (Владивосток, 15-17 апреля 1995г.) /Владивосток: ДВГТУ, 1995. С. 54-55.

2) Младова Т.А. Анализ систем горизонтального удержания для гидробиотехнических систем. //Строительство и Архитектура. Ч. 2: Тез. Докл. ХХХУ1 научно-технической конференции (Владивосток, 11-19 апреля 1996г.) /Владивосток: ДВГТУ, 1996. С. 143-144.

3) Младова Т.А. Расчет коэффициента удержания для свайного анкера в песчаном грунте. //Строительство и Архитектура. Проблемы и перспективы. Ч. 1: Материалы трудов международной конференции ( Владивосток, 18-20 сентября 1997г.) /Владивосток: ДВГТУ, 1997. С. 367-368.

4) Тарануха Н.А., Жеребко К.В., Петрова А.Н., Петров М.Р., Младова Т.А.. Исследование на прочность и устойчивость гидробиотехни-

!-М79

ческих сооружений //Вестник ГОУВПО КнАГТУ. Прогрессивные технологии в машиностроении: Комсомольск-на-Амуре, 2002, сЗ6 - 34.

5) Младова Т.А., Петрова А.Н., Тарануха НА.. Расчет провисания нити. Программа расчета на ЭВМ. КнАГТУ, 2003 г. (направлена на регистрацию в федеральный орган исполнительной власти по интеллектуальной собственности).

6) Младова Т.А., Чижиумов С.Д., Тарануха Н.А. Расчет волновых нагрузок. Программа расчета на ЭВМ. КнАГТУ, 2003г. (направлена на регистрацию в федеральный орган исполнительной власти по интеллектуальной собственности)

РНБ Русский фонд

27959

КнАГТУ, тир. 100, зак. 17691

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1 Анализ работы подводных тросовых систем

1.2 Анализ работы якорных устройств для удержания ПТС

1.2.1 Материал для анкерных устройств.

1.2.2 Типы анкерных устройств.

1.3 Существующие методики расчета свайных анкеров.

1.4 Выводы. Постановка задачи.

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ПОДВОДНУЮ ТРОСОВУЮ СИСТЕМУ.

2.1 Теоретические предпосылки, общие положения и определение параметров расчета.

2.2 Математическая модель воздействие волн на сооружение.

2.2.1 Вычисление коэффициентов сопротивления и инерции.

2.2.2 Определение скоростей и ускорений.

2.3 Алгоритм реализации математической модели и численный расчет на ЭВМ.

ГЛАВА 3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

РАСЧЕТА ВЕРХНЕГО СТРОЕНИЯ ПОДВОДНОЙ ТРОСОВОЙ СИСТЕМЫ.

3.1 Особенности ПТС, требования к ним и выбор конструктивной схемы.

3.2 Исследование верхнего строения ПТС.

3.2.1 Математическая модель расчета верхнего строения

ПТС на основе метода контурных уравнений.

3.2.2 Применение математической модели для определения критической силы, при которой конструкция теряет работоспособность.

4 3.3 Оценка провисания троса.

ГЛАВА 4 ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ

АНКЕРА В ГРУНТЕ (МОДЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ)

4.1 Описание модельного эксперимента для свайного анкера.

Цель и методика.

4.2 Результат модельных экспериментов.

4.3 Выводы по экспериментам.

4.4 Анализ модельных экспериментов

• для анкеров с уширением.

ГЛАВА 5 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕРЖАЩЕЙ

СИЛЫ АНКЕРОВ.

5.1 Численное моделирование методом конечных элементов.

5.2 Определение держащей силы с использованием метода конечных элементов.

5.3 Расчет коэффициента удержания в различных

• средах грунта.

ГЛАВА 6 СОПОСТАВЛЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ

И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ.

6.1 Определение несущей способности свайного анкера на выдергивающую нагрузку по СНиП.

6.2 Определение несущей способности свайного анкера с использованием метода конечных элементов.

6.3 Определение несущей способности свайного анкера

• на наклонную выдергивающую нагрузку по методу

Стоценко-Коровниковой.

ВЫВОДЫ.

Разрушения подводных тросовых систем (ПТС) приносят огромные материальные потери и в определенной степени тормозят развитие некоторых отраслей народного хозяйства, связанных с использованием ПТС. В представленной работе осуществлено решение комплекса проблем, связанных с моделированием поведения подводных тросовых систем, что может послужить основанием для успешного проектирования и эксплуатации ПТС.

