автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.03, диссертация на тему:Расчетное проектирование и экспертиза теоретического состояния судовых конструкций в районах экстремальных местных нагрузок

УДК 629.12

На правах рукописи

КУЛЕШ Виктор Анатольевич

РАСЧЕТНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРТИЗА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СУДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ В РАЙОНАХ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ МЕСТНЫХ НАГРУЗОК

Специальность 05.08.03 - проектирование и конструкция судов

Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

Владивосток 1998

Работа выполнена в Дальневосточном государственном техническом университете

Научный консультант

доктор технических наук, профессор Турмов Г.П.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Бойцов Г.В. доктор технических наук, профессор Горбачёв К.П. доктор технических наук, профессор Москаленко А.Д.

Ведущая организация: Российский Морской Регистр Судоходства

(Главное управление)

Защита состоится 11 июня 1998 г. в 10 час. на заседании специализированного совета Д064.01.01 при Дальневосточном государственном техническом университете по адресу: 690600, Владивосток, ул. Пушкинская, 10, ауд. 306

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Дальневосточного государственного технического университета.

Автореферат разослан 21 апреля 1998 г.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах с подписями, заверенными печатью учреждения, просим направлять на имя учёного секретаря специализированного совета.

Учёный секретарь специализированного совета, профессор

Чнбиряк И.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Переход России к рыночным условиям и интеграция в мировую экономику определяют необходимость пересмотра и уточнения ряда положений, связанных с эффективностью и конкурентоспособностью транспортного и рыбопромыслового флота.

Практика технической эксплуатации и ремонтов судов показывает, что отказы (замены) часто концентрируются на ограниченных участках корпуса в районах действия экстремальных нагрузок. Так, для сейнеров 65% отказов корпуса сосредоточено на 22% его поверхности , а для танкеров типа "Самотлор" 95% отказов приходится лишь на 17% его поверхности. Во многих случаях отказы определяются низкой надежностью набора при достаточном уровне прочности обшивки, которая доходит до 80% массы перекрытия, но вынужденно также восстанавливается.

Сказанное происходит на фоне старения и трудностей обновления российского флота, массовой продажи и списания судов. Чётко обозначилась и нарастает тенденция передачи надзора за проектированием, постройкой и эксплуатацией судов иностранным обществам. Это неизбежно ведет к отдалению российской науки от решения проблем отечественного флота и постепенной утрате ведущих позиций по ряду направлений.

Российский флот эксплуатируется сейчас благодаря запасам надежности, близким к предельным. Это создает уникальную возможность для их изучения и последующего использования в нормативной базе на проектирование и эксплуатацию новых судов. Основным препятствием здесь является отсутствие унифицированной системы сбора, обобщения и анализа сведений о дефектах и отказах.

В условиях традиционного, хотя и условного, разделения проблемы прочности корпуса на общую и местную, последней уделялось значительно меньше внимания. Достаточно оценить структуру Норм прочности, где 50% отведено проверке требований к эквивалентному брусу. Проектированию перекрытий, их элементов уделено ограниченное внимание и преимущественно по расчетам на эксплуатационные нагрузки. Расчеты на экстремальные нагрузки рекомендуются методами теории предельного равновесия (ТПР), которые пока недостаточно развиты для судовых конструкций и почти не отражены в справочно-методической литературе. Параметры таких нагрузок остаются слабо изученными.

Сложившаяся методология проектирования судовых конструкций, наряду с полуэмпирическими подходами, в своей основе использует модели, обеспечивающие хорошие результаты при условиях близких к классическим схемам строительной механики корабля (СМК). Для обшивки это балки-полоски, для набора - стержневая идеализация. Здесь сохраняются классические гипотезы - плоских сечений, присоединенных поясков, отсутствия давлений между фибрами. Такие модели часто в принципе не

способны описать реальные процессы. Например, смятие стенок балок ото льда не может быть описано при допущении об отсутствии давлений между фибрами, концепция присоединенных поясков при локальных нагружениях теряет убедительность, гипотеза плоских сечений "разрушается" при доминировании сдвига над изгибом. Использование этих моделей нередко ведёт к ошибочным представлениям и не позволяет корректно решать задачи обеспечения надежности корпуса.

Коррозия и износ в рамках существующих подходов учитываются упрощенно - суммированием или вычитанием коррозионной надбавки. Формально, вторая половина срока эксплуатации не обеспечивается нормативной базой. Сама концепция коррозионных надбавок не учитывает важную роль местного износа в формировании отказов.

Экстремальные нагрузки с уменьшением обеспеченности могут локализоваться как во времени, так и в пространстве. Степень локализации для разных элементов отлична. Приверженность к традиционным расчетным моделям нередко ведёт к довольно грубым упрощениям в представлении расчетных нагрузок и повышает меру их условности в отражении реальных процессов.

С позиций совершенствования проектирования и экспертизы эксплуатационной надежности наиболее актуальны исследования конструкций в области реальных отказов. Необходимость учёта здесь больших пластических деформаций, распора и влияния местного коррозионного износа существенно усложняет задачу. Этой области, перекрывающей нормативные отказы и ограниченной реальными отказами, отводится основное внимание данной работы.

Цель работы - повышение эффективности судов на основе развития научно-методического обеспечения для использования резервов эксплуатационной надежности корпусных конструкций.

Исходя из анализа современного состояния проблемы исследований закономерностей физического старения, условий работы и поведения судовых конструкций, определяющих нормативные отказы и разрушения в области больших деформаций, сформулированы следующие основные задачи для достижения указанной цели.

1.Развитие прикладных методов расчёта конструкций в области больших пластических деформаций с учётом коррозионного износа и оценка условий, определяющих отказы.

2 .Совершенствование на их основе методик расчетного проектирования и экспертизы конструкций в районах экстремальных нагрузок с экспериментальной оценкой погрешностей и проверкой основных положений.

3.Разработка концепции и организационной схемы формирования унифицированного компьютерного банка дефектов и технического состояния корпусов судов, находящихся в эксплуатации.

