автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.03, диссертация на тему:Методика проектирования гибкого ограждения амфибийных судов на воздушной подушке

На правах рукописи

Федотов Дмитрий Геннадьевич

МЕТОДИКА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГИБКОГО ОГРАЖДЕНИЯ АМФИБИЙНЫХ СУДОВ НА ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ

05.08.03 - проектирование и конструкция судов.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

□ОЗ174861

Санкт-Петербург 2007

003174861

Работа выполнена на кафедре проектирования судов ГОУВПО "Санкт-Петербургского государственного морского технического университета"

Научный руководитель

Доктор технических наук, профессор Демешко Геннадий Федорович

Официальные оппоненты. Доктор технических наук,

Дьяченко Владимир Кузьмич

Кандидат технических наук, Симонов Юрий Андреевич

Ведущая организация- ФГУП ЦМКБ "АЛМАЗ"

Защита состоится «20» ноября 2007 г в 14-00 на заседании диссертационного совета Д 212 228 01 при Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете по адресу 190008, Санкт-Петербург, ул Лоцманская, дЗ, актовый зал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного морского технического университета

Автореферат разослан « Р » октября 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

д т.н, профессор

А И Гайкович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Амфибийные суда и корабли на воздушной подушке (АСВП) давно и успешно зарекомендовали себя как уникальное высокоскоростное транспортное средство В оборонной сфере ими обеспечиваются десантные и патрульные операции, используются они также в качестве кораблей охранения в ближней морской зоне, в пограничных и таможенных службах Не менее успешны они и при использовании в гражданских целях как амфибийные транспортные средства в условиях труднодоступных районов Крайнего Севера, Сибири и Дальнего востока. Аналогичный опыт за рубежом получен в США, Великобритании, Франции, Финляндии, Канаде Реальный опыт эксплуатации в военной и гражданской областях насчитывает уже более 40 лет Здесь Россия уверенно занимает лидирующие положение В целом можно говорить о значительных успехах в разработке методологии проектирования АСВП В то же время наиболее уязвимой подсистемой этих аппаратов остается гибкое ограждение (ГО) области воздушной подушки, крепящееся по ее периметру к нижней части жесткого корпуса и обеспечивающее судну проходимость, амфибийность, остойчивость, минимизирующее затраты энергии на поддержание ВП ГО приобретает форму только в надутом состоянии Постоянно контактируя с подстилающей поверхностью и будучи изготовленным из прорезиненных синтетических материалов, ГО подвержено вибрации, флагеляции, истиранию, разрыву и имеет ресурс, многократно меньший, чем АСВП в целом и даже такие проблемные его подсистемы, как энергетическая установка, воздушные винты, воздухонагнетатели

Объектом исследования в рассматриваемой диссертационной работе является ГО АСВП.

Предмет исследования - физическая, математическая, параметрическая и трехмерная модели ГО, и способы использования этих моделей для расчета формы, массы, прочности, выполнения раскроя материала ГО для его изготовления

Цель работы - разработка методики проектирования формы ГО и создание с этой целью его параметрической модели, которая необходима для использования в прикладных расчетах остойчивости, ходкости, прочности, массы конструкций ГО, а также раскроя материала ГО, идушего на его изготовление

Для достижения поставленной цели требуется рассмотреть совокупность проблем, которые могут быть сформулированы как задачи исследования

1 Создать обобщенную методику расчёта формы и построения бортовой, носовой, кормовой, угловой секций, секций внутреннего контура ГО и ГО в целом,

2 На основе разработанной методики проектирования формы ГО создать его трехмерную параметрическую модель, как основу электронного представления ГО с условием использования ее во всех автоматизированных расчетах свойств и характеристик ГО в CAD/CAM/CAE системах при проектировании АСВП,

3 Разработать методику применения МКЭ для расчета характеристик напряженно-деформированного состояния конструкций ограждения в статической постановке с использованием созданной здесь трехмерной модели ГО, как пример возможности применения 3D модели в CAE системах,

4 Разработать методику расчета массы "устройства механического ограждения ВП" в зависимости от имеющихся в распоряжении проектанта геометрических, конструктивных и проектных характеристик как непосредственно ГО, так всего судна в целом С этой целью выполнить статистический анализ масс элементов натурных ГО и массы крепежа ГО к корпусу всех разработанных в ЦМКБ "Алмаз" АСВП,

5 Отработать возможность использования созданной здесь трехмерной модели ГО для получения автоматизированного раскроя материала ГО на секции, узлы, элементы для последующего выполнения рабочих чертежей,

Методы исследования и решений Для решения задач, поставленных в работе, потребовалось привлечение аппарата и методов регрессионного анализа, последовательных приближений, конечных элементов, теории сложных систем, параметрического и трехмерного моделирования объекта, аппарата и программных продуктов систем Inventor, ANSYS, Foran, средств Microsoft Office и Mathcad

Информационная база исследования В числе информационных источников использовались результаты профильных исследований, анализа, систематизации большого количества отечественных и зарубежных авторов и творческих коллективов в виде данных и сведений из перечисленных в списке использованной литературы, книг, журнальных статей, научных докладов, материалов научных конференций и семинаров, технических отчетов ЦНИИ им ак Крылова, технических отчетов и документация по реальным проектам, созданным в ЦМКБ Алмаз, проектной документации ОАО "Ярославрезинотехника"

Научная новизна

1 Разработана оригинальная обобщенная методика проектирования формы гибкого ограждения, содержащая способы расчета и построения формы как всего гибкого ограждения, так и каждой из его секций,

2 Впервые создана трехмерная параметрическая модель ГО, позволяющая рассчитать геометрические параметры сразу всего гибкого ограждения, получить традиционный теоретический чертеж ГО, параметры и характеристики любого из элементов ГО, и служащая основой для автоматизированных расчетов свойств и характеристик как самого ГО, так и судна в целом в CAD/CAM/CAE системах,

3 С использованием МКЭ (программный комплекс ANSYS) выполнен статический расчет прочности всего ГО, получены натяжения и деформации в любых точках ограждения, произведена проверка сходимости результатов расчета по этой методике с данными замеров на существующих КВП,

4 Разработана методика автоматизированного расчета массы ГО в зависимости от имеющих в распоряжении проектанта геометрических, конструктивных и проектных характеристик как непосредственно ГО, и судна в целом,

5 Разработана методика автоматизированного раскроя материала с использованием созданной здесь 3D модели

Практическая ценность работы определяется повышением эффективности (сокращением сроков, улучшением качества) проектирования ГО в результате применения разработанных методов Это приводит к увеличению надежности и повышению ресурса, тек снижению стоимости эксплуатации ГО Результаты могут использоваться в проектных организациях Работа насыщена большим количеством проектных рекомендаций для конструктора

На защиту выносятся следующие результаты работы

1 Оригинальная обобщенная методика проектирования формы гибкого ограждения,

2 Трехмерная параметрическая модель ГО, созданная в CAD/CAM системе Autodesk Inventor,

3 Алгоритм расчета прочности ГО методом конечных элементов с использованием системы ANSYS,

4 Методика автоматизированного расчета массы ГО,

5 Методика автоматизированного раскроя материала ГО

Степень достоверности результатов проведения исследований.

Адекватность созданной методики проектирования формы и созданной трехмерной

параметрической модели подтверждена сравнением результатов расчета формы ГО по данной методике с данными теоретического чертежа ГО реально существующего КВП, получена приемлемая погрешность (от 2 до 6% в зависимости от стадии проектирования)

Произведено сравнение результатов расчета натяжений в ГО, полученных в системе А^Ув с замеренными на КВП "Зубр", погрешность составляет 5 9 %

Результаты получаемые при расчете массы устройства механического ограждения (ГО) по предложенной в работе методике сравнены с массами, полученными по рабочим чертежам ГО Сходимость стольже благоприятна

Расчетные модели и алгоритмы содержат аппроксимирующие расчетные зависимости, базирующиеся на данных по реально существующим судам, разработанным коллективом ЦМКБ "Алмаз"

Внедрение результатов работы. Разработанные на основании результатов диссертации методики, применяются для проектирования ГО АСВП (ЦМКБ «АЛМАЗ»)

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты диссертации обсуждались на III съезде Российского научно-технического общества судостроителей им акад АН Крылова I Российской научно-практической конференции судостроителей «Единение науки и практики 2007г», на Девятой международная конференции «Российское судостроение и судоходство, деятельность портов, освоение океана и шельфа» Нева-2007, на XXII Международной конференции «Математическое моделирование в механике деформируемых тел и конструкций. Методы граничных и конечных элементов»

По теме диссертации опубликованы 5 работ (3 статьи и 2 доклада) Из них 2 в личном авторстве, доля автора в остальных публикациях от 60% до 90% В изданиях рекомендованных Перечнем ВАК опубликовано 3 работы Одна из них в личном авторстве, доля автора в 2 остальных 60% и 90%