Подводные тросовые системы используются как система удержания для надводных сооружений (платформ, барж), используются как ограждающие конструкции или ловушки, а также как гибкие биотехнические сооружения для выращивания морских организмов и водорослей /66/.

При проектировании и эксплуатации подводных тросовых систем чрезвычайно важной является оценка внешних воздействий (волн, течений), оценка прочности таких систем и оценка держащей способности анкерных закреплении в грунте.

Цель работы - разработка и экспериментальное обоснование математических и численных моделей поведения гибких и полугибких элементов используемых в подводных тросовых системах, в том числе и моделей для оценки держащей силы анкерных закреплений.

Научную новизну работы составляют:

- математическая модель и компьютерная программа для оценки влияния внешних воздействий (волн и течений) на сооружение;

- математическая модель расчета на прочность подводной тросовой системы по методу контурных уравнений;

- численная модель и экспериментальное обоснование оценки держащей силы анкерных закреплений подводных тросовых систем.

Достоверность результатов обеспечения: экспериментальным обоснованием исходных положений исследований, сравнением результатов расчета с результатами существующих норм и методик, с численными расчетами по методу конечных элементов.

Практическое значение и реализация результатов работы: предложенные модели расчета элементов подводных тросовых систем обеспечивает возможность рационального использования конструкций при максимальных нагрузках и эксплуатации сооружения на более длительный срок.

Апробация работы. Материалы работы докладывались и получили одобрение на Международной конференции, г. Владивосток 1997г.; ХХХУ научно-технической конференции, г. Владивосток 1999г., научно-техническом семинаре кафедры «Теории сооружений» ДВГТУ, 2001г.; научно-технической конференции, г. Комсомольск-на-Амуре, 2001 г.; Объединенном научном семинаре кафедр Морского института ДВГТУ, 2003г.

Структура и объем работ. Диссертация состоит из введения, шести глав, списка литературы и приложения.

выводы

1) Разработана математическая модель и методика учета влияния на ПТС внешних воздействий (волнения моря, подводные течения).

2) Создана компьютерная программа для вычисления внешних нагрузок на ПТС в зависимости от параметров волнения и течения.

3) Разработана математическая модель и методика расчета прочности верхнего строения ПТС с учетом больших перемещений и провисания тросов.

4) Создана компьютерная программа учета провисания тросов ПТС.

5) Выполнено физическое моделирование (модельный эксперимент) поведения различных анкеров в грунте.

6) Разработана численная модель и методика расчета на основе МКЭ определения держащей силы анкера в грунте.

7) Выполнено сопоставление результатов определения несущей способности свайных анкеров, полученных различными способами при произвольных направлениях усилия в оттяжке ПТС.

8) Разработанные в диссертации математические и численные модели и методики позволяют расчетным путем с достаточной точностью определять для ПТС:

• внешние нагрузки на ПТС со стороны моря;

• усилия в тросах верхнего строения ПТС и в оттяжках к анкерам;

• держащую силу свайных анкеров при произвольных направлениях в оттяжках.

1. Абелев М.Ю. Строительство промышленных и гражданских сооружений на слабых водоносыщенных грунтах. М., 1983.

2. Александров М.Н. Об усилиях в сложных якорных канатах. труды Л. кораблестр. Ин-та,1961, вып. 33, с. 29-40.

3. Бабаев Н.Б., Агагусейнов Ю.А., Жорницкий И.Д., Самарский В.Н. Основные направления работ по созданию плавучих технических средств. — Труды ин та Гипроморнефть. Баку, 1973, вып. 4, с. 4 - 14.

4. БерезанцевВ.Г. Раасчет прочности оснований сооружений. М., 1960.

5. К. Бреббиа, С.Уокер. Динамика морских сооружений: Пер. с англ. — Л.:Судостроение, 1983.-232 с.

6. Войтуковский Я.И. Справочник по теории корабля: В трех томах. Том 1. Гидромеханика. Сопротивление движению судов. Судовые движители. Л.: Судостроение, 1985. - 768 с.

7. Вялов С.С. Проблемы фундаментостроения на вечномерзлых грунтах/Юснования, фундаменты и механика грунтов. 1987. - № 5.

8. Галахов И.Н. Основные положения расчета прочности полупогружных платформ на волнении. Судостроение, 1976, № 8, с. 12 -14.