4 .Разработка системы оперативного контроля и управления надежностью корпусов судов на основе выявления резервов, применения подкреплений или эксплуатационных ограничений.

Методы исследований. В работе, наряду с обобщением и анализом литературных источников, использованы результата натурных исследовании экстремальных условий работы конструкций на судах - "Камчатские горы", "Мыс Юдина", "Зверево". Для проверки основных положений, допущений и апробации полученных решений широко использованы модельные эксперименты. Общее число проведённых испытаний в области больших пластических деформаций и разрушения моделей судовых книц, панелей, балок, пластин, оболочек и перекрытий более 300. Дополнительно использованы результаты экспериментов из литературных источников.

В процессе обработки экспериментальных и обширных статистических данных по опыту эксплуатации, износам и остаточным деформациям корпусов различных судов (более 100) - от малых сейнеров до линейных ледоколов и плавучих доков - использовались методы математической статистики и теории вероятности.

Для расчетов прочности и деформационной способности конструкций, кроме классических методов СМК, метода конечных элементов (МКЭ), методов ТПР, разработан и широко использован прикладной метод расчёта для класса физически и геометрически нелинейных задач. При его тестировании и апробации на основе численных процедур использованы методы нелинейного программирования для поиска экстремумов функции нескольких переменных.

Для экономического анализа мероприятий по повышению надёжности корпусов судов использована теория замены объектов в форме метода оптимизации среднегодовых затрат с учётом дисконтирования.

Научная новизна и основные научные результаты.

1 .На основе анализа условий работы и повреждаемости корпусов судов вскрыты дополнительные закономерности реальных процессов физического старения конструкций, недостаточно учитываемые в практике проектирования и экспертизы надежности. Это высокая степень локальности экстремальных нагрузок, связь с ними скоростей и неравномерности коррозионного износа, влияние последнего на процесс накопления прогибов и приспособляемости к нагрузкам.

2.Показано, что режимы работы судов при проводке за ледоколом "на усах" и швартовке во льдах, явно не учитываемые теорией и практикой проектирования, в значительной мере определяют проблемы надежности и

специфику отказов корпусов судов транспортного и промыслового флота. Для швартовки судов во льдах предложена методика и формула оценки нагрузок, а результаты расчётов позволили объяснить особенности распределения отказов корпусов транспортных и промысловых судов, использующих данный режим в эксплуатации.

3.Разработан и широко апробирован прикладной метод расчета прочности и деформационной способности конструкций с учетом физической и геометрической нелинейносгей. Его основы используют идеи метода физической дискретизации (МФД), принципы ТПР и соотношения МКЭ дня плоских элементов. Показаны его отличия и преимущества перед используемыми в аналогичных задачах методами сосредоточенных (дискретных, разрывных) деформаций ТПР.

4.Получен ряд решений (формул) для несущей способности книц, панелей, пластин, оболочек, балок и перекрытий за пределами теоретически предельных нагрузок в области нормативных и реальных отказов, составляющих основу методики расчетного проектирования и экспертизы отказов. В большинстве случаев они доведены до уровня простых зависимостей, не связанных с необходимостью итерационных вычислений и удобных для решения экспертных и оптимизационных задач.

5.Выполнены широкомасштабные модельные экспериментальные исследования поведения элементов судовых конструкций из стали и цветных сплавов в области больших пластических деформаций и разрушения, в том числе, с имитацией конструктивно-технологических особенностей и эксплуатационных дефектов. Результаты этих экспериментов представляют самостоятельную ценность, хотя они ставились для решения задач апробации предложенного метода, его допущений и полученных решений.

6.Расчётно-эксперименгалыше исследования условий разрушения пластин и балок-полосок с учётом дефектов и асимметрии поперечного нагружения позволили получить математическое описание поверхности физического отказа в виде разрыва, показать области и причины наличия резервов относительно существующих представлений.

7.Для сложных задач ударного взаимодействия конструкций получены критерии подобия. Разработана и экспериментально апробирована методика моделирования деформирования и разрушения конструкций при ударных воздействиях.

8.На основе критерия равноопасного состояния по запасу остаточной энергоёмкости получена математическая модель поверхности нормативного отказа в координатах деформационных и коррозионных дефектов пластин судового корпуса. Аналогичный подход использован для обоснования уровня необходимого повышения прочности и методики проектирования подкреплений изношенного набора в районах вмятин.

9.Разработана и реализована в форме компьютерной программы концепция унифицированного банка дефектов, как важнейшего условия

развития теории надёжности и нормирования отказов. Предложена система автоматизированной оценки и прогноза технического состояния корпусных конструкций с учётом ограничений на условия эксплуатации и перспектив реновации корпусов судов.

Практическая ценность работы связана с решением важной научно-производственной проблемы методического обеспечения расчетного проектирования и экспертизы эксплуатационной надежности судовых конструкций, воспринимающих экстремальные нагрузки в изношенном состоянии и при больших пластических деформациях. Результаты исследований обеспечивают возможность анализа работы конструкций за пределами нормативных отказов, выявления и использования резервов прочности и долговечности до наступления физических отказов.

Разработка унифицированного компьютерного банка дефектов, отказов и технического состояния корпусов с учетом методики оперативной экспертизы ориентирована на систему надзора Регистра Судоходства и обеспечивает возможность решения важной народнохозяйственной задачи -повышения надёжности, эффективности и конкурентоспособности флота.

На защиту выносятся следующие основные результаты работы.

1.Методика оценки нагрузок при швартовке судов во льдах.

2.Метод расчета конструкций в области больших пластических деформаций. 3 .Прикладные решения ряда задач на основе указанного метода.

4.Методика определения условий разрыва изношенных пластин.

5.Методика моделирования больших пластических деформаций конструкций при ударных воздействиях.

6.Концепция унифицированного банка дефектов, технического состояния и отказов корпусных конструкций судов.

7.Комплексный критерий оценки технического состояния.

8.Методика автоматизированной экспертизы и прогноза техсостояния.

9.Методика экспертизы корпусов судов с учетом ограничений на условия эксплуатации и перспектив реновации.