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 5-ти глав и заключения, содержит 177 страниц основного текста (включая 55 таблиц и 149 рисунков), 4 страницы содержания, списка принятых сокращений и обозначений и списока литературы из 151 названия

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении формулируется цель диссертации, указаны задачи исследования, обосновывается актуальность выполняемых исследований, дается краткое описание и характеристика работы, формируется информационная модель ГО АСВП как подсистемы судна (см рис I)

Первая глава диссертации посвящена созданию физических и математических моделей геометрических поверхностей гибкого ограждения (ГО) и соответствующей методики расчета формы

Исходные данные для проектирования ГО Абсолютные размеры области ВП длина воздушной подушки ( ¿„), ширина воздушной подушки ( В„), высота ГО (кго) Физические характеристики области ВП давление в воздушной подушке (Р„), коэффициент перепада в носовой и бортовой секциях (Кр) Геометрические характеристики корпуса СВП вертикальная база ГО (отстояние внешней точки крепления ГО от ОП) в носовых, бортовых и кормовых секциях (ге), ширина корпуса СВП (б,)

Рассматриваемое ГО состоит из наружного и внутреннего контуров Наружный контур ограждает воздушную подушку (ВП), создаваемую под днищем судна. Он представляет собой тороидальную надувную оболочку - гибкий надувной ресивер закрепленный по двум замкнутым огибающим периметр судна линиям

В нижней части надувного гибкого ресивера по его наружному контуру имеются отверстия для выхода воздуха, под которыми по всему периметру ГО закреплены НЭ, образующие нижний ярус ГО носовые и бортовые, угловые и кормовые конусные элементы

[ Проектные данные:

Р., К* В., В„ г«, Ьго ,Лбн, ЬдУЬ,, Ц, К», а„

Расчет напряженно-деформированного состояния в АЫБУБ

Нормирование прочности

Расчет прочности ГО

Выбор материала для элементов ГО

Геометрические характеристики ГО

----- _ ,

¡Г 11 • |

Иерархическая структура трехмерной модели ГО

Иг! Иг: ш

Задание характеристик резинотканевых материалов для элементов ГО

Расчет массы (группы стандарта нагрузки) 'устройства механического ограждения ВГГ

Выпуск документации на стадиях эскизного и технического проекта

Выпуск рабоче-конструкторской документации

Получение разверток ГО (например в системе Рогап)

Сборочные чертежи ГО

Создание интерактивных электронных технических руководств

Рисунок 1 Информационная модель ГО АСВП как подсистемы судна.

Под днищем судна вместе с этим расположен внутренний контур, секционирующий область ВП и предназначенный для обеспечения поперечной и продольной остойчивости СВП Внутренний контур состоит из продольного секционирующего киля, расположенного в районе диаметральной плоскости и поперечных килей Этот контур представляет собой надувные оболочки цилиндрической формы, в нижней части которых закреплены НЭ

НЭ наружного и внутреннего контуров, образующие нижний ярус ограждения, расположены в районе контакта с экраном В отличие от гибкого надувного ресивера они изолированы друг от друга и потому обеспечивают большую гибкость и податливость нижней части ограждения, чем достигается уменьшение площади контакта с препятствиями и величины сопротивления движению судна от ГО и увеличивается срок службы гибкого надувного ресивера и упрощается технология ремонта

Кроме того, эта схема ГО предусматривает плавное изменение угла наклона носовых НЭ к экрану аню от минимального значения в ДП в носу до максимального - по борту аб/п, применение конусных НЭ с внутренними оболочками в угловой секции ГО

Расчет параметров формы бортовой секции ГО обычно сводится к определению положения статического равновесия гибкого контура, образуемого плоским сечением ограждения вертикальной плоскостью на различных участках периметра воздушной подушки Основные допущения при таких расчетах

- материал ограждения считается абсолютно гибким, невесомым и нерастяжимым,

- продольные напряжения при расчете поперечных сечений ГО не учитываются,

- избыточное давление в надувной секции гибкого ресивера верхнего яруса ограждения принимается равным Рр , и распределено это давление равномерно по внутренней

поверхности надув ного гибкого ресивера,

- избыточное давление в открытых со стороны ВП НЭ нижнего яруса, принимается также распределенным равномерно и равным давлению в воздушной подушке Ря ,

-навесной элемент считается абсолютно твердым телом ограниченным прямыми линиями

Расчетом параметров формы бортовой секции ГО в разное время занимались В В Кличко, К В Бондарец, Е В Петин, В К Дьяченко, И Т Егоров, В Т Соколов, Э А Пара-вян, Б Г Фрейдин, А Г Хакимов, Н Ю Цвилинева, Ю В Падуков, Е И Сухов, В Г Лобо-дин, В А Лукашевский, Г И Чемакина, К Г Галимханов, Ю С Литвиненко, Б Н Марты-нец, и другие

Работы по расчету параметров формы носовой секции ГО базируются на тех же допущениях, что и для бортовой секции Для расчета параметров формы носовой секции в основном используется метод совмещенных сечений разработанный В В Кличко

Кормовые секции ГО могут выполняться как одноярусными, так и многоярусными, состоящими соответственно из одноярусной или двухъярусной надувной секции гибкого ресивера в верхней части и навесных элементов нижнего яруса, по конструкции существенно отличающихся от НЭ бортовых и носовых секций ГО Как правило, эти НЭ являются закрытыми со стороны ВП и поэтому допущения принимаемые о распределении избыточного давления в них, отличается от допущения принимаемого для бортовой и носовой секции ГО Расчету параметров формы кормовой секции ГО посвящены работы Т А Дьяковой, В В Кличко и Е В Петина

По расчету параметров формы угловой секции ГО удалось обнаружить только работу Е В Петина

В работе приведено подробное описание элементов и формы бортовой, носовой, кормовой, угловой и секций внутреннего контура ГО

Для расчета и построения формы ГО в работе предлагается комплексный графоаналитический метод, использующий некоторые положения проанализированных работ Построение бортовой секции производится в следующей последовательности

- строится контур НЭ открытого типа,

- находятся параметры формы внешней и внутренней частей гибкого ресивера бор-

товой секции,

- находится форма гибкого ресивера над НЭ, -определяется высота, ширина НЭ и длина его нижней части,

- строится линия противовибрационной диафрагмы

На рис 2 представлена расчетная схема поперечного сечения бортовой секции Основные расчетные уравнения для бортовой секции ГО

К=КЛ О) /„=2,044,-0,18 (2)

2 LPP

(3)

(Рр - P„)ij+PJ¡ + Р,Ро - 2 LPJi 21JP-P)

(4)

+d¡ (5)

R = íüÉzSlf^L

'"Vi p>-p" ,

Xx . = rt (>¡(Kp ~ Sln2 ai) - sin2 a2) sin a2 - sin a,) (6) =rx[(cos«, -J(K„ ~sm2 a,)/(Kp-sm1 аг)^а2)Кр1(Кр-\)} (7) = 0,6051АЮ-0,0076 (8) 1Д1~0,05НГО (9)

4 l = 1,6947Ln(hr0) +2,0488 (10)

Расчет параметров формы и построение носовой секции ГО производится в следующей последовательности -определяется форма внешней и внутренней частей гибкого ресивера сечения I-I (в ДП),

- строится контрольная линия, внешняя и внутренняя линии крепления ГО, см рис 5, -определяются границы носовой секции и задаются секущие плоскости,см рис 3,5,

- находятся формы сечений II-II IX-IX см рис 4

Основные расчетные уравнения для носовой секции ГО

т„ = 0,0138¿„ +0,0841 (11) 1и=Ь„-тк (12)

hrf=hro-hlo (13) A¿„ =2,57/^-0,12 (14)

z„ =2,76z6-0,067 (15) 4 =-L„+AL^ (16)

L3 = 0,75634 + 0,0146 (17) RH2 = BJ2-!6 x (18)

09)

Расчет параметров формы и построение кормовой секции ГО производится в следующей последовательности

- определяются границы кормовой секции, см рис 7,

- определяются характерные вертикальные размеры элементов кормовой секции,

- строится форма кормового навесного конусного элемента и гибкого ресивера вто-

рого яруса,

- рассчитывается и строится форма гибкого ресивера первого (верхнего) яруса,

- производятся дополнительные построения элементов кормовой секции

Рисунок 5- Нахождение формы носовой секции ГО в проекции на ДП и схема построения горизонтальных проекций сечений в плане.

Рисунок 2- Расчетная схема бортовой секции ГО.

г.

дп

Внешняя линия

Коктро;

Рисунок 3- Аксонометрическое изображение сечений носовой секции ГО.