9. Гандерсон Р.Х. Учет ветров, волн и погодных условий при конструировании морского сооружения. — Инженер нефтяник, 1973, с. 47-51.

10. Герсеванов Н.М., Польшин Д.Е. Теоретические основы механики грунтов. М., 1973.

11. Горбунов-Посадов М. И. Расчет конструкций на упругом основании. М., 1973.

12. Горлин С.М. , Слезингер И.И. Аэродинамические измерения. Методы и приборы. М., Наука, 1964.

13. ГОСТ 25100-82. Грунты. Классификация. М., 1982.

14. Давыдов И.Н., Мелешков Н.Г. Экспериментальные исследования и расчет держащей силы мертвых железобетонных якорей и якорных систем. — Труды коорд. совещ. по гидротехнике. JI., Энергия, 1964, вып. 12, с. 341-353.

15. Данилов Ю.А. Гидродинамическое сопротивление сетей, ниток и тросов. М.: ВНИРО, 1968. - 42 с.

16. Дарков А.В., Шапошников Н.Н. Строительная механика. -М.: Высш. шк, 1986.

17. Девнин С.И. Аэродинамический расчет плохообтекаемых судовых конструкций. — JT.: Судостроение, 1967. — с. 224.

18. Дробленков В.В., Каневский Г.И., Подъемная сила и вязкостное сопротивление плоских профилей в вязкой несжимаемой жидкости. — В сб.: Вопросы судостроения, 1982, вып. 32, с. 93 102.

19. Жеребко К.В., Петрова А.Н., Чудинов Ю.Н. Учет нелинейности в математической модели шарнирной стержневой системы. Межвуз. сборник, ПМТФ.

20. Жемочкин Б.Н. Практические методы расчета фундаментных балок и плит на упругом основании. М., 1962.

21. Жорницкий И.Д., Самарский В.Н. Основные направления работ по созданию плавучих технических средств. — Труды ин — та Гипроморнефть. Баку, 1973, вып. 4, с. 4- 14.23.3авриев К.С., Шпиро Г.С. Расчеты фундаментов мостовых опор глубокого заложения. М., 1970.

22. Завадовский Н.Ю., Русецкий А.А. Метод расчета давлений на лопастя гребных винтов. —Труды НТО Судпрома, JI., Судостроение, 1977, вып. 253, с. 65-77.

23. Зареков В.П. Руководство к решению задач прикладной теории упругости: Учеб. Пособие для студентов строительной специальности вузов. — 2-е изд., испр. И доп. М.: Высш. Шк., 1987. - 254 с.

24. Иванов П.Л. Грунты и основания гидротехнических сооружений Учеб. для гидротехн. спец. вузов. М.: Высшая школа, 1985. - 352 с.

25. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. — М. Л.: Госэнергоиздат, с. 1960. - 265.

26. Кандауров И.И. Механика зернистых сред. Л. М., 1966.

27. Каневский Г.И., Подъемная сила и вязкостное сопротивление плоских профилей в вязкой несжимаемой жидкости. В сб.: Вопросы судостроения, 1982, вып. 32, с. 93-102.

28. Караманский Т.Д. Численные методы строительной механики. М.,1981.

29. Кацман Ф.М. Пропульсивные качества морских судов. Л., Судостроение, 1971.

30. Красников Н.Д. Сейсмостойкость гидротехнических сооружений из грунтовых материалов. М., 1981.

31. Косте Ж., Санглера Г. Механика грунтов. М. 1981.

32. Кульмач П.П. Якорные системы удержания плавучих объектов (Вопросы статики и динамики плавучих сооружений на якорях). — Л.: Судостроение, 1980.336 с.

33. Лифенко П.Л. Метод определения эффективного поля скоростей в месте расположения движетеля. Труды НТО Судпрома, Л., Судостроение, 1980, вып. 313, с. 34-40.

34. Масленников A.M. Расчет строительных конструкций численными методами: Учеб. Пособие. Л.: Изд-во Ленингр. Ун-та, 1987, 224 с.

35. Малышев М.В. Прочность и устойчивость инженерных конструкций: Межвузовский сборник научных трудов / Алтайский политехнический институт им. И.И. Ползунова. Барнаул: Б.И., 1987. - 147 с.

36. Мелешков Н.Г. Экспериментальные исследования и расчет держащей силы мертвых железобетонных якорей и якорных систем. Труды коорд. со-вещ. по гидротехнике. JL, Энергия, 1964, вып. 12, с. 341-353.грунтов и устойчивость оснований сооружений. М., 1980.

