автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.02, диссертация на тему:Прочность и устойчивость стенок рамных связей судов внутреннего плавания в районе вырезов

Нижегородский государственный технический университет

УДК 629.12.011.7:539.4 На правах рукописи

РГ6 од

3 ШАНЬГИН Игорь Дмитриевич

ПРОЧНОСТЬ И УСТОЙЧИВОСТЬ СТЕНОК РАМНЫХ СВЯЗЕЙ СУДОВ ВНУТРЕННЕГО ПЛАВАНИЯ В РАЙОНЕ ВЫРЕЗОВ

Специальность 05.08.02 — строительная механика корабля

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Н. Новгород 1994

Работа выполнена на кафедре «Сопротивления материалов, конструкции корпуса и строительной механики корабля» Волжской государственной академии водного транспорта.

Научный руководитель—доктор технических наук, профессор И. И. Трянин.

доктор технических наук, профессор Ю. Г. Коротких; кандидат технических наук, доцент В. Г. Налоев. Ведущая организация— «Вымпел».

при Нижегородском государственном техническом университете по адресу: 603600, г. Нижний Новгород, ГСП-41, ул. Минина, 24, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке технического университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписями, заверенными печатью, просим направлять на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Официальные оппоненты:

в

Защита диссертации состоится _¡994 г_

^■^Г^'час. на заседании диссертационного совета Д 063.85.01

/

Автореферат разослан

Ученый сек диссертационн! доктор технических

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность гены. Опит эксплуатации корпусов судов, анализ результатов дефектаций и публикаций в технической литературе указнвапт на многочисленные повреаде-ния стенок рамних связей в виде выпучин стенок и трещин в районе вырезов. Наиболее подверяены повреждениям флоры мев-дудонного пространства открытых беспереборочных судов бункерного типа. Такие повреждения появляются уае в первые годы эксплуатации судна, а в последующие годы носят массовый характер. Површдения начинается-с потери устойчивости кроиок вырезов, расположенных в районах, где наряду с изгибающими иоиентаии действупт значительные срезивавщио сили. Это участки стенок рамного набора, прилегающие к внутреннему боргу, поперечным и продольным переборкам. Особую опасность вызивавт трещины, переходящие с попренденной стенки флора на настил второго дна и обвивку.

Ремонт олоров в двойном дне требует больчих материальных затрат и не приводит к поло5ительныи результатам, если он выполнен-по старой конструктивной схеие. Это свидетельствует. об опибкая, дспученнцх в процессе конструирования. Особую тревогу вызывает то обстоятельство, что спроектированные таким образом конструкции не противоречат действующий Правилам Российского Речного Регистра. Поэтому реиекие вопросов, связанных с исключением повреядений стенок рамних балок в районе вырезов, является весьма актуальной задачей.

Использование полученных результатов позволит избежать кассовых повре«дений стенок рамного набора, ослабленных вы-

1

резаки, и сделать еще один ваг для обеспечения возиовности безремонтной эксплуатации корпусов судов.

Никто« исследования является стенки-рамных связей корпусов речных судов, ослабленные вырезами.

Цель рабоп, Целью диссертационной работы является исследование прочности и устойчивости стенок рамного набора с вырезами, испытывавших воздействие значительных изгибающих и срезывающих усилий, а такяе разработка новой инвенерной методики по проектированию подкреплений высоких стенок как сплошных, так и ослабленных вырезами. Для дости-вения указанной цели необходимо:

оценить устойчивость неподкрепленннх и подкрепленных стенок, ослабленных'вырезаки;

оценить несущую способность балок при различных типах подкреплений;

определить ресурс поврежденных конструкций равных балок; выполнить анализ напряаенно- деформированного состояния стенки в районе выреза;

рассмотреть необходимость нормирования напряженного состояния стенки в районе выреза;

разработать новые рекомендации по эффективному подкреплении стенок рамных связей садоз внутреннего плавания.

Нетоды исследования. При проведении исследований использованы аппарат строительной механики корабля, полонения теории течения и деформационной теории пластичности, метод конечных элементов, кодельный эксперимент.

Научная новизна. По результатам иодель-

2

ного эксперимента и расчетов по метода конечных элементов оценена прочность и устойчивость стенск рамного набора в уп-ругопластической области.

Экспериментальным пате« оценена несущая способность рамных балок с подкрепленными стенками.

Показана неэффективность вертикальных ребер язсткости при подкреплении ослабленных вырезами стенок, подвергающихся воздействии значительных срезывающих сил.

Произведена оценка долговечности рамных балок с подкрепленным вырезом, имеющих значительные повреадения.