Рисунок 6- Расчетная схема кормовой секции.

_ о

\ Точка отсчета

Рисунок 7- Определение границ кормовой секции.

Граница кормовой секции Внешняя линия крепления кормовой

секции в проекции на ОП судна

Основные расчетные уравнения для кормовой секции ГО

/я, =0,01384+0,0841 (11) 4= ¿„-да. (12)

03) ¿^=2,57^-0,12 (14)

=2,762^-0,067 (15) 4 = 4+ЛЛ„ (16)

4=0,75634 + 0,0146 (17) Я„2=Вк/2-1б х (18) 4„=4-Д,/2 (19)

(20) *=^(21)

-(0,35 0,4Я (22) " 2

г (24, 13, > кем ^ЛГ (23)

"2 2 - е» = (0,2 0,4)Й,2 (25) На рис 5 представлена расчетная схема поперечного сечения кормовой секции ГО

¿ь=В./2-1в_г (20) А =^(21)

А„г = (0,35 0,-Щ (22) * 2_

^ (23)

Г*2 2 4) «, = (0,2 0,4Я2 (25)

''=-(26) = + 0'05 (27)

к„-1

+ (29) (А. = 0,0791^+0,0142 (30)

/„^=3,2984^-0,4459 (31)

Расчет параметров формы и построение угловой секции ГО производится в следующей последовательности

- определяются границы угловой секции и необходимые сечения, см рис 8,

- рассчитывается и строится краене кормовое бортовое сечение угловой секции (се-

чение XV-XV), см рис 10,

- рассчитываются и строятся сечения ХИ-ХИ и ХШ-ХШ, см рис 10,

- определяется положение крайнего навесного элемента открытого типа, -определяется положение бортовой кромки кормового участка секции,

- строится диафрагма конусного НЭ,

- рассчитывается и строится угловой участок угловой секции, см рис 9,

- строится форма конусообразной оболочки (сечения ХГХ-Х1Х-ХХ1-ХХ1), см рис

Ю,

-определяется положение кормовой кромки бортового участка секции,

- строится линия крепления НЭ

Основные расчетные уравнения для угловой секции ГО

^=0,2379^-0,0388 (32) К = (33)

ь^вк1г-гу-ьа (34) кЛ-/;-Р1

Кр4ГУХУ~к1+Ру

К,-1 у (37)

Расчет параметров формы и построение внутреннего контура ГО производится в следующей последовательности

Рисунок 11- Продольное сечение поперечного киля.

- строится носовая часть продольного киля, см. рис. 12;

- строится центральная часть продольного киля, см. рис. 12;

- стрится кормовая часть продольного киля, см. рис. 12;

- строится поперечный киль внутреннего контура, см рис. 11. Основные расчетные уравнения для внутреннего контура ГО:

1ххш =4(38) 77 + /2 (4!)

/„= 0,0278+ 0,0078 (39) =(0,01...0,03)£„ (42)

А, = 0,3939АГО + 0,0104 (40)

Рисунок 9- Аксонометрическое изображение углового участка угловой секции.

Положение крайнго кормового расчетного сечения (торгового участка угловой секции Внешняя линия крепления угловой секцнн в проекции на ОП судна

Гранина бортовой секции

Граница кормовой секции

Внутренняя линия крепления кормовой

ДП

секции в проекции на ОП судна

\Точка отсчета

Рисуно; 8- Границы и сечения угловой секции.

Рисунок 10- Аксонометрическое изображение сечений бортовой, кормовой и конусообразной частей оболочки угловой сек-

ции.

Лиши точек сопряжения сечений углового участка угловой секции

_

Ьххгп

Ьххп:

•|ЯПУ

щ

^Щ1±иип 11 и I п М и,лцдд|рд

/ кормовая I часть / Точка XI

ь„„

I I 11 11 1111111111

Центр площади ВП

носовяя часть

центральная часть

Рисунок 12- Продольный разрез внутреннего контура ГО.

Вторая глава диссертации посвящена созданию трехмерной параметрической модели ГО Первые CAD (computer-aided design) системы являлись лишь специализированными графическими редакторами, их возможности были ограничены производительностью компьютеров Такие системы автоматизировали создание чертежа с помощью плоских геометрических примитивов - отрезков прямых, дуг окружностей, текстовых надписей и т д Одним из важных изменений при развитии CAD систем стало то, что первичной стала модель объекта, по которой уже в дальнейшем строился чертеж Конструктор стал работать с трехмерной твердотельной моделью объекта и в любой момент мог ее видеть и модифицировать Одним из методов проектирования, позволивших совершить качественный прорыв в развитии CAD-систем стала так называемая параметризация Термин "параметризация" получил довольно большое распространение Он может означать и процесс создания модели и результат проектирования, который характеризует параметрические свойства модели Параметрическое моделирование это процесс создания параметрической модели объекта, состоящей из набора геометрических примитивов и параметрических связей

г

IN

В Сортировка парметркческах связей ГО по телам В (топологические геометрические математические и размерные)

Задание параметрических связей и построение элементов ГО

Сехувщх и ограничивающих поверхность ГО рабочих плоскостей

Внутренней н внешнее тинни крепления ГО к жестком) корпусу

Контрольной лиши ГО

Основных рабочих плоскостей ГО и эсхюы формы участков ГО

= к

¡ 8

st II I £•

<

[ Выбор способа создания сборки 3D модели ГО

I Создание иерархической структуры 3D модели ГО

I Создание элементов иерархии 3D молелиГО

¡ Сборка 3D модели ГО

////////у / /3D модель ГО/ / У///////

тчго

Геометрические характеристики ГО

Масс-инерционные характеристики ГО

Рисунок 13 - Этапы создания трехмерной параметрической модели ГО в системе Inventor

Процесс параметрического моделирования можно описать следующим образом в ходе построения система накапливает конструктивные параметры и соотношения между ними, а также формирует протокол (историю) создания геометрии, позволяя простым изменением параметров легко модифицировать и регенерировать модель Важно, что параметрическая модель создается интерактивно, без какого-либо программирования (за ис-

ключением задания расчетных зависимостей) Хотя способ создания параметрической модели прост, задача расчета геометрии для новых значений параметров - сложная, главным образом из-за того, что могут быть определены произвольные зависимости переменных Для расчета применяются два типа решателей - вариационные и аналитические, од-ако ни в одной системе нет гарантии, что нужная геометрия будет найдена, хотя отказы поисходят в достаточно сложных случаях Параметрическое моделирование обладает рпом практических преимуществ интуитивный процесс создания, возможность легкой модификации и повторного использования объекта Параметризация позволяет сущест-вено сократить сроки проектирования объектов, особенно сложных, так как большую час,-, времени занимает не само проектирование, а корректировка объекта Связь - это неко орое ограничение, накладываемое на проектируемую модель объекта, которое может быть описано математическими уравнениями На любом этапе проектирования должны соблюдаться все ограничения (связи), наложенные на модель

Д. я автоматизации процесса проектирования гибкого ограждения на основании полученных расчетных зависимостей и предложенной методики проектирования формы ГО в CAD/C/ M системе Autodesk Inventor, создана трехмерная параметрическая модель ГО Создани- трехмерной параметрической модели это составная часть параметрического проектирования ГО Параметрическое проектирование конструкций - это процесс определения размадов конструктивных элементов, удовлетворяющих требованиям нормативных документе». Этапы создания трехмерной параметрической модели ГО в системе Inventor представлены на рисунке 13

Созданная 3D модель ГО, позволяет рассчитывать геометрические параметры сразу всего гибкого ограждения, а также получать традиционный теоретический чертеж ГО

Проверена адекватность созданной трехмерной параметрической модели ГО На стадии эскизного проектирования при задании в качестве исходных данных двенадцати величин, получаемая осредненная погрешность составляет 5,81 % На стадии технического проектирования к исходным данным, вводимым на стадии эскизного проектирования добавляются еще девять величин Получаемая погрешность не превышает 5%, осредненная погрешность составляет 2,35 %

В третьей главе диссертации рассмотрено современное состояние исследований по материалам, проблеме внешних сил, статическому расчету ГО, описаны свойства и характеристики применяемых конструкционных материалов, использован современный метод расчета прочности (МКЭ), для расчета напряженно-деформированного состояния ГО в статической постановке

Все описанные виды ГО изготовлены из первоначально плоских резинотканевых листов, наиболее часто для изготовления ГО используется резинотканевый материал, состоящий из одного слоя ткани и двух слоев резины ГО отечественных серийных АСВП в зависимости от размеров и назначения судна изготавливалось из специальных резинотканевых материалов толщиной от 0,9 до 5,3 мм производства ОАО "Ярославрезинотехника" и других фирм В работе приведены физико-механические характеристики резинотканевых материалов, показано влияние на них воздействия воды, ультрафиолетового облучения, температуры