37. Младова Т.А. Исследование работы свайного анкера с уширением. //Строительство и Архитектура. Книга 1. Ч. 2: Тез. Докл. ХХХУ научно-технической конференции (Владивосток, 15-17 апреля 1995г.) /Владивосток: ДВГТУ, 1995. С. 54-55.

38. Младова Т.А. Анализ систем горизонтального удержания для гидробиотехнических систем. //Строительство и Архитектура. Ч. 2: Тез. Докл. ХХХУ1 научно-технической конференции (Владивосток, 11-19 апреля 1996г.) /Владивосток: ДВГТУ, 1996. С. 143-144.

39. Младова Т.А., Петрова А.Н., Тарануха Н.А. Расчет провисания нити. Программа расчета на ЭВМ. КнАГТУ, 2003г. (направлена на регистрацию в федеральный орган по интеллектуальной собственности)

40. Младова Т.А., Чижиумов С.Д., Тарануха Н.А. Расчет волновых нагрузок. Программа расчета на ЭВМ. КнАГТУ, 2003г. (направлена на регистрацию в федеральный орган по интеллектуальной собственности)

41. Мустафаев А.А. Расчет оснований и фундаментов на просадочных грунтах. М., 1972.

42. Натансон И.П. Краткий курс высшей математике. М., 1968.727с.

43. Основания и фундаменты: Справочник/ Г.И. Швецов, И.В. Носков, А.Д. Слободян, Г.С. Госькова; Пол. Ред. Г.И. Швецова.-М.: Высш. Шк., 1991. -383 е.: ил.

44. Петров М.Р. Кандидатская диссертация. Метод узловых координат

45. Попов Б.Г. Транспортировка подводного груза на весовом упругом тросе. Всерос. Конф., посвящ. 40-летию со дня основания каф. «Аэрокос. Системы», М.: Изд-во МГТУ. 2000, с. 68. Библ.1. Рус.

46. Пронкин Б.И., Стоценко А.А. Прочность и устойчивость инженерных конструкций: Межвузовский сборник научных трудов / Алтайский политехнический институт им. И.И. Ползунова. Барнаул: Б.И., 1987. - 147 с.

47. Рабинович И.М. Основы строительной механики стержневых систем. М., 1956.454с.

48. Рекач В.Г. Руководство к решению задач прикладной теории упругости: Учеб. Пособие для студентов строительной специальности вузов. — 2-е изд., испр. И доп. М.: Высш. Шк., 1984. - 287 с.

49. Рекач В.Г. Расчет гибкой растяжимой нити по деформированному состоянию. В сб.: Исследования по теории сооружений, М., 1970, вып. ХУ111.

50. Рыбаков J1.C. О теории одной плоской циклической стержневой структуры ферменного типа.// Изв. РАН. МТТ. 1998. №3. С. 117-127.

51. Русецкий А.А. Метод расчета давлений на лопастя гребных винтов. — Труды НТО Судпрома, JI., Судостроение, 1977, вып. 253, с. 65-77.

52. Руководство по проектированию свайных фундаментов. / НИИ оснований и подземных сооружений им. Н.М. Герсеванова. М.: Стройиздат, 1980. -151 стр.

53. Самарин И.К. Расчет оснований гидротехнических сооружений.М.,1971.

54. Самарский В.Н. Основные направления работ по созданию плавучих технических средств. Труды ин - та Гипроморнефть. Баку, 1973, вып. 4, с. 4 —

55. Сахно Е.Ф. Об одной особенности сопротивления воды движению многониточных составов. В сб.: доклады конференции «Мореходные качества судов и технических сооружений», - т. 2, Варна, 1983.

56. Савинов А.В. Программа SKOPT для расчета забивных призматических свай по предельным состояниям с выбором их оптимальных типоразмеров. Саратов. Межвуз. Научн. Сб. 1999, с. 110-114.

57. Симвулиди И.А. Расчет инженерных оснований на упругом основании. М., 1968.

58. Синицин А.П., Жемочкин Б.Н. Практические методы расчета фундаментных балок и плит на упругом основании. М., 1962.

59. Слезингер И.И. Аэродинамические измерения. Методы и приборы. М., Наука, 1964.

60. Смирнов Г.Н. Океанология. М.: Высшая школа, 1974. - 344 с.

61. Соболевский Ю.А. Водоносыщенные откосы и основания. Минск,1975.