Внедрение результатов работы подтверждается более 20 актами и другими документами, приложенными к работе. В частности, это участие в разработке (совместно с сотрудниками С.-ПбМГТУ) рекомендаций по проектированию и экспертизе надёжности ледовых усилений танкера водоизмещением 116000 т американской корпорации AMOCO для условий Арктики.

Разработанная методология в максимальной степени использована при обобщении опыта эксплуатации (за 220 судо-лет), экспертизы надежности и проектных недостатков корпусов полярных танкеров типа "Самотлор" для финской фирмы "Kvaemer Masa-Yard".

Методики расчетов и проектирования ледовых усилений и усилений в районе слеминга использованы ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, КВИМУ и Российским Морским Регистром Судоходства для разработки соответствующих разделов Правил классификации и постройки судов.

Методика моделирования деформирования и разрушения конструкций применительно к решению задачи о вынужденной аварийной посадке летательных аппаратов на воду использовалась ЦАГИ им. проф. Н.Е. Жуковского.

Результаты расчётов больших деформаций рамного судового набора использованы ЦНИИМФ для совершенствования нормативных ограничений остаточных деформаций.

Результаты работы в части нормативно-методического обеспечения оценки технического состояния, ремонтов, подкреплений и реновации корпусов использованы для различных судов ДВМП, ДАЛЬРЫБЫ, ВОСТОКТРАНСФЛОТа, ПРИМОРРЫБПРОМа, ВБТРФ, ЛОРПа и др. судоходных компаний.

Результаты работы в части методического обеспечения дефекгации и оценки резервов надёжности использовались для стальных плавучих доков Приморского завода, Находкинского СРЗ, Сов.Гаваньского СРЗ.

Методология работы, реализованная в форме нормативно-методических документов и экспертных компьютерных программ, 4 та которых сертифицированы Регистром, апробирована на более чем 100 судах Дальневосточного бассейна.

За первый год эксплуатации унифицированного компьютерного банка DEFHULL его пополнили данные более 30 дефектаций корпусов судов.

Результаты работы используются в учебном процессе Морского института ДВГТУ по курсам "Техническая эксплуатация судов", "Основы надежности и диагностики морской техники", "Прочность морских судов", а также в курсовых и дипломных работах, магистерской и кандидатских диссертациях.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных, республиканских и региональных научно-технических конференциях в Ульсане (1998), Сингапуре (1997), Санкт-Петербурге (1982, 1986, 1989, 1994), Нижней Новгороде (1980, 1982, 1985), Калининграде (1979, 1981, 1984), Николаеве (1983), Казани (1988), Владивостоке (1978, 1981, 1984, 1990, 1992, 1994, 1996); на конференциях ДВГТУ (1979-1996); на специальных научно-технических семинарах: сектора прочности и коррозии ЦНИИМФа (1989, 1991), научно-исследовательской лаборатории ледовых качеств судов КВИМУ (1989, 1991), кафедры конструкции судов ЛКИ (1991), кафедр конструкции судов и проектирования корабля ДВГТУ (1979-1997); на научно-техническом совете Регистра

Судоходства (1997) и технической учебе Тихоокеанской и Приморской инспекций Регистра (1995-1997).

Отдельные фрагменты исследований положены в основу трёх защищенных в Совете ДВГТУ кандидатских диссертаций - автора (1983), Литвинова Ю.Ф. (1986) и Алексюка А.А. (1997). Ведется работа с аспирантами по подготовке ещё 3 кандидатских диссертаций.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 66 научных работ (30 в соавторстве), в том числе 7 международных (5 в соавторстве) на немецком и английском языках, раздел монографии, 6 методических разработок, выпущено 10 нормативно-методических документов и 30 научно-технических отчетов, получено 1 авторское свидетельство и 4 допуска (сертификата) Регистра на компьютерные программы.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Она содержит 218 страниц текста, 78 страниц с рисунками и список литературы из 355 наименований. Приложения 1-4 объёмом 172 страницы содержат таблицы, рисунки, листинги программ и копии документов, иллюстрирующие внедрение и практическое использование результатов работы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы общая цель и полученные результаты, выносимые на защиту. Дан краткий критический анализ состояния рассматриваемой проблемы. Приведена структурная схема работы, рис.1.

В первой главе рассмотрен широкий круг вопросов, связанных со спецификой эксплуатации судов, экстремальными нагрузками на корпуса, коррозионным износом и остаточными деформациями конструкций. Дана обобщенная характеристика современного состояния проблемы экспертизы надежности корпусов судов.

Экспертиза технического состояния является важным элементом в общей структуре проблемы обеспечения надежности и предотвращения отказов, рис.2. Методики и нормы проектирования ориентированы на эксплуатацию судна без серьёзных отказов до окончания нормативного срока службы. Однако они используют обобщенные представления об условиях постройки и последующей эксплуатации, прогнозируя их на 25 лет. Экспертиза надежности в процессе эксплуатации отличается почти в 5 раз меньшим периодом прогноза. При этом нет необходимости прогнозировать проектные, конструктивные и технологические отступления т.к. они уже реализованы и имеют отражение в состоянии судна. Имеется и реальный

РАСЧЕТНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРТИЗА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СУДОВЫХ КОНСТРУКЦИЯ в РАЙОНАХ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ МЕСТНЫХ НАГРУЗОК

Усдоии эксплуатации к повреждаемость суде*

Расчеты и проектирование судовых конструкций

Внешние нагрузки н коррозионный юное

Дсфипащи и экспертиза технического состояния

| Направление и задачи исследований |

Метя

физической д искретизации

Тссгоаие »дача нсопоставления

| Прикладные решения задач и эксперименты |

Судовые кницы

Балки халой жесткости

Сданг панелей

] [

Балки большой жесткости

Сите кроток | | Пределтая прочность балок

Пластины

Оболочки

] С ] [

Простые перекрытия

Сложные перекрытия

Методика расчета и эксперимент на разрушение Методика моделирования больших деформаций

Унифицированный баш технического состояния корпусов Экспертиза техсосгодиия при эксплуатационных ограничениях

Экспертиза резервов надежности судовых пластин Экспертиза набора на предмет подкрепления

Практическое использование результатов работы Экономические аспекты повышения надежности

Рис.1 Структурная схема работы

25 лет

5 лет

«•ЩАМ», иормь^

аромпремнм

юнсыща, тиоюлопиц построаа

ашиушцм, обслуаямааим, дафмпцт

твшичмвеге

1

ОфЩЦШИЩ

телириа топи^ша телирна телирна

рвпктревав стронпльавм остатка» цсщанм»

Рис.2 Проектирование и экспертиза надёжности корпуса в общей структуре

многолетний опыт работы конкретного судна с учетом указанных отступлений, уровня прошедшей эксплуатации и технического обслуживания. Точность прогноза здесь безусловно возрастает.