Для материалов, применяющихся в конструкции ГО, кривая деформации как правило нелинейна и при растяжении соответствует мягкой характеристике, которая приближенно описывается зависимостями предложенными в работах В А Лепетова, Н П Стрекозова, JIА Гогешвили, Ю Н Коробанова и др

Нелинейность характеристики резинотканевых материалов является следствием того, что в них применяется капроновый текстиль В реальных условиях работы ГО наибольшие значения относительной деформации ГО АСВП составляют

- при парении над экраном без хода продольные (по основе) 0,5 2 %, поперечные (по утку) 2 5,5 %,

- при движении на тихой воде поперечные (по основе) 2 4 %, продольные (по утку) 4 8 %,

- при движении на волнении поперечные (по основе) 2,5 5 %, продольные (по утку) 4 9%

Как следует из графиков, растяжения сжатия, до растяжения порядка 2 3 % (по основе) и 4 6 % (по утку) резинотканевые материалы практически следуюет линейной зависимости

Получены зависимости удельной массы и разрывной нагрузки резинотканевого материала от его толщины, а также зависимость разрывной нагрузки от давления в гибком ресивере

Резинотканевые материалы ГО отличаются, в основном, покрытием, изготавливаемым из различных комбинаций смесей на основе искусственной (синтетический каучук) и натуральной (естественный каучук) резины Резиновые обкладки выполняют ряд важных функций, например, обеспечивают упругость и износостойкость ткани, а также ее воздухонепроницаемость Кроме этого, важно, чтобы ткань в процессе работы ГО в любых сезонных условиях, в установленном диапазоне внешних температур, сохраняла свою мягкость Механические свойства прорезиненных тканей определяют такой важный технико-экономический показатель качества ГО, как эксплуатационный ресурс Условия работы гибкого ресивера и НЭ ГО существенно различаются По этой причине при изготовлении гибкого ресивера и НЭ ГО, для отечественных серийных АСВП, обычно применяются две марки прорезиненной ткани, с близкими, но не одинаковыми механическими характеристиками

Основные сведения о свойствах резины и методах ее расчета можно найти в работах В J1 Бидермана, Э Э Лавендела, Р С Ривлина, Л Трелоара, D A Meyer'а и I Sommer'a откуда следует, что резина является практически несжимаемым материалом, имеющим при растяжении в пределах умеренных деформаций мягкую, а при сжатии - жесткую характеристику Для описания деформации резиновых изделий используют функцию удельной потенциальной энергии Предложены различные способы задания такой функции, обзоры и анализ которых сделаны в работах Б X Аврущенко с соавторами, А В Вовериса, Н Ф Емельянова, В Э Магулы, К Ф Черных и И Н Шубиной, Н Alexander'a, К С Valanis'a и R F Landel'a идр

Ткань с ПВХ покрытием - один из материалов, очень хорошо зарекомендовавших себя для производства надувных лодок и оболочек катамаранов, байдарок, рафтов, ГО в США Данных об использовании тканей с ПВХ покрытием для изготовления ГО в нашей стране не удалось найти В работе приводятся физико-механические характеристики тканей с ПВХ покрытием, также произведено сравнение зависимости разрывной нагрузки от веса материала для резинотканевых материалов и тканей с ПВХ покрытием Показано, что ткани с ПВХ покрытием позволяют достичь лучшего соотношения вес-прочность, чем резинотканевые материалы, для малых АСВП

Проблема определения внешних сил, действующих на ГО в процессе эксплуатации, является в настоящее время мало исследованной По своему происхождению эти силы можно разделить на две группы "статические", то есть действующие на ограждение при неподвижном висении СВП над поверхностью, и "динамические", то есть вызванные движением судна

Под действием давления воздуха снаружи и изнутри ГО и других внешних сил стенки ограждения получают значительные перемещения и поэтому задачи статического расчета ГО являются принципиально нелинейными Для статического расчета ГО обычно приме-

гается теория мягких оболочек, основы которой были разработаны С А Алексеевым, а <лма теория была развита Б И Друзем, В Э Магулой, Б И Усюкиным и их учениками

В работе дано краткое описание применяемых в работе метода конечных элементов и программного комплекса АЖУЗ, выбранного для расчета напряженно-деформированного сосояния ГО в статической постановке

Ча основе данных о растяжении-сжатии резинотканевых образцов до 2% удлинения, были чолучены упругие характеристики материалов, которые были заданы в АЫвУЗ В расчет- ГО применялась линейно-упругая изотропная модель материала для всех оболочек ГО

Ста ический расчет ГО был выполнен для ГО проекта "Зубр" В расчете были учтены вес материала, деформируемость материала (что позволило учесть неравномерное распределение наряжений по ГО), изменение значений и направлений компонентов вектора нагрузки вследствие увеличения площади, на которую действует давление и нормалей в различных точмх всей поверхности ГО

Произведена верификация расчета и экспериментальных данных При сравнении результатов расчета натяжений в ГО, полученных в системе АКБУБ с данными, замеренными на КВП "Зу5р" погрешность составляет 5 9 %

В результате выполнения расчета характеристик напряженно-деформированного состояния ГО методом конечных элементов в системе АЫБУЗ

- выполнен статический расчет всего ГО, получены натяжения и деформации в любых точках ограждение (последние расчетным методом получены впервые),

- выявлены наиболее нагруженные узлы конструкции, что позволяет рационально выбрать марки резинотканевых материалов, с учетом их реальных физико-механических характеристик для изготовления узлов и элементов ограждения и снизить его массу

Четвертая глава диссертации посвящена рассмотрению состава механического устройства ограждения ВП и созданию методики автоматизированного расчета массы ГО на основе полученной здесь трехмерной модели геометрической поверхности и регрессионных исследований по существующим АСВП

Механическое ограждение ВП включает в себя надувное эластичное ГО и элементы крепления (крепеж) ГО к жесткому корпусу АСВП

Основными компонентами надувного эластичного ГО являются полотнища, из которых изготавливаются элементы ГО Отмечены следующие конструктивные особенности рассматриваемого типа ГО

- секции ГО, соединяются между собой с помощью болтовых соединений (монтажные стыки),

-полотнища ГО соединяются между собой с помощью клея, капроновых нитей и резиновых полос,

- продольные и поперечные комингсы из прорезиненных тканей и диафрагмы присоединяются к гибкому ресиверу с помощью клея, капроновых нитей и резиновых полос,

- узлы крепления различных типов НЭ и гибких ресиверов второго яруса к продольным и поперечным комингсам,

- резинотканевые усиления в районе НЭ и краев полотнищ присоединяются к гибкому ресиверу с помощью клеевого материала и капроновых нитей,

- в состав ГО входят также заделочные ленты, "ушки" для подъема ГО, нитки для сшивания отдельных элементов ГО, клеевые материалы, крепеж в виде металлических планок и шайб, шнуровые и в виде полос оттяжки, необходимые для соединения отдельных элементов, уплотнительная полоса, устанавливаемая по периметру внешней линии крепления наружного контура гибкого надувного ресивера к жесткому корпусу судна

Крепится ГО к жесткому корпусу АСВП с помощью металлических рояльных петель, включающих стержневые оси, прижимных полос, болтов, гаек, шайб, специальных прокладок

Видно, что на ранних стадиях проектирования АСВП точное определение массы всех элементов устройства механического ограждения ВП затруднительно Здесь предложена методика определения массы устройства механического ограждения ВП на стадиях эскизного и технического проектирования

Масса устройства механического ограждения ВП (М,т], 0211 - код элемента действующего стандарта нагрузки) на стадии эскизного и технического проектирования может быть определена как сумма двух слагаемых

Мин = М021ючт)+Мт1ткр) (38)

где М,ш ,ЮГО] - масса ГО, Мтп- масса крепежа ГО к корпусу АСВП

На стадии эскизного проектирования АСВП можно говорить лишь пока о массе полотнищ основных элементов ГО гибкого ресивера, НЭ, диафрагм, оттяжек, торцевых стенок кормовых секций и внутреннего контура ГО Исходя из сказанного массу ГО ( Мтюют ) можно определить по формуле

я

МГ0( Э) = £ (т.р +тю+тй + т»+тс К, (39)

где т1р - масса полотнищ гибкого ресивера. тю - масса полотнищ НЭ, тд - масса полотнищ диафрагм, т0 - масса полотнищ оттяжек, тс - масса полотнищ торцевых стенок кормовых секций и внутреннего контура ГО, ки - коэффициент, учитывающий массу остальных конструктивных элементов ГО, на стадии эскизного проекта

Таким образом, для использования формулы (39) должен быть определен коэффициент к-, для типовых секций ГО