Выполнен анализ напряаенно- деформированного состояния стенки в районе выреза.

При решении задачи о плоском напряаеннои состоянии и задачи устойчивости стенки по НКЗ предложен новый стерянезой конечный элемент, позволяющий с достаточной точностью учесть эффект подкрепления без увеличения иерности задачи.

Предлояен способ нормирования прочности стенок в районе вырезов.

Разработана эффективная методика по проектированию подкреплений высоких стенок рамных балок.

Практическая ценность. Создана программа расчета на ЭВМ плоской задачи и задачи устойчивости подкрепленных пластин с вырезами в области упругопласти-ческих деформаций.

Предложен способ нормирования прочности стенок в районе вырезов.

Разработана удобная для применения инженерная методика по проектирование подкреплений высоких стенок балок как без вырезов, так и с вырезами.

На з а ц ит у выносятся: оценка прочности и ястойчиаости стенок рамного набора в упругопластической области;

анализ напряненно- деформированного состояния стенки в районе виреза;

нормирование прочности стенок в районе вырезов; новке требования по проектированию подкреплений стенок ранних связей судов внутреннего плавания.

Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы доведены автором до предложений по корректировке раздела 2 "Стальной корпус" части II "Корпус" Правил Российского Речного Регистра. Заключение Российского Речного Регистра дает основание считать, что указанные пред-лоаения будут прикати Межведомственны:* научно- технический советом при Российском Речной Регистре.

йпробация работы. Основные половения диссертационной работа докладывались на: Кекреспубликанской научной студенческой конференции "Технические средства освоения Йирового океана" (г.Севастополь, 1982 г.); Sil научно-технической конференции "Длдерьевскио чтения" (г.Н.Новгород, 1990 г.); XXXI научно- технической конференции профессорско-преподавательского состава ГИИВТа (г.Н.Новгород, 1992 г.); научно- практической конференции, посвященной 150- летии Болвского пароходства (г.К.Новгород, 1S93 г.).

Публикации» Результата исследований опубликованы в вести печатных работах (одна из них написана в. соавторстве) и вопли в научно- исследовательский отчет.

Объек работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заклшчения, списка литературы и прилове-

4

ний. Она содержит 256 стр. манинописного текста, в который входят 19 таблиц, 40 рисунков и библиография из 102 наименований. Приложения объемом 54 стр. включают текст программы на ЗВН, Предложения по корректировке раздела 2 "Стальной корпус" части II "Корпус" Правил Речного Регистра РСФСР, заключение по внедрению.

ОСНОВНОЕ СОДЕРШИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель исследования, . отражены аспекты научной новизны и практической ценности полученных результатов, а также положения, выносимые автором на зациту.

В первой главе определена цель диссертационного исследования и намечены пути ее достиаения.

На основании анализа результатов обследований судов и публикаций в технической литературе показано, что во многих случаях имеют место повреждения рамных связей в виде выпучин • стенок и трещин в районе вырезов. Наиболее подвержены повреждениям флоры междудонного пространства открытых беспереборочных судов бункерного типа, перевозяцих навалочные грузы. Анализ характера и расположения повреждений позволил сделать вывод, что они являются, в основном, следствием недостаточной прочности и устойчивости стенки в районе вырезов при восприятии срезываюцих сил.'

Исключить рассмотренные выже повреждения можно путем достоверной оценки напряженного состояния стенки в районе выреза и эффективного подкрепления последней. Данные вопросы регламентируются Правилами Речного Регистра.

.5

/

Выполнен анализ повреждаемости Флоров междудонного пространства на садах типе "Волго- Дан", для которых требования Правил по подкреплении вырезов практически выполнены. Показано, что повреждения носят массовый характер.

Анализ Правил Речного Регистра позволил выявить рад негативных моментов.

В Правилах не уделено достаточного внимания вопросу о напряженном состоянии стенки в районе выреза.

В Правилах нет критерия выбора системы подкрепления стенок рамных балок. Выбор типа подкреплений базируется на инженерной интуиции и опыте проектирования таких конструкций.

В Правилах недостаточны требования для определения расстояния между вертикальными ребрами жесткости, а размеры таких ребер, при прочих равных условиях, получаптся одинаковыми независимо от того, имеется в стенке вырез или нет.

Вызывает серьезное сомнение формула для момента инерции плоцади поперечного сечения вертикальных ребер, так как получаемые по ней результаты противоречат физическому смыслу. Например, если при подкреплении стенки толциной Ъ поставить ребра жесткости на расстоянии равном высоте стенки Ь, то необходимый момент инерции плоцади поперечного сечения ребра должен быть не менее

: 0,3«Ы'. (1)

Предположим, что устойчивость стенки пои атом обеспечена. Если увеличить число ребер вдвое, то уже необходимый момент инерций плоцади поперечного сечения ребра должен быть не ме-

6

нее

iB = 2,o*h*t3. (2)

i.e. шесткость ребер увеличится в 6,7 раза, а должна умень-■иться.