В настоящее время для решения проблем местной прочности используются обеспеченности нагрузок порядка

10М04. На рис.3 показаны совмещенные кривые плотности распределения нагрузок и несущей способности элементов корпуса с ростом прогибов. Существующая теория и практика проектирования судовых конструкций в основном располагается в области усталостной и предельной (теоретической) прочности. Если допустить обеспеченность начала текучести 10"5, то предельной нагрузке будет соответствовать Ю'10, нагрузке нормативного отказа - Ю'70, а для разрыва нужна нагрузка обеспеченностью менее Ю"100. Очевидно, что третье и четвертое события практически реализоваться не могут. Тогда возникает вопрос - почему замены элементов корпусов по прогибам имеют достаточно массовый характер, а нередки и случаи разрывов? Ответ нужно искать в области отказов, выделенной на рис.3, которой и отводится основное внимание данной работы.

Сложность теоретического решения проблемы отказов в значительной мере связана с ролью субъективного (человеческого) фактора в регулировании процессов нагружения корпусов. Участие судоводителей в регулировании величин нагрузок (точнее, реакций на них) характеризуется двумя основными моментами. С одной стороны, стараются не допустить нагрузок такой силы, которая по их представлению может привести к повреждениям корпуса. С другой стороны, естественно стремление обеспечить достаточную скорость хода и соблюдение графика движения судна. Таким образом, поддерживается режим движения близкий к некоторому, на взгляд судоводителя, предельному уровню.

С учетом этого, закон распределения реальных нагрузок может иметь вид, показанный на рис.4. Его отличительной особенностью от теоретического закона будет существенное завышение обеспеченности нагрузок, соответствующих диапазону "предельных" режимов движения. К сожалению, для полного описания таких законов нужна массовая статистика, которая до настоящего времени практически отсутствует.

Проблемы эксплуатации и повреждений корпусов судов рассматривались в работах сотрудников ААНИИ, ГИИВТ, ГИПРОРЫБФЛОТ, ГПИ, ГУР, ДВПИ, КВИМУ, КТИРПХ, ЛКИ, ЛИИВТ, НКИ, ОИИМФ, ЦНИИ им. А.Н.Крылова, ЦНИИМФ, конструкторских бюро, судостроительных и судоремонтных заводов, пароходств и других отечественных и зарубежных организаций.

Значительный вклад в сбор, обобщение и анализ проблем повреждаемости корпусов судов внесли дальневосточные научные школы профессоров Барабанова Н.В. и Аникина Е.П. Это вполне закономерно, учитывая масштабы бассейна и наиболее сложные здесь условия работы

Плотность распределения нагрузок

•. I усталость

л* нагрузка

«рочиость —^разрыв

Рис.3 Уровни разной обеспеченности нагрузок и прочности с выделением области

исследований работы

Самостоятельное В карава "На усах"

Сжатия

За ледоколом

Рис.4 Влияние человеческого фактора на экстремальные нагрузки

Рис.5 Распределение повреждаемости судов в Арктике по режимам работы

Маневры

^ина, м

Рис.6 Распределение промыслового времени Рис.7 Распределение повреждаемости танкеров рефрижератора по условиям работы в Арктике по условиям ледовой обстановки

флота. В основном, это сотрудники ДВПИ - Антоненко С.В., Бабцев В.А., Беспалов М.М., Иванов H.A., Кочегаров М.П., Литвинов Ю.Ф., Луценко В.Т., Малахов С.С., Рыбалкин Ю.Г., Чехранова Л.И., Шемендюк Г.П. и другие, включая автора. Работы охватывали практически все типы судов от сейнеров до линейных ледоколов.

Большой вклад в изучение проблем корпусов рыбопромыслового флота внесли калининградские школы профессоров Архангородского А.Г. и Беленького Л.М. Это - Бураковский Е.П., Дурнов В.П., Заковряшин В.И., Зарецкий З.А., Макаров В.В!, Неугодов А.Ю., Осняч A.A., Пименов Б.И., Притыкин И.А., Прохнич В.П., Розендент Б.Я., Семенов Л.Н., Симанович

A.И., Топчий Б.Е., Тристанов Б.А., Ферин А.Д. и др.

Исследования проблем повреждаемости судов от слеминга, газовозов, лихтеровозов, плавдоков и судов смешанного плавания проводились в Одессе под руководством профессора Козлякова В.В. Егоровым Г.В., Жибировым

B.А., Лукашем Э.П., Олейниковым В.В., Пеклуном С.Т., Станковым Б.Н., Шаруном Г.Б., Эскиным А.Л. и др.

Большой вклад в решение рассматриваемой проблемы применительно к судам внутреннего и смешанного плавания внесли школы профессоров Давыдова В.В., Ершова Н.Ф. и Трянина И.И.. Это сотрудники ГПИ и ГИИВТ Андреев А.Е., Вешуткин В.Д., Гирин С.Н., Налоев В.Г., Попов А.Н., Протопопов В.Б., Свечников О.И., Трухин Б.В., Яковлев A.A., и др. Этими же вопросами занимались в ЛИИВТ Бавыкин Г.В., Быстрицкий В.В., Галахов И.Н., Гунин И.А., Гуревич И.М., Лусников В.Ф., Чистов В.Б. и др.