62. Соколовский В.В. Статика сыпучей среды. М., 1960.

63. Стоценко А.А. Гидробиотехнические сооружения. Владивосток: ДВГТУ, 1984.- 136 с.

64. Стоценко А.А. докторская диссертация. Владивосток, 1992.

65. СНиП 20201-83 "Основания зданий и сооружений". / Госстрой СССР. М.: Стройиздат, 1985.• 69)СНиП 2.02.03-85.Свайные фундаменты. / Госстрой СССР. М.: Стройиздат, 1986.

66. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия. М., 1986.

67. СНиП 2.02.04-88. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. М. 1990.

68. СниП 2.01.01-82. Строительная климатология и геофизика. М., 1987.

69. Тарануха Н.А., Жеребко К.В., Петрова А.Н., Петров М.Р. Математическая модель шарнирной стержневой системы с большими перемещениями. Новосибирск //Известия вузов: Строительство, 2003, №3 (531), с. 12-18.

70. Тарануха Н.А., Чижиумов С.Д. Применение метода граничных элементов к решению некоторых задач гидроупругости. Материалы ХП дальневосточной НТК «Повреждения и эксплуатационная надежность судовых конструкций», Владивосток, ДВГТУ, 1994. С 116-119.

71. Терцаги К., Пек Р. Механика грунтов в инженерной практике. М.,1961.

72. Уокер С. Динамика морских сооружений: Пер. с англ. — JT.Судостроение, 1983.-232 с.

73. Флорин В.А. Теория уплотнения земляных масс. М., 1948.

74. Фридман A.J1. Гидродинамическое сопротивление сетей, ниток и тросов. М.: ВНИРО, 1968. - 42 с.

75. Христофоров B.C., Ташаев A. JL, Мелешков Р. Г. Экспериментальные исследования держащей способности гравитационных якорей и якорей, заглубленных в грунт. Труды коорд. совещ. по гидротехнике. JI., Энергия, 1967, вып. 40, с. 312-322.

76. Цытович Н.А. Механика грунтов. М., 1983.

77. Шапошников Н.Н. Строительная механика. -М.: Высш. шк, 1986.

78. Шпиро Г.С. Расчеты фундаментов мостовых опор глубокого заложения. М., 1970.

79. Чжен П. Отрывные течения, т. 1-3. М., Мир, 1972.

80. Achenbach Е. Experiment on the Flow Past Spheres at Very High Reynolds Numbers. J. Fluid Mesh., 1972, vol. 54, part 3, p. 565-575.

81. Belkhir S.Numerical and physical approach. Proc. 9th Int. Offshore and Polar Eng. May, 1999. C. 625-630.

82. Extreme values of Morison-type processes/ Baar J.J. M. // Appl. Okean Res. 14, № l.-C. 65-68.

83. Wiegel R.L.Oceanographically engineering. Prentice-Hall, 1964.

84. Lap A. Ship Resistance in Shallow and Restricted Water. Report of Resistance Committee, Apendix 5. Proceedings of the 13th ITTC. Berlin - Hambirg 1972. p. 95-123.

85. Longuet-Higgins M.S., Stewart R.W. Changes in the form of short gravity waves on long waves and tidal currents. J. Fluid Mech., 1960, N 8, p. 565-583.

86. Kinsman B. Wind Waves, their generation and propagation on the ocean surface.Prentice-Hall, 1965.

87. Dynamic response of poro-elastic seabed around a mooring anchor with pretension / Takatani Tomiya, // Proc. 3rd Int. Offshore and Polar Eng. Conf., Singapore, June 6 11, 1993. Vol. C. 567-572.

88. Penzien J., Maharaj K., Berge B. Stochastic response of offshore towers to random sea waves and strong motion earthquakes. — In Computers and structures. Pergamon Press, 1972, vol. 2, p. 733-756.

89. Hoerner S. Fluid Dynamic Drag. Published by author, 1965.

90. Taranukha N.A. " Module-Boundary Element". In book: Boundary Element Technology XI.- Computational Mechanics Publications, Southampton- Boston, USA, Honolulu 1996. P. 23-30.

91. Trickey J.C.The design of deepwater moorings using fibre rope tethers. Brest, May, 1999. C. 352-357.

92. Wang Yi-Ming. The transient dynamic of a cable-mass system due to the motion of an attached accelerating mass. 2000. 37,№ 9, c. 1361-1383.