Эффект рекомендуемых Правилами вариантов подкрепления ограничен в районах, где одновременно действуют значительные срезывапцие силы и изгибапцие моменты.

На основе анализа действующего нормативного документа сделан вывод о необходимости пересмотра положений Правил Речного Регистра, касаацихся конструирования подкреплений стенок рамных балок и прочности стенок в районе вырезов.

Выполнен краткий обзор теоретических и экспериментальных работ, близких к теме диссертации. Исследований прочности и устойчивости стенок рамнах балок, ослабленных вырезами посвящены работы Антонова Б.И., Барабанова Н.В., Бугакова В.Н., Коростылева Л.И.,Макарова В.В., Налоева В.Г., Протопопова В.Б., Смирновой Н.К., Суслова В.П., Трянина И.И., 0е-мендвка Г.П., Чувиковского B.C. и др. На основании обзора работ этих авторов сделан вывод о том, что результаты исследований получены, в основном, в предполоаеиии упругой работы материала, для конструкций, характерных для морских судов, и не позволяет выработать рекомендации для балок судов внутреннего плавания; поэтоиу нукны дальнейшие исследования.

Исходя из сделанных заключений, в конце главы сформулированы основные задачи диссертационной работы и пути их решения.

Вторая глава посвящена экспериментальному

исследовании эффективности различных типов подкреплений вырезов в стенках рапных связей садового корпуса при действии значительных срезывающих сил.

Длина и высота исследуемого участка стенки модели (рис.1) были приняты в масштабе 1:2,5 по отнопению к участку Флора между боковым кильсоном и внутренним бортом у судов типа "Волго- Дон". Толщина стенки выбиралась из условия равенства эйлеровых напряжений для натуры и моделей. Высота и иирина выреза приняты равными максимально допустимым Правилами.

6*150 «о исслеаиекыи «меток.

Рис,1. Конструкция и схсыа нагружения моделей

Бнло изготовлено 18 полунатурных моделей (Б1- 518), отличающихся друг от драга наличием вырезов в стенках и конструкцией подкреплений (рис.2).

В качестве подкрепляющих ребер был использован уголок 1.32x32x4, за исклвчением моделей Бб (1.25x25x3), 610

8

Рис.2. Варианты конструкций исследуеиого участка иоделей

(1.63x40x5) и 518 (полоса 3,9x62,3). а моделей с пятой по восемнадцатую в стенке были выполнены вырезы и установлены угольники-коротнии, имитирцшше перпендикулярный холостой набор.

Стенки всех моделей до нагружения имели остаточные сварочные деформации порядка толщины стенки.

Статическое нагрумение моделей (см.рис.1) проводилось в два этапа. На первом этапе приращение получали одновременно силы Р, Q и изгибающий момент И. На втором этапе прирацение получала только сила Q, возраставвая ступенями до разрушения модели. При этом под разруаением понималось быстрое увеличение прогибов практически без роста нагрузки, фиксировались прогиб под силой Q (индикатор И5), напряженно- деформированное состояние стенки в районе выреза (электрические тензо-датчики) и выпучивание стенки в углах выреза (индикаторы и электрические тензодатчики). '

Динамическое нагрукение моделей Б6, Б9, Б10, Б11, Б12, Б1? и Б18, получивших в процессе статических испытаний значительные остаточные деформации, осуществлялось переменной силой Q (от 20 до 120 кН). Верхнее значение силы Q было выбрано из условия равенства срезывавцей силы на исследуемом участке модели 0,9 предельной срезивапцей силы балки с наименьшей предельной нагрузкой (Б12). фиксировались число циклов до возникновения трещины Нт и число циклов до полного разруиения стенки Нр. ~

В результате испытания 18 моделей были получены критические и предельные нагрузки (табл.1). Величина нагрузки, которая соответствовала началу наступления критического состояния стенки, фиксировалась по диаграммам "нагрузка-прогиб (И5Г; считалось, что потеря устойчивости происходит в тот момент, когда наблюдалось увеличение коэффициента

к = ДСИ5)/ ЛQ, > (3)

1°

где Д(И5) - прирацение прогиба модели (И5) в направлении действия силы 0;

Д0 - приращение силы, соответствувцее приращении прогиба Д(И5).