Санкт-Петербург, как корабельная столица России, безусловно обеспечивал обобщающие работы и нормативно-методическую базу по разным направлениям эксплуатационной надежности корпусов судов. Многие из них относились к закрытой тематике и, к сожалению, остаются недоступными для широкого круга корабелов. Наибольшее влияние на данную работу оказали труды Апполонова Е.М., Бойцова Г.В., Брикера A.C., Бронского А.И., Быкова В.А., Гаврилова М.Н., Гребенюка Я.П., Диковича И.Л., Екимова В.В., Кноринга С.Д., Крыжевича Г.В., Курдюмова В.А., Лелпа Ю.Ф., Лихоманова В.А., Литонова O.E., Максимаджи А.И., Маркозова Г.В., Павлиновой Е.А., Палия О.М., Попова Ю.Н., Постнова В.А., Пугова Н.Е., Родионова A.A., Рывлина А.Я., Рябова Л.М., Таубина Г.О., Тряскина В.Н., Чапкиса Д.Т., Чувиковского Г.С., Хейсина Д.Е., Цоя Л.Г., Шарова Я.Ф., Юнитера А. Д., Яковского Ф.В.

Большое влияние имели работы строителей, таких как Болотин В.В., Гвоздев A.A., и Ржаницын А.Р., работы авиастроителей в области моделирования и гидромеханики, таких как Логвинович Г.В., Седов Л.И. и др. Влияние оказали и работы зарубежных коллег, особенно в части экспериментальных исследований больших деформаций, компьютеризации экспертизы состояния корпусов судов и их реновации в последние годы.

Значительное внимание в работе уделено обобщению и анализу экстремальных условий эксплуатации. Распределение ледовых повреждений по основным режимам работы судов в Арктике дано на рис.5. Ледоколы здесь оказываются основными "виновниками" повреждений - до 70% случаев. Самостоятельное плавание - лишь 6% случаев. Особо отмечается достаточно высокая доля повреждений при навалах и швартовках судов во льдах. Последний режим не выявлен в известной статистике и заслуживает поэтому особого внимания, т.к. его последствия не всегда четко осознаются судоводителями, за исключением "жестких" навалов корпусов.

Режим швартовки во льдах занимает особое место в экспедиционном промысле. Он не просто неотъемлемая часть производственного процесса, но и важный социальный фактор для общения, отдыха и делового взаимодействия экипажей. Статистический анализ показал, что в осенне-весенний период до 50% промыслового времени приходится на работу судов во льдах, рис.6. Битый лед, обеспечивающий условия эффективности перегрузки, одновременно затрудняет процесс швартовки.

Характеристики льда по толщине и сплоченности в момент повреждений танкеров типа "Самотлор" в Арктике приведены на рис.7. К наиболее вероятным относятся диапазоны от 1.5 до 3 м по толщине и от 8 до 10 баллов по сплоченности. Взаимодействие с ледоколами, другими судами и здесь главная причина повреждаемости, не учитываемая в должной мере существующей методологией проектирования корпусов.

Значительная часть главы посвящена анализу данных натурных испытаний судов во льдах и в условиях слеминга. Показано, что экстремальные условия работы элементов корпуса связаны с нагрузками большей интенсивности и локальности действия, чем в действующей методологии проектирования.

Результаты исследований показали существенные отличия условий и тактики работы во льдах транспортных и промысловых судов, что должно отражаться на повреждаемости их корпусов. Сопоставления подтверждают эти принципиальные отличия повреждаемости транспортных и промысловых судов, рис.8. Для первых характерно сосредоточение повреждений в носовом районе корпуса. У вторых повреждения распределяются практически по всей длине с экстремумами в форпике и по границам средней части.

Принципы методологии проектирования ледовых усилений корпусов ориентированы на транспортные суда. Но для них четко проявляется основная проблема - надежность носового района при проводке за ледоколом и, в первую очередь, "на усах". Применение тех же принципов для многочисленных российских промысловых судов не способно обеспечить их рациональное усиление. Нуждается в критическом анализе и традиционная для промысловых судов концепция о роли нагрузок от кранцев, возникающих при швартовках на волнении, и увязка с ними проблемы прочности борта.

Швартовка промысловых и некоторых типов транспортных судов во льдах является неотъемлемой частью эксплуатационного процесса. Поэтому оценка параметров нагрузок при сжатии льдин между бортами судов является актуальной. В работе получено решение, основанное на ряде допущений:

-масса судна, к которому производится швартовка, принимается бесконечно большой в сравнении с массой швартующегося судна;

-льдина имеет характерный размер в плане соизмеримый с соответствующим габаритным размером кранцевой защиты,

-льдина считается относительно толстой, не разрушается от изгиба, и все разрушение сводится к смятию её кромок;

-процесс сжатия льдины может сопровождаться ее поворотами и притапливанием до момента устойчивого нагружения, если это возможно в рамках принятых допущений;

-в состоянии неустойчивости льдины силы пренебрежимо малы; Энергия смятия кромки при заданной величине эффективной прочности льда на смятие ос определяется по формуле

и + . О)

о *

где глубина и площадь смятия кромки. Окончание процесса смятия кромок льдины проверяется сравнением суммарной энергии смятия и начальной, приведенной к точке удара, кинетической энергии судна иг й Т„. Результаты расчетов приведены на рис.9. Как видно, при углах швартовки до 10° процесс сжатия льдины оказывается устойчивым только в носовом районе и в районе перехода средней части в кормовую оконечность. С ростом угла швартовки нагрузки увеличиваются. Рост угла швартовки на практике ограничивается из-за повышения вероятности столкновения и жестких навалов корпусов. Длины зон контакта в расчётах характеризуются сравнительно малыми размерами, особенно для судов, к которым производится швартовка, рис.9а.