На стации технического проекта кроме массы полотнищ основных элементов ГО известно также следующее количество и размеры монтажных стыков, размеры комингсов, размеры конструктивных усилений на основных элементах секций Исходя из этого масса ГО (М01и01((О)) определяется •зависимостью

=^Мр + М« + + м. +М° + М>т, (40) <=1

где М,р - масса полотнищ и усилений гибкого ресивера Мнэ - масса полотнищ и усилений НЭ, Мд - масса полотнищ и усилений диафрагмы, Мк - масса комингсов, Ма - масса полотнищ и усилений оттяжек, Мс - масса полотнищ и усилений стенок, къ - коэффициент, учитывающий массу вспомогательных материалов и крепежных деталей по монтажным стыкам

Таким образом, для использования формулы (40) необходимо определить коэффициент к7 для типовых секций ГО

Сборочный чертеж крепления ГО к корпусу АСВП разрабатывается только на стадии рабочего проектирования Массу крепления ГО к корпусу АСВП (Л^,,^ ,) на стадиях

эскизного и технического проектирования предлагается определять в зависимости от мас-

сы ГО М,

02П01(Л9)

согласно статистическим данным обработанным в работе

'021102(4,) — "»'""'"огпокл»-Для определения коэффициентов кэ и кг бьши использованы комплекты рабочих чертежей ГО проектов "Чилим", "Омар", "Мурена", "Джейран" "Зубр", разработанные ОАО "Ярославрезинотехника"

Расчет коэффициентов по комплектам рабочих чертежей выполнен в табличной форме для каждой секции гибкого 01раждения Были получены средние значения коэффициентов кэ и кт для каждой секции всех указанных выше ГО Выявлено, что независимо от размеров и конструкции ГО значения коэффициентов кд и кт для типовых секций довольно близки, что позволяет рекомендовать их для расчета массы гибкого ограждения по формулам (39) и (40) В табл 1 приведены рекомендуемые значения коэффициентов кэ и к7для типовых секций ГО

Таблица 1- Рекомендуемые значения коэффициентов кэ и кт дм типовых секций ГО

Наименование секции Среднее значение коэффициентов кэ и к?

кэ кТ

Носовая 1,68 1,26

Бортовая 1,73 1.24

Угловая 1,77 1,31

Кормовая 1.68 1.28

Продольная ВК 1,86 1,28

Поперечная ВК 1,85 1,30

В случае необходимости для более точного определения массы ГО целесообразно пользоваться значениями коэффициентов, определенных для комплектов ГО, выбрав в качестве прототипа наиболее близкое по конструкции и характеристикам АСВП ГО

Таким образом разработан алгоритм расчета массы устройства механического ограждения ВП на стадии эскизного и технического проектов (см рис 14) с использованием ЗЭ модели ГО, позволяющей автоматизировано получить площадь поверхности использующего материала ГО, толщины которого для каждого элемента бьши получены по результатам использования методики расчета прочности (см главу 3 Одновременно определяются и коордитаты центра масс как элементов, так и всего ГО в целом Произведен проверочный расчет массы ГО ( Могищг0) ) на примере созданной трехмерной параметрической

модели ГО для КВП "Зубр", соответствующей стадии эскизного проектирования В результате погрешность при расчете массы ГО ( Мапюкт )с использованием средних значений коэффициентов кэ составляет 1,03%, при расчете по коэффициентам кэ полученных для близкого прототипа она составляет 0,35% Погрешность по координате хго составляет 2,71%, по координате гю составляет 1% При расчете массы крепления ГО к корпусу КВП ( А/021|ш(Ч), ) погрешность составляет 4,71%, погрешность по координате хкр - 7,29 %, по координате г - 4,74 %

ИСХОДНАЯ ИНФОРМАЦИЯ (Эсгизный ггроегг) 3D модель ГО, обладающая информацией о физических характеристиках элементов ГО: -масса элементов ГО, _-координаты цт элементов ГО.

I

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАССЫ И КООРДИНАТ ЦТ ЭЛЕМЕНТОВ ГО ПО 3D МОДЕЛИ

. £ — -» -—о -...

Эдасжгы жервричееда« Теорениодпемрдчшядя структуры 3D «дея 10. jjy иапелв ГО.

I

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАССЫ И КООРДИНАТ ЦТ ГО

^го-Ую^то

ИСХОДНАЯ ИНФОРМАЦИЯ <Техни«с*яй проект) 1) 3D модель ГО, обладающая информацией о физических характсрисгахах элементов ГО: -масса злемевтов ГО; -координаты цт злемевтов ГО. 2) 3D модель корпуса АСВП с указанием размеров и координат мост расположения на жестком корпусе шхаяхи подкрепления иод ГО.

3JD модпль корпуса АСВП с слеыкой подерапкааы епд ГО. l-*ocmadt хорсус АСВП; 2-ссипжа. хщдараоаш** иод Ш.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАССЫ И КООРДИНАТ ЦТ

ЭЛЕМЕНТОВ ГО ПО 3D МОДЕЛИ

__f ^

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАССЫ И КООРДИНАТ ЦТ ГО

Иггп=Т(К+Ч.+ЦЩ+Ц+ЧХ U Хго.уюгю и

_i_

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАССЫ И КООРДИНАТ ЦТ КРЕПЛЕНИЯ ГО К ЖЕСТКОМУ КОРПУСУ АСВП - определение мессы ярепепедия ГО к жесткому корпусу АСВП:

Мт = о.! 064МШ1ШЦГ1}1 + б;. 78 (кг;,

- определение irr массы креиеления ГО к жесткому корпусу ACBII: а) с использованием 3D модели корпуса ACBII определяем цг массы планки подкрепления под ГО у., zj;

: 6) I,- хю; 7„ -7„-h_.

i___

__

MöZlbX^n, У0211, Zqjjj (на этапе технического проектирования)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАССЫ И КООРДИНАТ ЦТ КРЕПЛЕНИЯ ГО К ЖЕСТКОМУ КОРПУСУ АСВП

- определение массы крепеления ГО к жесткому

корпусу АСВП:

МЮ1№Хт, ® 0.10б4ЛГвивчЯ)+65,78

- определение абсциссы от массы кренеления ГО

к жесткому корпусу АСВП;

х„ =•!, 0494.x _ +0,0078

ИЕ^

Pscrysox - Зя&ксжшхсхь абсциссы ЦТ шссы крепвсеиг ГО (iq) от абсциссы цт м*оси IX) определение аппликаты цт массы крепеления ГО к жесткому корпусу АСВП;

0.5593г, -0.0982

Рвсувок - Звдосххосто» ш1пжигжхм цт itttii ГО (хот велдчкаы *сртккЕ.ты*>< б«зи

roczi._ _

т

^0211) Х0211> У0211» Z02il

(на этапе эскизного проектнрованкв)

Рисунок 14- Алгоритм расчета "массы устройства механического ограждения ВГТ с использованием ЗО модели ГО.

В пятой главе диссертации реализована возможность использования созданной трехмерной модели ГО для получения автоматизированного раскроя Дается краткое описание гибкого ограждения как поверхности, показано, что наибольшую сложность для развертывания представляют носовая и угловая части ГО, так как такие поверхности не относится к классу развертывающихся, их полная кривизна не равна нулю Развертывание прочих поверхностей ГО тривиально Выполнен краткий обзор работ по построению разверток ГО

До настоящего времени, когда ТЧ ГО строился вручную, построение разверток приходилось выполнять на стадии эскизного проектирования, для определения площадей поверхности объемной фигуры, которую представляет надувной гибкий ресивер, а по ним и массы ГО Применение CAD/CAM систем для построения электронной трехмерной модели ГО позволяет обойтись без построения разверток для определения массы Построение разверток необходимо только на стадии рабочего проектирования, как источника информации для изготовления элементов ГО из резинотканевых материалов

Перечислены CAD/CAM системы, которые можно использовать для получения разверток поверхностей ГО Разработан алгоритм экспорта созданной трехмерной параметрической модели ГО в CAD/CAM систему FORAN для получения раскроя элементов ГО на примере носовой секции ГО КВП "Зубр' Полученный раскрой полотнищ секций ГО может быть использован для выполнения рабочих чертежей (например, в AutoCAD'e)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В представленной диссертации решена задача, имеющая практическое значение для повышения эффективности и ускорения процесса проектирования ГО АСВП и повышения качества проектных работ по таким судам

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем

1 Предложена оригинальная комплексная методика проектирования формы гибкого ограждения, содержащая способы расчёта и построения формы всего гибкого ограждения,

2 Для автоматизации процесса проектирования гибкого ограждения на основании полученных расчетных зависимостей и предложенной методики проектирования формы ГО в CAD/CAM системе Autodesk Inventor, создана трехмерная параметрическая модель ГО, позволяющая рассчитывать геометрические параметры сразу всего гибкого ограждения, а также получать традиционный теоретический чертеж ГО,