При этом показания индикаторов и тензорезисторов, цстанов-ленных в иглах выреза, послушш дополнительным критерием при оценке момента начала потери устойчивости.

Таблица 1

Результаты экспериментального исследования моделей

Статическая

( Усталостная

|Номер | устойчивость ^ прочность 1 прочность

Iмодели| Окр,| Ркр,| Мкр,| Опр,| Рпр,| Нпр,|Ит*10?|Нр*1<1',3 I | кН | кН | кН*м| кН 1 кН | кН«м|циклов|циклов

ттт

113 9,31

5 I ,7 I 8

ГТ

;з

«ГоТ

4

5 __

65,21204,51 45,0| 65,2] - | -65,2|279,5| 45,0| 85,г| - | /. 65.2|308,01 45,0| 85,2| - | , -38,9| 75,5| 44,4| 84,4| - | -34,4| 04,5| 38,1| 55,2( - Г -52,9|139,51 45,о| 65,21 16,5 I 31,8 61,41157,51 45,С| 65,21 - | -61,4|158,0| 45,0| 85,21 - | -60,9|159,о| 45,о) 85,21 0*| 27,2 65,21164,0| 43,о| 65,2) 32,0 I 50,а

Б1 Б2 БЗ в*

Б5

|25в,б1 45,0| |209,3| 45,0| I 45,в| 26,8| | 40,з| 23,7) I бв | 61,9| 36,4| 1 Б? | 72,в| 42,3| | Бв | 72,о| 42,3| 1 69 | 71,42,о| 1 510 | 83,б) 45,о|

И

■ ._ *'_._Продолжение табл.1

I 112 13 14 15 16 1?! 81 91

1 -Б11 | 69,э| 41,1I 53,б|154,5| 45,0|/б5,21 0* | 22,0 |

| Б12 | 46,4| 2?,3| 39,б| 67,5| 39,71 57,б| 0,8 | 0,8 |

| Б13 | 52,21 30,?| 44,5] 74,51 43,в| 63,5| - | - |

| Б14 | 84,1| 37,?| 54,7|134,5| 45,о| 65,2] - | - |

| Б15 | 47,5| 27,91 40,51 84,2| 45,о| 65,г| - | - |

| Б16 | 94,3| 45,О] 65,2|1е9,о| 45,о| 65,21 - | |

| Б17 1166,о| 45,0| 65,21239,01 45,о| 65,21124,0 ¡168,0 |

I Б18 1 51,9| 30,6|44,3|149,5| 45,о| 65,г| 10,5 | 15,5 1 I I I I I I I I 1 I

Примечание: * - наличие дефектов в виде трецин (модели Б9 и 511) и отрыва стенки от обечайки (модель 518) до начала испытаний на усталостную прочность. Предельная нагрузка для каждой балки определялась по диаграммам "нагрузка-прогиб (И5)" из условия равенства остаточного прогиба (И5> 10 мм.

йнализ и обработка результатов эксперимента позволили сделать ряд выводов. ■

Исчерпание несуцей способности балок произошло из-за потери устойчивости стенок в районе вырезов от действия сдвигающих усилий, _ //

Подкрепление стенки вертикальными ребрами даже не компенсировало наличие в стенке йирезов для прохода холостого набора. Предельные нагрузки балок Б12 и Б13 составили соответственно 89,4* и 98,72 от предельной нагрузки балки Б4. Поэтому не рекомендуется использовать вертикальные ребра для

подкрепления стенок, ослабленных вырезами, в районах, где наряду с кзгибапциыи моментами действует значительные срезывающие силы. В данных условиях наиболее эффективным оказалось подкрепление наклонными ребрами по схеме модели Б17. К тому же эта единственный вариант, который полностью компенсировал вырез в стенке. Предельная нагрузка балки 517 получилась на 16,92 больше, чек у балки со сплоиной стенкой 51.

Анализ напряженно- деформированного состояния (выполнен для Б9) выявил высокий уровень напряжений в районе вырезов, что позволяет рекомендовать нормировать их величину. Отмечено хороиее совпадение в докритический период экспериментальных напряжений с напряжениями, полученными по приближенным Формулам. При этом для определения нормальных напряжений использована упрощенная схема, по которой напряжения от изгиба' всей балки суммируются с напряжениями, вызванными изгибом частей балки (перемычек) в районе выреза под действием срезывающих сил. Касательные напряжения приближенно оценивались по средним значениям.

Подкрепление выреза не только увеличивает статическув прочность балки, но и ее долговечность. Наилучшим образом, с точки зрения долговечности, зарекомендовало себя подкрепление наклонными ребрами.

В третьей главе представлена методика расчета устойчивости подкрепленных стенок рамных балок, ослабленных вырезами, в области упругопласти-ческих деформаций по методу конечных элементов (МКЗ).