Использованная процедура пошагового рассмотрения процесса сжатия льдины между бортами (1) достаточно громоздка. Выполненные по ней расчеты и анализ влияния различных факторов на процесс позволили получить приближенную формулу (с отклонением до 10%)

Г и I06

вм(ч*Г I <тс7й ) ]

где А = 1/(со81"5Р*5шР*Ь1), В=1/(ам3р *»1п2р*Ь2),

у = со$(ав +аш -ас) при мюР/^у^собЗР^

Х = С05Р + РТ51ПР при р <> ап^Ь / 2И) + Р„,

Рис.8 Повреждаемость обшивки (гистограмма) и набора в ПВЛ судов различного назначения (по теоретическим шпациям)

а) расчетные зоны смятия кромок льдины

б) распределение нагрузок (кН)

•00

.Л ® /

1

в) распределение повреждаемости (%) я

я а

Рис.9 Нагрузки при разных углах швартовки судов во льдах и распределение повреждаемости (на примере БМРТ)

Р = РС + р6; Ь,И - толщина и расчетный радиус кромок льдины; МП,УВ-приведенные масса и скорость швартующегося судна; РТ,Р- коэффициент трения льда и угол наклона шпангоутов; аш,а- углы швартовки судов и ватерлинии; индексы с и 6 относятся к швартующемуся и неподвижному судну. Формула удобна в прикладных расчетах и, при соответствующем обосновании величин входящих параметров, может использоваться для нормирования нагрузок. Результаты расчётов хорошо согласуются с картиной повреждений, рис.9в.

Износ в значительной мере определяет надежность судовых конструкций. Так, распространенная на судах величина износа в 30-40% снижает первоначальную предельную прочность пластин в 2-3 раза. Основное внимание при изучении коррозионного износа пока отводится среднегодовым скоростям уменьшения толщин. Внимание к местной коррозии и её влиянию на надежность конструкций крайне ограничено. При проектировании она вообще не участвует в назначении размеров связей. С целью изучения коррозии в широком диапазоне размерений, типов и классов судов обобщены данные по износам наружной обшивки различных судов (для высоких ледовых категорий при участии аспирантки Поповой Н.Ю.). Сводные данные о распределении скоростей коррозионного износа по поверхности основного корпуса судов 8 серий приведены на рис.10.

Существенную, а точнее, решающую роль в формировании отказов судовых конструкций играет местный износ, который изучен наиболее слабо. Механизмы местного износа или неравномерности коррозии далеко не всегда связаны со случайной природой физико-химических процессов и качеством металла. Значительную долю в эти процессы вносят рассматриваемые местные нагрузки. Практика показывает, что опорные зоны пластан являются наиболее характерными местами инициирования разрывов, трещин или сквозных проржавлений. Роль нормируемого сейчас среднего износа при этом невелика.

С другой стороны, нельзя отрицать связь между средним и местным коррозионным износом. Анализ показал, что независимо от размерений и типов судов, закономерности взаимосвязи среднего и местного износов близки. Величина коэффициента вариации износа р, имеет тенденцию к быстрому снижению с увеличением среднего износа и при величине более 2 мм становится меньше 0.2. Его значения по результатам статистической обработки определяются формулой Р, = 03 /л/А*7, где АХС- величина среднего износа. В результате неравномерность износа с использованием "правила трёх стандартов" оценивается по формуле

-Где к - построечная толщина,

♦о - Д*г *о-Д»с (100-псу»7

Пс- процент среднего износа; А1„, Д^ - абсолютные значения местного и

кЁлиЯ сейнер (Ь-22 м, икс - ЛЗ, ■■ ->0.15 ммЛгод. виг-0.03)

20 и 1С 14 12 10 а « 4 2 иорля рмбмоини» сейнер (Ь-ЗО к, класс • ЛЗ, ■■->0.13 км/год. пш-0.05)

20 II 1С 14 12 10 I С 4 2 Пфша 4>сднж*тр«у»ср (1,-46 ы, класс - Л2, ■■ ->0.20 мм/год. пш-0.05)

20 1( 16 14 12 10 I 6 4 2 перло

(Ь-93 м, юисс-Л1, ""->0.25 юс/год. пш-0.05)

ццо

едзщ

20 1« К 14

бухеяр

(Ь-52ы. кмес-УД ■■•>0.20 мм/год. пш-0.05)

20 11 1С 14 12 10 I С 4 21юрлп фетру* (1гЩ к юное - УДА. —-ХШ мм/год. пмг*0.(Ц)

ч

аШШ™

гтттпгД

20 II 1С 14 12 10 I С 4 2 ПорЛ •тшшр (1г125 м,юисс-УД ми/год. шы-0.05)

20 и 1С 14 12 10 I 6 4 2 Исрлш лсдокоа (1г115 ы.дцсс-ЛЛЗ, —->0.50 ни/год. ши-0.10)

20 II М 14 12 10 I

2 перла

Рис. 10 Распределение средних скоростей износа (мм/год) наружной обшивки судов различного назначения и ледовых категорий

оа

j9

среднего нзносов. Данный параметр зависит от начальной толщины, что имеет важное значение для сравнения износов судов разных размерений. Проведённые исследования и результата выявили существенную связь коррозионного износа с местными нагрузками разной природы и возможность её математического описания для последующего учета при проектировании новых и экспертизе надежности уже работающих судов.

Результаты натурных испытаний и анализ повреждений показали, что экстремальные условия работы конструкций чаще относятся к случаям локальных нагружений. При таких нагружениях работа конструкций и их элементов может существенно отличаться от условий работы расчетных моделей в рамках классических гипотез СМК и, в первую очередь, стержневой идеализации. Это определяет особую важность экспериментальной проверки получаемых решений. Сложность теоретического описания упругопластической работы конструкций под действием экстремальных ударных ледовых и гидродинамических нагрузок не позволяет пока преодолеть "барьер" условности расчетных моделей в таких задачах. Модельные эксперименты для ударного взаимодействия конструкций ещё долго будут оставаться одним из главных подходов проверки проектных решений, наряду с обобщением опыта эксплуатации. Однако такие эксперименты пока слабо обеспечены критериями подобия для условий больших пластических деформаций и разрушения. В конце главы сформулированы основные выводы и задачи дальнейших исследований.

Во второй главе наряду с кратким обзором существующих методов, изложен подход к расчету судовых конструкций на основе методологии физической дискретизации и даны решения некоторых задач.