3 С использованием системы ANSYS выполнен статический расчет прочности всего ГО, получены натяжения и деформации в любых точках ограждения Выявлены наиболее нагруженные узлы конструкции, что позволяет для изготовления узлов и элементов ограждения рационально выбирать марки резинотканевых материалов с учетом их реальных физико-механических характеристик и снижать массу ГО,

4 Разработана методика расчета массы ГО в зависимости от имеющихся в распоряжении проектанта геометрических, конструктивных и проектных характеристик как самого ГО, так всего судна в целом С этой целью выполнен обстоятельный статистический анализ масс элементов натурных ГО и массы крепежа ГО к корпусу существующих АСВП

Получены зависимости для определения массы ГО на различных стадиях проектирования с использованием созданной здесь трехмерной параметрической модели ГО

5. Показана возможность экспорта созданной трехмерной параметрической модели ГО в тяжелые CAD/CAM системы, например в FORAN Произведена развертка поверхности ГО Полученный раскрой элементов ГО может быть использован для выполнения рабочих чертежей (например, в AutoCAD'e)

6. Методика автоматизированного проектирования ГО АСВП представленна как его информационная модель, рассматривающая ГО как подсистему судна в целом Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

а) в изданиях, рекомендуемых Перечнем ВАК:

1 Автоматизированное проектирование гибкого ограждения (ГО) амфибийных судов на воздушной подушке (статья) Федотов Д Г.// журнал «Морской вестник» - СПб • июнь 2007 -№2(22) -с 86-88 (автор -100%)

2 Теория, проектирование и изготовление гибких ограждений области воздушной подушки для современных амфибийных СВП (тезисы доклада) Демешко Г.Ф, Федотов Д Г // журнал «Морской вестник» - СПб сентябрь 2007 - №3 (6) специальный выпуск -с 56-58 (автор-60%)

3 Методика расчета массы в системе автоматизированного проектирования гибких ограждений амфибий судов на воздушной подушке (статья) Федотов Д Г, Цымляков Д Е // журнал «Морской вестник» -СПб сентябрь 2007 -№3(23). —с 88-91 (автор-90%)

б) в других изданиях:

4 Параметрическое проектирование гибких ограждений области воздушной подушки как подсистемы амфибийных судов на воздушной подушке (тезисы доклада), Демешко ГФ, Федотов ДГ// Девятая международная конференция «Российское судостроение и судоходство, деятельность портов, освоение океана и шельфа» Нева-2007 - СПб сентябрь 2007 Программа и тезисы докладов с 41-43 (автор-60%).

5 Статический Расчет прочности гибкого ограждения амфибийных СВП с использованием программного комплекса ANS YS XXII Международная конференция Математическое моделирование в механике деформируемых тел и конструкций Методы граничных и конечных элементов - СПб. октябрь 2007 (автор - 100%)

ИЦ СПбГМТУ, Лоцманская, 10 Подписано в печать 10 10.2007 Зак 3487. Тир.100 1,0 печ л.

Обозначения и сокращения.

Введение

Глава 1 Методика расчёта параметров формы элементов го и построения теоретического чертежа ГО АСВП.

1.1 Описание рассматриваемого ГО.

1.2 Краткий обзор работ по расчету параметров формы ГО (определение положения статического равновесия ГО).

1.2.1 Обзор работ по расчету параметров формы бортовой секции ГО.

1.2.2 Обзор работ по расчету параметров формы носовой секции ГО.

1.2.3 Обзор работ по расчету параметров формы кормовой секций ГО.

1.2.4 Работы по расчету параметров формы угловой секций ГО.

1.3 Исходные данные для проектирования ГО.

1.4 Расчет параметров формы и построение бортовой секции ГО.

1.4.1 Описание формы бортовой секции.

1.4.2 Описание расчетной схемы и вывод системы уравнений равновесия.

1.4.3 Построение контура НЭ открытого типа, бортовой секции.

1.4.4 Нахождение формы внешней и внутренней частей гибкого ресивера бортовой секции

1.4.5 Нахождение формы гибкого ресивера над НЭ.

1.4.6 Дополнительные построения для бортовой секции.

1.4.7 Математическая формализация построения ряда параметров формы сечения бортовой секции.

1.5 Расчет параметров формы и построение носовой секции ГО.

1.5.1 Описание формы носовой секции.

1.5.2 Определение формы внешней и внутренней частей гибкого ресивера сечения I-I (в ДП) носовой секции.

1.5.3 Построение контрольной линии, внешней и внутренней линий крепления ГО носовой секции.

1.5.4 Определение границы носовой секции и задание секущих плоскостей.

1.5.5 Нахождение формы сечений II-II. IX-IX гибкого ресивера.

1.6 Расчет параметров формы и построение кормовой секции ГО.

1.6.1 Описание формы кормовой секции.

1.6.2 Описание расчетной схемы и вывод системы уравнений равновесия.

1.6.3 Определение границы кормовой секции.

1.6.4 Соотношения определяющие характерные вертикальные размеры элементов кормовой секции.

1.6.5 Построение формы кормового навесного конусного элемента и гибкого ресивера второго яруса.

1.6.6 Расчет и построение формы гибкого ресивера первого (верхнего) яруса кормовой секции ГО.

1.6.7 Дополнительные построения для кормовой секции.

1.6.8 Математическая формализация построения ряда параметров формы сечения кормовой секции.

1.7 Расчет и построение формы угловой секции ГО.

1.7.1 Описание формы угловой секции.

1.7.2 Определение границ угловой секции ГО и выполнение необходимых сечений.

1.7.3 Расчет и построение крайнего кормового бортового сечения угловой секции ГО (сечение XV-XV).

1.7.4 Расчет и построение сечений XII-XII, XIII-XIII.

1.7.5 Определение положения крайнего съёмного элемента открытого типа.

1.7.6 Определение положения бортовой кромки кормового участка секции.

1.7.7 Получение геомётрических характеристик диафрагмы конусного НЭ.

1.7.8 Расчет и построение углового участка угловой секции.

1.7.9 Построение формы конусообразной оболочки (сечения XIX-XIX + XXI-XXI).

1.7.10 Определение положения кормовой кромки бортового участка секции.

1.7.11 Построение линий крепления НЭ.

1.8 Корректировка геометрических параметров ГО внешнего контура.

1.9 Расчет параметров формы и построение внутреннего контура ГО.

1.9.1 Описание формы внутреннего контура.

1.9.2 Построение продольного киля внутреннего контура.

1.9.3 Построение поперечного киля внутреннего контура.

Глава 2 создание трехмерной параметрической модели гибкого ограждения АСВП.

2.1 Параметрическое моделирование в CAD системах, основные термины и определения.

2.2 Создание трехмерной параметрической модели ГО в системе Inventor.

2.2.1 Программный комплекс Inventor общее описание.

2.2.2 Этапы создания трехмерной параметрической модели ГО.

2.2.3 Создание трехмерной параметрической модели ГО.

2.3 Адекватность созданной методики расчета параметров формы элементов ГО и созданной трехмерной параметрической модели ГО в системе Inventor.

2.3.1 Получение геометрических параметров ГО на стадии эскизного проектирования.

2.3.2 Получение геометрических параметров ГО на стадии технического проектирования.

Глава 3 Расчет прочности го в статической постановке.

3.1 Материалы ГО.

3.1.1 Резинотканевые материалы.

3.1.2 Ткани с ПВХ покрытием.

3.2 Проблема внешних сил.

3.3 Статический расчет ГО.

3.4 Метод конечных элементов, основные понятия.

3.5 Программный комплекс ANSYS общее описание и основные стадии статического расчета ГО.

3.6 Статический расчет ГО методом конечных элементов (МКЭ) в программном комплексе ANS YS.

3.6.1 Препроцессорная подготовка.

3.6.2 Получение решения.

3.6.3 Просмотр и анализ результатов (постпроцессорная обработка).

3.7 Оценка прочности ГО.

3.8 Верификация расчета и экспериментальных данных.

3.9 Анализ результатов расчета.

Глава 4 Методика расчета массы устройства механического ограждения ВП на стадии эскизного и технического проектирования.

4.1 Описание метода расчета массы устройства механического ограждения ВП.

4.1.1 Состав устройства механического ограждения ВП.

4.1.2 Определение массы устройства механического ограждения ВП.

4.2 Определение коэффициентов кэикт.

4.3 Рекомендации по использованию расчетных формул и коэффициентов.

4.4 Порядок расчета массы устройства механического ограждения ВП на стадии эскизного проектирования с использованием трехмерной модели ГО АСВП.