Отмечается, что ревение по НКЭ задач устойчивости подкрепленных пластин с вырезами и без них, в упругой и упругоп-ластической постановке продемонстрированы в работах В.Г.На-

лоева, Я.й.1апо«тковв,В.Г.Блохова, К.П.Горбачева, Б.й.Антонова, В.ДЛесткой, Б.ййронса и 0.Зенкевича, К.Капура и Б.Хартца, И.Чанга н И.Кинга, й.Пифко и Г.Изаксона, 0.Брад-Форда, В.Рональда и др. Однако в настоящее время готовые к использовании алгоритмы ИКЭ в силу ряда причин автору не доступны, поэтому в диссертационной работе на основе ИКЗ в варианте метода перемещений разработан собственный алгоритм решения поставленной вике задачи.

Рассмотрена устойчивость "в малом" подкрепленной пластины с вырезом, без начальной погиби, поперечной нагрузки и загруженной силами в срединной плоскости. В целях упрочения расчетоз принято, что до потери устойчивости пластина испытывает плоское напряженное состояние; при изгибе к ребрам применима гипотеза плоских сечений, а к пластинам - физически нелинейная теория изгиба гибкой пластины с малым прогибом. , <

С поможьа шагового метода последовательного нагружения ревение физически нелинейной задачи сведено к реженив ряда линейных задач. <

На первом этапе определяется плоское напряженное состояние СПНС). Матричное уравнение этой задачи на каждом жаге имеет вид •: : ■

Ипнс1$иГ=$Г , (4)

где 1Кпнс 3 - матрица жесткости конструкции для определения ПНС; V; - \ '

: Хи - приращение вектора обобщенных узловых перемещений в плоскости пластины;

S P - приращение вектора узловой нагрузки, . действующей в срединной плоскости пластины.

На второй этапе режается задача устойчивости, для которой матричное уравнение на каждом «are имеет вид

(Ky]Sur= 0 , (5)

где 1Ку] - матрица суммарной жесткости конструкции для расчета устойчивости, состоящая из матрицы изгибной жесткости 1Ки) и матрицы влияния'усилий в срединной плоскости [Кт], которые в упругопластической области являются нелинейной и линейной Функцией напряженного состояния соответственно;

Si?- приращение вектора , обобщенных ; узловых перемещений в поперечном направлении.

За критерий потери устойчивости принято условие обращения в нуль определителя матрицы tKyh

Матрица свази между приращениями напряжений и деформаций в упругопластической области ЕНер] получена по теории течения и по деформационной теории.

Получены упругопластические матрицы местности и напря-«ений для ПНС, а также матрицы изгибной жесткости и влияния усилий в срединной плоскости Для треугольного (порядок матрицы жесткости бхб и 9x9 для ПНС и изгиба соответственно), прямоугольного (8x8 чи 12x12) и стержневого (4x4 и бхб) несовместных конечных элементов.

Матрицы изгибной жесткости и влияния усилий в срединной плоскости для треугольного элемента выведены в L - координатах, что позволило избежать ряд серьезных проблем, возникающих при использовании подобного элемента с декартовыми коор-

динатами. Аналогичные патрицы для стержневого элемента полы-мены с использованием концепции присоединенного поасНа. При этом учитывалась только жесткость ребер в плоскости, перпендикулярной плоскости ПУТИНЫ..

Расчет основывается на следувщих предпосылках.

Функциональная зависимость между обобщенной деформацией £о и обобщенным напряжением <5о аппроксимирована-эависи-мостьп, предложенной И.И.Тряниным.

Свойства материала характеризуптся величиной касательного Ек и секущего Ее модулей, которые изменяется в зависимости от обобщенного напряжения б"о.

Обобщенная деформация ¿о постоянна в пределах каждого элемента и линейно изменяется по высоте поперечного сечения стержневого элемента при дискретизации ребра жесткости, установленного эксцентрично относительно срединной поверхности пластины.

»

В пределах каждого вага матрица СНерЗ не изменяется и на этапе определения ПНС отвечает напряженному состоянии, полученному в предыдущем шаге нагружения, а на этапе реиения задачи устойчивости - текущему напряженному состоянии. На первом ваге нагружения все характеристики принимаются как для идеально упругого материала.

В конце главы описана программа расчета устойчивости подкрепленных пластин, ослабленных вырезами, в упругопласти-ческой области для ЭВМ 1ВН РС/АТ, составленная по разработанному алгоритму.

В четвертой главе проведено численное исследование методом конечных элементов устойчивости стенок рамных балок и плоского напряженного состояния в ра-

йоне вырезов.