Литература по расчетам конструкций с учетом пластических деформаций весьма обширна. Большая её часть относится к области малых упругопластических деформаций. Очень много работ относится к решениям методами ТПР. В этом случае деформации остаются неопределёнными и необходимы гарантии того, что теоретически предельная нагрузка является приемлемым критерием прочности. Область больших деформаций, соизмеримых или равных деформациям разрыва, представляющая интерес с позиций данной работы, отражена в литературе существенно меньше.

В судостроении наиболее известными являются работы Беленького Л.М. и Диковича И.Л.. Оригинальные подходы на основе принципов физической дискретизации использованы Кайдаловым Н.Н и Пановко Я.Г. в задачах о закритической работе элементов конструкций. Большие заслуги в развитии и пропаганде метода физической дискретизации (physical lumping) или метода эквивалентности принадлежат одному из основоположников МКЭ Аргирису Дж. Г. Большой вклад в развитие МКЭ для нелинейных задач внесли научные школы Постнова В.А., Ершова Н.Ф., Горбачева К.П.

Разработкам прикладных методов анализа поведения конструкций при больших упругопластических деформациях и их приложениям к проектированию посвящены работы Аплолонова Е.М., Бойцова Г.В., Козлякова В.В., Курдюмова В.А., Леппа Ю.Ф., Лугинина O.E., Шарова Я.Ф. и других. В подавляющем большинстве случаев вопросы коррозионного износа при этом не затрагивались вплоть до последнего времени.

В основу разработанного метода положено широко используемое в ТПР представление об упрощенных полях перемещений в форме кусочно-линейной аппроксимации. Деформированная поверхность представляется совокупностью плоских элементов. Однако указанная теория использует положение об идеальной жесткости таких элементов, а вся энергия деформирования считается рассеянной по границам элементов. В простейшем случае - это пластические изгибные шарниры. В более общих случаях шарниры имеют разрывы перемещений. Такая идеализация приводит к большим трудностям описания вращательно-разрывных перемещений в шарнирах, а сами модели теряют схожесть с реальными конструкциями.

Разделим полную энергию деформирования элементов по месту рассеивания и по виду. Энергия изгибных деформаций рассеивается в шарнирах, а энергия цепных деформаций - на плоских участках

W = WC+W„ . (2)

Приведенные в работе формулы позволяют определить потенциальную энергию деформаций любого треугольного элемента и шарниров по его кромкам, рис.11. Общая энергия совокупности N элементов и М шарниров представляется в виде сумм

w^IXWk.. w9 = £ik\v . (3)

k>l k-1

Выражение для энергии цепных деформаций элемента единичного объема в случае идеально упругопластического материала с линейным упрочнением имеет вид

W. =}a,(e,)de, =

OJEef е, £ е0 ^

оатвб0 +о0(е, -г,)+&5Еа(е, - б,) е,

где е0 = 0о / Е - деформации текучести; б, - интенсивность деформаций.

Удельная энергия изгибных деформаций, рассеянная в цилиндрических шарнирах, определяется в зависимости от угла слома в шарнире ф

IV -7мЫлт I 0-5М(ч>)ф Ф*Ф. . „

ММ(Ф)ЙФ>5М0Ф0 +М0(9-ф.) ф*фв ' (5)

где М0 = 0.25ав12- предельный изгибающий момент на единицу длины шарнира; Фо - угол слома при переходе шарнира в пластическое состояние. В формуле (3) предельный изгибающий момент записан как константа. Это обычное представление в рамках методов ТПР. В действительности,

Рис.11 К определению деформаций плоских элементов (а) и углов слома в цилиндрических

шарнирах изгиба (б)

Рис. 12 Кинематически возможные схемы повреждений балок с учетом заваливания (б, г, с), анализируемые программой BEAM

предельное сопротивление шарнира зависит от уровня напряженно-деформированного состояния образовавших его элементов и снижается по мере нарастания. Для описания последнего использовано условие в виде

м0* =Мо[1-(1Ч/1«о)2]£Мо

-й-у

(6)

При достижении уровня деформаций е, сопротивление шарнира изгибу принимается равным нулю. Работа внешних сил при заданной эпюре нагрузки, распределенной на площади - S,

A = J q(x,y)f(x,y)dxdy. (7)

s

Общее решение задач упругопластического деформирования моделей, описанных приведенными зависимостями, можно построить на условиях

5Э = 5(А + W) = 0, Рк = ™ (8)

<71 ь Olu

öfk

В первом случае задача сводится к поиску минимума функционала полной энергии системы методами нелинейного программирования. В других - путь решения использует принцип возможных перемещений. Далее в работе рассмотрены тестовые задачи.

Первая - сжатие круглой пластинки в ее плоскости. Эта задача проста, имеет точное решение методами ТПР, а также решение АР.Ржаницына для закритического поведения (выпучивания). Решения сопоставлены ниже:

. дач i-p^SFn-«

° 0.477 0.5

где w = w/t - относительная стрелка выпучивания из плоскости; t = t/R-отношение толщины к радиусу. При w = 0 полученное решение (справа) точно совпадает с решениями статическим методом ТПР. Его принципиальное отличие - в возможности учёта жесткости пластины - t/R. Оба решения в области цепных деформаций текучести практически совпадают, рис. 13а.

Вторая задача - случай балки-полоски с распором. Она имеет важное значение, так как ее решение можно использовать для многих судовых пластин непосредственно. Рассмотрены решения методом сосредоточенных деформаций (МСД) и предложенным методом, которые приведены ниже:

24—+--

X 4 х

q = i . 9 f4 3f3

4----+--

< 16х2 4 х>

q =-9Í__ = 4 öS

4 + ±Р 16 2f

f¿8 при_ fí>8

npnf й

2f

f k

|x.O0)

где ? = 4Г / в - относительный прогиб; % = " паРаметР гибкости.

Сопоставление решений дано на рис.136 и позволяет сделать вывод о принципиальном отличии в части учета гибкости. В стадии упруго-пластического изгиба решения сравнительно близки лишь для относительно жестких балок (х ^ 16). Учитывая, что в эксплуатации износ достигает 50%, величина х может увеличиться в 4 раза. С учетом последнего решение на основе предлагаемого метода" имеет безусловные преимущества.