4.5 Порядок расчета массы устройства механического ограждения ВП на стадии технического проектирования с использованием трехмерной модели ГО АСВП.

4.6 Пример расчета массы устройства механического ограждения ВП на стадии эскизного проектирования с использованием созданной трехмерной модели ГО АСВП.

4.6.1 Расчет массы ГО (Mo2iioi(ro)).

4.6.2 Расчет массы крепления ГО к корпусу АСВП (Монюикр)).

Глава 5 Построение разверток ГО.

5.1 ГО как поверхность.

5.2 Обзор работ по построению разверток ГО.

5.3 CAD/CAM системы позволяющие, производить развертку поверхностей.

5.4 Пример развертки поверхности ГО в CAD/CAM системе Foran.

5.4.1 CAD/CAM система Foran, общее описание.

5.4.2 Импорт поверхности гибкого ресивера носовой части ГО в систему Foran.

5.4.3 Подготовка поверхности гибкого ресивера носовой части ГО к развертке.

5.4.4 Развертка носовых секций гибкого ресивера.

Выводы по результатам диссертации.

Амфибийные суда и корабли на воздушной подушке (АСВП) успешно зарекомендовали себя благодаря уникальным эксплуатационным возможностям: движение с высокой скоростью и амфибийность, базирование на необорудованном берегу. В оборонной сфере ими обеспечивается выполнение десантных и патрульных операций, они используются они также в качестве кораблей охранения в ближней морской зоне, в работе пограничных и таможенных службах. Не менее успешны они и при использовании в гражданских целях в качестве амфибийных транспортных средств в условиях труднодоступных районов, заболоченной тундры, мелководного шельфа. Аналогичный опыт в зарубежье получен в Финляндии, в Великобритании, Канаде, на Аляске (США), в Китае. Реальный опыт эксплуатации в военной и гражданской областях насчитывает уже более 40 лет. Здесь Россия уверенно занимает лидирующие положение.

Для нашей страны с ее огромными пространствами тундры, шельфами Арктических и Дальневосточных морей, в которых сосредоточены более четверти мировых запасов углеводородного сырья, хозяйственно-экономическое освоение этих регионов является стратегической задачей, решение которой в значительной степени связано с проблемой по доставке тысяч тонн грузов. Традиционные способы транспортировки грузов в суровых природно-климатических условиях не могут в полной мере обеспечить решение этой крупномасштабной задачи.

В связи с этим, реализация возможности использования АСВП для транспортного обслуживания и обустройства объектов нефте - и газодобычи в трудно доступных районах крайнего Севера, Сибири и Дальнего Востока, следует считать актуальной, отвечающей современным тенденциям применения прогрессивных транспортных технологий в решении стратегической задачи - освоения природных ресурсов страны.

Эти проблемы ставят для проектантов такие задачи как совершенствование старых и разработка новых типов АСВП для возможности эксплуатации в условиях низких температур, повышенного пыле и грязеобразования, над снежным покровом, торосистыми и ледяными полями.

Широкое применение АСВП выдвинуло целый ряд новых технических задач, связанных с проектированием этих судов. В целом можно говорить о значительных успехах в разработке методологии проектирования АСВП [21,22]. Основной подсистемой этих аппаратов является гибкое ограждение (ГО) области воздушной подушки. крепящееся по ее периметру к нижней части жесткого корпуса и обеспечивающее

10 судну повышение проходимости, амфибийности, остойчивости, минимизирующее затраты энергии на поддержание ВП.

Кроме того ГО относят к категории наиболее ответственных конструкций АСВП, от надежности и прочности которых зависит успешная эксплуатация этого вида транспортных средств. По мере совершенствования конструкций, накопления опыта проектирования и эксплуатации ГО их роль в обеспечении мореходных и амфибийных качеств СВП непрерывно повышается. Постоянно контактируя с подстилающей поверхностью и будучи изготовленным из прорезиненных синтетических материалов, ГО подвержено вибрации, флагеляции, истиранию, разрыву и имеет ресурс, многократно меньший, чем остальные подсистемы АСВП в целом и даже такие проблемные, как энергетическая установка, воздушные винты, воздухонагнетатели.

Характерной особенностью проектирования современных судов является, возрастающее значение технико-экономического анализа, внедрение расчетных методов поиска наилучших, т.е. оптимальных решений, обеспечивающих оценку эффективности применения разрабатываемых судов и их систем по сравнению с уже существующими или перспективными. В последние годы интенсивно развивается процесс автоматизации проектирования судов. Сказанное в полной мере относится и к проектированию ГО СВП. Сложность технических задач, стоящих перед разработчиками ГО, необходимость поиска их оптимального решения заставляют уже на самых ранних стадиях проектных проработок устанавливать форму ГО, выполнять расчетную оценку его прочности для различных вариантов конструкций, рассчитать его массу и по возможности минимизировать. Успешное решение этих задач в значительной степени определяется наличием надежного расчетного аппарата, поскольку, как показывает опыт проектирования, именно на начальных стадиях проектных проработок принимается более 90% всех принципиальных технических решений [44].

Форма и конструкция ГО может иметь большие многообразия [20, 22, 62], но наиболее распространен двухъярусный тип ГО, состоящий из надувного тороидального идущего по всему периметру ресивера, к которому крепятся навесные секционированные элементы. Этот тип ограждения является сам сложным, но наиболее эффективным из отечественных, разработке методики его проектирования и посвящена данная работа.

Проблемы повышения надежности, ресурса, массы, стоимости ГО являются комплексными и касаются: проектирования формы, автоматизации получения электронной модели геометрической поверхности ГО, обоснования свойств и характери

11 стик применяемых конструкционных материалов, использования современных методов расчета прочности (МКЭ), выполнения автоматизированных расчетов массы ГО, автоматизированного раскроя материала ГО на секции, узлы, элементы для последующего выполнения их рабочих чертежей.

Для решения вышеобозначенных проблем требуется создать методику расчёта формы и построения теоретического чертежа ГО, удовлетворяющую современным требованиям, так как на сегодняшний день не существует целостной методики расчета формы всего ГО.

Методика расчета формы ГО и построения теоретического чертежа ГО должна:

- содержать способы расчёта и построения формы всех элементов и секций ГО;

- предписывать последовательность выполнения этих расчетов;

- обеспечивать адаптивность к CAD/CAM системам для возможности создания в них трехмерной параметрической модели ГО, с дальнейшим использованием её для расчетов прочности, ходкости, остойчивости, массы, построения разверток и выполнения чертежей общего расположения;

- быть пригодной для работы на ранних стадиях проектирования.

На основе созданной методики проектирования формы ГО в работе разработана трехмерная параметрическая модель ГО как основа электронного представления его в качестве предмета исследования и использования ее в CAD/CAM/CAE системах при создании АСВП.

Согласно [22], расчет общей прочности ГО складывается из определения внешних сил, расчета напряженно-деформированного состояния конструкций ограждения и нормирования прочности.

Расчетные методики, позволяющие уверенно прогнозировать прочностные характеристики натурного гибкого ограждения, в настоящее время отсутствуют, а попытки их создания встречают определенные трудности. В первую очередь это связано со специфическими особенностями применяемых для изготовления ГО полимерных материалов (резинотканевая оболочка, клеи, прошивные нити) и недостаточной изученностью внешних сил и процессов, протекающих в оболочке под действием различных эксплуатационных факторов. В то же время актуальность разработки более надежных методов расчета ГО на прочность подтверждается всем опытом проектирования и эксплуатации АСВП. Несовершенство существующих методов расчета сдерживает возможность уверенного выбора основных конструктивных решений и материала ГО до начала постройки судна и зачастую приводит к необходимости осушесчвлять их окончательный выбор по результатам опытной эксплуатации уже натурного объекта. Об этом свидетельствует как отечественный, так и зарубежный опыт постройки и эксплуатации АСВП. В целом, следует признать, что вопросы расчета прочности ГО в настоящее время разработаны недостаточно. Повышение надежности и точности расчета прочности ГО на данном этапе в значительной степени зависит от совершенствования методов расчета их напряженно-деформированного состояния. Для резинотканевых материалов запасы прочности принимаются примерно одинаковыми у различных элементов ГО.

В настоящее время оценка местной прочности проектируемых ГО производится только экспериментально (лабораторные, стендовые и натурные испытания).

Помимо создания методики расчета формы в работе решается задача - применения МКЭ для расчета напряженно-деформированного состояния конструкций ограждения в статической постановке с использованием ранее созданной здесь трехмерной модели ГО, как пример возможности применения созданной ЗБ модели в САЕ системах.