Для оценки работоспособности алгоритма и программы были произведены тестовые расчеты. Отмечено хорояее совпадение полученных результатов с результатами упругих и упругоплас-тических расчетов Б.И.Антонова, С.К.Нихайлычева, Стоуэлла; Пифко и Изаксона, а также П.Г.Коротких и А.Н.Паутова как при определении докритического плоского напряженного состояния, так и при определении критических напряжений.

Численный анализ устойчивости стенок рамных балок проведен для некоторых схем, исследованных в эксперименте..Параметры изменения нагрузки заданы таким образом, что соблв-далось соотноиеиие между нагрузками на обоих этапах нагруже-ния, принятое при экспериментальном исследовании. Обжая ко-нечнозлсмеитнаа схема состояла из 172 пластинчатых и 52 стержневых конечных элементов. Конечноэлементная схема для каждой конкретной балки получалась из обжей путем добавления стержневых элементов, дискретизирующйх подкрепляющие ребра жесткости.

Для балок Б4, Б5 и Б13 зафиксировано по два последовательных выполнения критерия потери устойчивости, что соответствует картине, полученной в эксперименте (у балок, имеющих в стенке вырез, местная потеря устойчивости характеризовалась последовательным появлением выпучин, охватывавших контур отверстия в точках 0* - 90* и 180® - 270е).

При расчете балок Б9 и Б17 определитель по четыре раза менял знак. Анализ полученных результатов позволил сделать предположение, что первая пара критических нагрузок соответствует локальной потере устойчивости, которую обнаружить в эксперименте не удалось. .

: . - 17

I _ :

Численный анализ ПНС проведен путем многократных реже-ний плоской задачи. Отмечено удовлетворительное совпадение полученных по Ш значений нормальных и касательных напряжений в наиболее ослабленных сечениях балки Б9 с экспериментальными. Наиболее ходоиее -совм значений наблюдается в районах, прилегавших к ребрах жесткости. Максимальная разница в значениях нормальных и касательных напряжений составила 11,3% и 8,9% соответственно.

Исследование напряженно- деформированного состояния стенок рамных'балок показало, что потеря устойчивости происходит при упругопЛастическом деформировании материала,

Подробный анализ НДС, выполненный для балки с горизонтальными ребрами Б9, позволил выявить высокий уровень напряжений в районе выреза, что подтверждает сделанный в главе 2 вывод о необходимости нормирования прочности в районе вырезов. :

Произведена приближенная оценка НДС в районе выреза.: Высказана возможность' использования подхода, примененного при анализе напряженно- деформированного состояния стенки модели Б9 по результатам эксперимента, для разработки нового способа нормирования прочности стенок в районе вырезов.

Приведен« реженкя двух частных задач, результаты которых использованы автором при разработке методики по подкреплении высоких стенок ранних балок. I частности, показам возможность использования приближенного соотножения

где 6 о- накбольжее действующее нормальное сжимающее

напряжение; ^ ', V, ■ '.■....

- действующее касательное, напряжение; ,

6*9, эйлеровы . напряжения участка : пластины при действии только изгиба и только сдвига .соответственно, для-определения эйлеровой нагрузки свободна опертой пластины при одновременном действии нормальных напряжений, изменяющихся по линейному закону, и касательных , напряжений, равномерно распределенных по ее кромкам.

Пятая глава посвящена нормированию прочности стенок в районе вырезов и разработке методики по проектированию подкреплений высоких стенок рамных балок.

Нормирование напряжений в районе выреза позволит пойн-сить прочность и устойчивость рамных балок в цэлоы. Для использования в нормативных документах, предложена простые формулы для вычисления нормальных и касательных напряжений.

Формула для нормальных напряжений получена исходя из упрощенной схемы, по которой напряжения от изгиба всей балки суммируются с напряжениями, вызванный» изгибами частей балки (перемычек) в районе выреза под действием срезывавщих сил. При этом перемычка стенки рассматривается как балка с жестко заделанным одним концом, свободный другим концом, у которого устранен угол поворота, и загруженная силой на свободном конце. На всем участке балка считается призматической.

Касательные напряжения определяится как отношение срезывающей силы к площади поперечного сечения стенки в наиболее ослабленном сечении балки.

Обоснованы нормы допускаемых напряжений.

Откорректирован критерий' необходимости подкрепления

19

стенок рамных балок путем введения коэффициента \/235/Яен , учитывавщего значение предела текучести материала стенки Яен. При разработке методики по проектированию подкреплений стенок рамных балок рассматривалась упругая устойчивость свободно опертой пластины, подверженной одновременному действию касательных напряжений, равномерно распределенных по ее кромкам, и нормальных напряжений, изменявшихся по линейному закону. Приближенно потеря устойчивости .определялась соотношением (6). Требовалось, чтобы стенна не теряла устойчивости при следующих действующих напряжениях

бо; Яен; Ст = 0,57*Иен . (7)

Рассмотрен вариант подкрепления сплошной стенки вертикальными ребрами. Расстояние между ребрами жесткости находилось из соотношения (5). При этом ребра считались абсолютно жесткими.

Для определения необходимой жесткости вертикальных ребер надо рассматривать свободно опертую пластину с упругими поперечными ребрами только при изгибе и только при сдвиге..

С целью получения зависимости бз от местности ребер и расстояния между ними приближенно реиена методом Бубнова-Галеркина задача устойчивости свободно опертой приведенной анизотропной пластины с "разнесенной" вдоль сечения жесткостью ребер при линейном законе распределения нормальных усилий по кромкам. Для определения Сэ использовалось приближенное выражение, полученное Стейном и ¿ралихом для случая свободно опертых бесконечно длинных пластин, подкрепленных равноотстоящими поперечными упругими ребрами жесткости.

'После аппроксимации результатов расчета по соотношение (б) получена формулы для максимально допустимого расстояния между ребрами 5 и минимального момента инерции площади поперечного сечения вертикальных ребер с присоединенным пояском

(0,24* h/t - 9,5)#h* ^ReH/235'

s . --'--; (в)

(h/t - 75* \/235/Йек)

5

iй= 0,l*s*t-*exp (k* s/hJ (9)

где h, t - высота и толщина стенки соответственно;

к - коэффициент, зависящий от значения отношения h/t и предела текучести материала стенки ReH.

Рассмотрен вариант подкрепления сплопной стенки горизонтальными ребрами. Анализ результатов расчета по соотноие-ниа (6) показал, что в речном судостроении нет необходимости нормировать расстояние *?аяду горизонтальными ребрами жесткости.

• На основании формулы Эйлера для саатнх свободно опертых по концам стераней, исходя из условия равенства теоретических напряжений <оз пределу текучести материала ребра Ren, получена формула для'момента инерции площади поперечного се чения горизонтальных ребер с присоединенным пояском ir

21

-7 2.

1Р= 5,1*10 »РенжШ а#1)* в , ПО)

где Г - пложадь поперечного сечения ребра жесткости без присоединенного пояска;

а - расстояние между подкреплявиими ребрами; £ - длина подкрепляемого участка стенки.

Рассмотрена возможность подкрепления ослабленной вырезом стенки с помоцьп вертикальных ребер жесткости. Используя соотноиение (б) и введя в формулы для б"э и 'Гз коэффициенты снижения устойчивости, взятые из работы Л.Н.Коростмле-ва, можно обнаружить, что при расположении ребер по краям выреза не удается обеспечить устойчивость пластины даже при значении отношения П1/и = 80. Учитывая это, а также результаты исследований, проведенных в главах 2 и 4, сделан вывод о нецелесообразности применения вертикальных ребер для подкрепления стенок, ослабленных вырезами.

Ослабленные вырезом стенки рамного набора необходимо подкреплять горизонтальными ребрами весткости. Вырез укень-пает аирйну присоединенного пояска на некоторой участке длины ребра весткости. С запасом в безопаснув сторону момент инерции горизонтальных ребер при подкреплении ослабленной вырезом стенки можвт быть определен по формуле (10). Однако, при подборе профиля подкреплявшего ребра по определенному ыоиенту инерции площадь присоединенного пояска необходимо брать с учетом ее уменьвения в районе выреза.

При действии значительных срезававвих сил и обеспечении прочности стенки по сплоиному сечению средние касательные иапрямения в районе вырезов могут быть больие допускаемых.

22

Опираясь на результаты экспериментального и теоретического исследований, приведенных в главах 2 и 4, в данном случае рекомендуется подкреплять стенки с центрально расположенным вырезом с поиожьв наклонных ребер (по схеме модели Б17).

Площадь поперечного сечения наклонных ребер находилась: из предположения, что предельная срезывающая сила, которув может выдержать рамная балка до разруввнкя, равна сумме предельных срезывающих сил, воспринимаемых стенкой й наклонными ребрами жесткости. Сделанное предположение подтверждается результатами испытания модели 51?.

Необходимая площадь поперечного сечения наклонного ребра Г и минимальный момент инерции площади поперечного сечения наклонных ребер жесткости с присоединенным., пояском 1н будут определяться выражениями

<1,27*У - Рн*£т)

Г >----:-; \ . ' (11)

• . 2*Кен*з1пс*. ■ ;*.