Как правило, в практике создания СВП проектирование ГО по времени осуществляется на заключительных стадиях проектирования судна. В то же время при проектировании АСВП уже на начальных стадиях требуется определить массу "устройства механического ограждения области ВП", причем сведения об устройстве и конструкции ГО весьма ограничены. Так в реальной практике, на стадии эскизного проектирования разрабатывается лишь теоретический чертеж ГО, на стадии технического проектирования дополнительно осуществляется разбивка ГО на секции и основные элементы его конструкции.

В работе решена задача - определения массы "устройства механического ограждения ВП" в зависимости от имеющихся в распоряжении проектанта геометрических, конструктивных и проектных характеристик как непосредственно ГО, так и всего судна в целом. С этой целью выполнен обстоятельный статистический анализ масс элементов натурных ГО и массы крепежа ГО к корпусу целого ряда существующих АСВП.

Таким образом работа представляет собой практическую реализацию информационной модели ГО АСВП, рассматриваемой как подсистема судна (см. рис. 1).

Кроме этого реализована возможность использования созданной здесь трехмерной модели ГО для получения автоматизированного раскроя материала ГО на секции, узлы, элементы для последующего выполнения рабочих чертежей.

Проектные данные:

Р. Л, Вп,В.,г*,Ьга,а5 ИГА„ Ц.К,,, «ю, а,

Расчет напряженно-деформированного состояния в АКБУЗ

Расчеты:

- посадки;

- удифферентовки

- остойчивости;

- ходкости;

- качки;

-воздуховодного тракта.

Нормирование прочности

Расчет формы

Трехмерная параметрическая \ модель ГО /

Расчет прочности ГО

Выбор материала для элементов ГО

Геометрические характеристики ГО

Иерархическая структура трехмерной модели ГО

Задание характеристик резинотканевых материалов для элементов ГО

Теоретические х-ки элементов трехмерной модели ГО

Расчет массы (группы стандарта нагрузки) 'устройства механического ограждения ВП"

Выпуск документации на стадиях эскизного и технического проекта

Выпуск рабоче-конструкторской документации

Создание интерактивных электронных технических руководств

Получение разверток ГО (например в системе Рогап)

Сборочные чертежи

Рисунок 1 - Информационная модель ГО АСВП.

Проектные данные:

В, К„ В,. В,,7*, Ь,,.Л«,. Ь,„Ли, Ц.С Я- Д"

Расчет тпряжяшо-деформирова! шого состояния вАЫЯУ5

Расчеты

- посадки;

- удифферекговюц

- остойчивости;

- ходкости;

- качки:

- аоодуховодшго тракта. армирование Прочности

Расчет формы ГО

Трехмерная параметрически \ модель ГО /

Расчет прочности ГО

Выбор материала для -элементов ГО

Иерархическая сгрукгура трехмерной модели ГО

Задание характеристик резинотканевых метервалов для элементов ГО

Тк^пяч к кне х-юплежнтм трехмерной модели ГО

Расчет массы (труппы стандарт нагрутаО 'устройства кемеитажого ограждения В1Г

Выпуск докумешшии на стадиях эсюпного и техническое проекта

Выпуск рабоче-шнсгруторской документации

Создание интерактивных электронных технических руководств

Получение разверток ГО (например в системе Гогал)

Сборочные чертежи

Рисунок 1 - Информационная модель ГО АСВП.

Работа состоит из введения, 5-ти глав, заключения, списка литературы из 151 наименования.

Первая глава посвящена созданию физических и математических моделей геометрических поверхностей ГО и соответствующей методики расчета формы.

Вторая глава посвящена созданию трехмерной параметрической модели ГО.

В третьей главе рассмотрены свойства и характеристики применяемых конструкционных материалов (из области резинотехники). Использован современный метод расчета прочности (МКЭ), для расчета напряженно-деформированного состояния ГО в статической постановке.

В четвертой главе выполняется автоматизированный расчет массы ГО на основе трехмерной модели геометрической поверхности и регрессионных исследований по существующим АСВП.

В пятой главе реализована возможность использования созданной трехмерной модели ГО, для получения автоматизированного раскроя.

В заключении сформулированы основные результаты исследований, представленных в диссертации.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Предложена оригинальная комплексная методика проектирования формы гибкого ограждения, содержащая способы расчёта и построения формы всего гибкого ограждения;

2. Для автоматизации процесса проектирования гибкого ограждения на основании полученных расчетных зависимостей и предложенной методики проектирования формы ГО в CAD/CAM системе Autodesk Inventor, создана трехмерная параметрическая модель ГО, позволяющая рассчитывать геометрические параметры сразу всего гибкого ограждения, а также получать традиционный теоретический чертеж ГО;

3. С использованием системы ANS YS выполнен статический расчет прочности всего ГО, определены натяжения и деформации во всех точках ограждения. Выявлены наиболее нагруженные узлы конструкции. Это позволит при изготовления узлов и элементов ограждения рационально выбирать марки резинотканевых материалов с учетом их реальных физико-механических характеристик и снижать массу ГО;

4. Разработана методика расчета массы ГО в зависимости от имеющихся в распоряжении проектанта геометрических, конструктивных и проектных характеристик как самого ГО, так всего судна в целом. С этой целью выполнен обстоятельный статистический анализ масс элементов натурных ГО и массы крепежа ГО к корпусу существующих АСВП. Получены зависимости для определения массы ГО на различных стадиях проектирования с использованием созданной здесь трехмерной параметрической модели ГО.

5. Показана возможность экспорта созданной трехмерной параметрической модели ГО в тяжелые CAD/CAM системы, например в FORAN. Произведена развертка поверхности ГО. Полученный раскрой элементов ГО может быть использован для выполнения рабочих чертежей (например, в AutoCAD'e).

1. Аврущенко Б.Х., Бартенев Г.М., Кусов А.Б., Никифоров В.П. О выборе уравнения деформации для высокоэластичных материалов. Каучук и резина, 1970, № 8, с. 33-36.

2. Алексеев С.А. Задачи статики и динамики мягких оболочек. Труды VI Всесоюзной конференции по теории оболочек и пластин. М., Наука, 1966, с. 28-37.

3. Алексеев С.А. Основы общей теории мягких оболочек. В сб. Расчет пространственных конструкций. М., Стройиздат, 1967, вып. 11, с. 31-52.

4. Андреев Г.Е., Кудрявцев A.C., Проценко В.В., Рубинов A.B., По воде и по суше (очерки о разработке и применении судов амфибий). - М.: ИНИЦ Роспатента, 2002., 272с.

5. Аносов В.Н., Завьялов В.М., Румянцева O.A. Определение упругих характеристик резинотканевых материалов при растяжении и изгибе. Сб. ДВВИМУ. Шестая дальневосточная конференция по мягким оболочкам. Владивосток 1979г. с. 191-195.

6. Басов К.А. ANSYS в примерах и задачах. М.: Компьютер Пресс, 2002г., 224с.

7. Бидерман B.JI. Вопросы расчета резиновых деталей. В сб.: Расчеты на прочность. М.: Машгиз, 1958, вып. 3, с. 40-87.

8. Бидерман B.JI. Дифференциальные уравнения деформации резинокордных оболочек вращения. Труды МВТУ им. Н.Э. Баумана. - М., Машгиз, 1958, вып. 89, с. 119-146.

9. Бидерман B.JI., Жуков А.Д. Чистый изгиб резиновой полосы при больших деформациях. Изв. ВУЗов. Машиностроение, 1969, №1, с. 17-20.

10. Бондарец К.В., Кличко В.В. Расчет параметров формы элементов гибких ограждений воздушной подушки. ЦНИИ им. А.Н. Крылова, Труды, Гидродинамика быстроходных судов, вып. 247,1969г., с. 66-78.

11. Верткин М.А., Петин Е.В. Автоматическое построение разверток мягких оболочек сложной формы. Сб. ДВВИМУ. Шестая дальневосточная конференция по мягким оболочкам. Владивосток 1979г. с. 64-67.

12. Воверис A.B. Большой цилиндрический изгиб резинотканевой пластины. В сб. Прочность судовых конструкция. Л. Изд. ЛКИ, 1978, с. 14-17.

13. Воверис A.B. Мембранная жесткость резинотканевой пластины. В сб. Прочность судовых конструкция. Л. Изд. ЛКИ, 1979, с. 10-14.

14. Воверис A.B. Определение цилиндрической жесткости, соответствующей малому изгибу, дополнительному к конечному изгибу резинотканевой пластины. В сб. Прочность судовых конструкция. Л. Изд. ЛКИ, 1979, с. 15-18.

15. Галимханов К.Г., Хакимов А.Г. Обтекание воздухоопорной мягкой цилиндрической оболочки плоским потоком идеальной несжимаемой жидкости. Сб. ДВВИМУ. Пятый дальневосточный семинар по мягким оболочкам. Владивосток 1976г. с. 112-118.16