1Н» 5,Ы0*'*!1ен«[Г + (Ь*1/,а»5!п<^Л*(Л/5!поС)а, (12)

' ■ " О'' ' ' ■ " ' - ■■ ■

где и -срезывающая сила в районе выреза;

Рн- пловадь стенки в наиболее ослабленном сечении;

Л- угол наклона ребер жесткости к нейтральной оси стенки;

*Ст- предел текучести материала стенки по касательным напряжениям^ равный 0,57*Яен.; *

По результатам исследования, проведенного в данной гла-

23

ве, выработаны рекомендации по повыиенив прочности и устойчивости стенок рамных балок судового корпуса.

Основные результата и выводы

1, fia основе проведенного анализа информации о повреждениях стенок рамных связей в районе вырезов установлено, что основной причиной их возникновения являются сдвигающие усилия.

2, Получены новые экспериментальные данные о поведении подкрепленных стенок балок с вырезами при действии в их плоскости значительных срезываюиих сил. Выявлена неработоспособность вертикальных ребер. Найдены наиболее эффективные варианты подкрепления.

Анализ напряженно- деформированного состояния стенки, подкрепленной горизонтальными ребрами жесткости выявил высокий уровень нормальных и касательных напряжений в районе вырезов. Сделан вывод о необходимости нормирования этих напряжений.

Оценена долговечность моделей, получивиих значительные деформации при однократной перегрузке. Отмечено, что подкрепление выреза не только увеличивает статическую прочность балки, но и ее долговечность.

3, Разработана методика ревения задач упругопластичес-кой устойчивости подкрепленных стенок рамных балок, ослабленных вырезами, по методу конечных элементов (в варианте метода перемеченнй). Составлены алгоритм и программа ревения плоской задачи и задачи устойчивости пластины с подкрепленным вырезам с учетом пластических деформаций для ЭВМ IBM

■ ' ^ " • 24 ::

РС/АТ.

4. С помощью програмьш произведены расчеты устойчивости и выполнен анализ плоского напряхенного состояния стенок в районе вырезов для схем, исследованных в эксперименте. Отмечено херовее согласование полученных результатов с экспериментальными данными. Численное исследование показало, что местное выпучивание стенок в районе выреза происходит при упругопластическоы деформировании материала,

5. Предлохени простые Формулы для определения нормальных и касательных напрякений в районе вырезов. Обоснованы нормы допускаемых напрякений.

6. Выполнено теоретическое исследование по подкреплению стенок рамных балок. Полутени новые формул« для моментов инерции вертикальных подкрепляющих ребер и расстояния мекду ¡¡ими при подкреплении сплоиних стенок. Показано, что нецелесообразно использовать такой вариант подкрепления при наличии о стенке выреза. Продемонстрирована эффективность использования наклонных ребер для подкрепления ослабленных вырезами стеноп в районах действия значительных срезывающих сил.

7. Исследования, проведенные в диссертации, позволили автору выработать предложения по новой редакции положений Правил Речного Регистра а области подкрепления стенок рамных балок и прочности стенок в районе вырезов.

Основные результаты диссертационной работы иаили отра-аение в следувцих публикациях:

Л. Ианьпш И.Д. Расчет прочности Флоров двойного дна с больпим прямоугольным вырезом,- 3 кн.Технические средства

23

освоения Мирового океана. Тезисы докладов Нежресп. научн. студ. конференции.- Севастополь, 1982, с.45-46.

2. Шаньгин И.Д. Экспериментальное исследование эффективности различных типов подкреплений вырезов в стенках раинах связей судового корпуса.- В кн.: Ill научно- техническая конференция "Алферьевские чтения". Тезисы докладов.- Н.Новгород, 1995, с.70-71.

3. Еаньгин И.Д. Экспериментальное исследование несущей способности балок при различных вариантах подкрепления вырезов в стенках.- Тр./ ГНИВТ, 3991, вып.26!, с.28-39.

4. Трянин И.И., Шаньгин И.Л. Подкрепление стенок рамного набора судов внутреннего плавания.- Тр./ Ниа. ИИВТ, 1992, вып.265, с.3-0.

5. Еаньгин И.Л. Экспериментальное исследование прочности и устойчивости стенок рамных балок в районе вырезов.-Тр./ Иие. ИИВТ, 1992, вып.2S5, с.6-8.

6. Шаньгин И.Л. Определение капрявенного состояния при расчете упругопластической устойчивости подкрепленных стенок рамных балок, ослабленных вырезами.- Тр./ ВГАЗТ, 1993, вып.267, с.3-8.

26