Экспериментальные исследования работы конструкций и их элементов в области больших пластических деформаций сравнительно редки прежде всего из-за того, что модели используются один раз. Публикуемые результаты часто не содержат информации, достаточной для сопоставительных расчетов. В связи этим, большое внимание уделено модельным экспериментам, которые выполнялись на 5 установках.

Установка на основе четырехзвенника для малых моделей из тонколистовой стали использована для испытаний: 15 квадратных пластин с круглыми вырезами разных размеров и без них в условиях сдвига и закритической работы вплоть до разрыва (при участии С.С. Малахова, В.А. Бабцева, О.И.Братухина); 18 равнобоких прямоугольных книц с фланцами и без них в условиях закритической работы; 19 прямоугольных панелей с вырезами разных форм и размеров в условиях сдвига и закритической работы вплоть до разрыва.

Экспериментальная установка на основе пресса использовалась для испытаний (при участии Бабцева В.А. и Литвинова Ю.Ф.) моделей из тонколистовой стали: 2 панелей в условиях смятия кромок 12 пластин с цилиндрической погибью.

Экспериментальная установка на базе камеры давления использована для испытаний: (при участии Иванова Н.А.) 55 пластин из алюминиевой фольги; 20 пластин из тонколистовой стали; 25 двухслойных пластин из АМг-2 до разрыва; 24 перекрытия (при участии Бабенко С.А. и Алексюка А.А.).

Эксперименты с ударом моделей оболочек о воду на стенде копрового типа кафедры конструкции судов ДВГТУ. В 1987г эксперименты на стенде использованы для проверки разработанной автором методики моделирования деформирования и разрушения конструкций при ударах о воду. Эксперименты проводились под руководством Иванова Н.А при участии Иванова С.А., Лапина В.Г., Сурженко А.П. и автора.

Экспериментальный стенд для разрыва балок-полосок использован при проведении испытаний на образцах толщиной 2-5 мм (при участии Аносова А.П, Алексюка А.А., Ашуркина А.В. и Князева В.В), Всего испытано более 100 образцов из стали марки 09Г2.

Кроме описанных экспериментов для проверки теоретических решений в максимально возможной мере использовались эксперименты других

о)

ш 9

к N

V \ \ \

\ «0* -б

— - — -

-- Рж НН1 ын

ц ✓

¡1

- - Бугаков.

1 М- 1 4 я о| ' >

1 1 1

ч - - Кулеш

и*" \ ч 5з

^ р*

—

шН.

.а ^цт «

-- Беленький

// у

* Г1 (Я-0

У

1

(.НИ

ю к зо

Рис.13 Сопоставление полученных решений различных задач с другими решениями и экспериментами (пунктир)

авторов - Апполонова Е.М., Беленького J1.M., Иванова H.A., Козлякова В.В., Лугинина O.E., Попова А.Н., Шарова Я.Ф. и других.

Численные решения на основе предложенного метода использованы в задачах о сдвиге и смятии панелей с вырезами, сдвиге и поперечном изгибе квадратных пластин. Расчеты показали согласование с экспериментами в области предельных нагрузок, значительное влияние распора и поясков на прочность в закршической стадии работы. Развитие численных процедур было направлено на проблему устойчивости и скорости минимизационных процедур. Была разработана версия квазиградиентного метода принятия решения о направлении и шаге поиска по количественной оценке значений первой и второй производной в точке принятия решения. Скорость поиска выросла, однако опасения в части плохого масштабирования функции энергии по разным обобщённым перемещениям вынудили дополнительно прибегнуть к более надёжному методу деформируемого многогранника (Недлера-Мида). Процедура поиска была построена на комбинации указанных методов и такой "тандем" показал высокую эффективность поиска.

В целом, численные процедуры решений позволили лучше понять особенности поведения расчетных моделей и влияние различных допущений. Однако недостаток таких процедур - отсутствие на выходе простых аналитических зависимостей, пригодных для задач проектирования и экспертизы, заставил уделить большое внимание именно этой цели, оставляя численным решениям вспомогательную роль.

На рис.13в,г даны результаты сопоставлений предложенных решений для сдвига и смятия с экспериментами (Бугаков В.Н., Шемендюк Г.П.).

Кницы, являясь опорными элементами судовых балок, существенно влияют на их прочность и жёсткость как при упругой работе, так и в области больших пластических деформаций. Учет книц обычно производится путём уменьшения расчётного пролёта балок. Однако такой приём не апробирован в расчетах за пределом упругости. Более того, при локальных нагрузках, смещенных в район опор (книц), такой приём теряет смысл. Но именно эти нагружения часто повреждают опорные узлы балок. Решение задачи о закритической работе книц имеет особенность, связанную со "сбросом" нагрузки, и получено для передающего момента и выпучивания в виде

©=0.98^/8-^/5 ,

где толщина, катет и ширина фланца кницы; Ш = в>Н - безразмерная

стрелка выпучивания кницы из плоскости; Ск / а - тангенс угла сдвига кницы. Сопоставление решения с экспериментами дано на рис. 12.д.

Все пластины вне плоских участков поверхности корпуса имеют погибь и являются оболочками. В подавляющем большинстве случаев их кривизной пренебрегают. Однако далеко не всегда это корректно. Решение для них имеет особенность, связанную с возможностью "прощелкивания", если пользоваться терминологией для упругих оболочек. Достаточно простое решение этой задачи приведено в работе. На рис.13е оно сопоставлено с экспериментом. Показано, что влияние погиби весьма заметно даже при небольших кривизнах пластин и необходима осторожность при пересчётах нагрузок по остаточным прогибам пластин, чтобы не исказить количественную и качественную картину при экспертизе распределения давлений по поверхности корпуса. В заключении сформулированы основные выводы данной главы.

В третьей главе на основе изложенных ранее материалов и обобщений для судовых конструкций, воспринимающих экстремальные местные нагрузки, обширных многолетних обследований реальных повреждений, проведенных экспериментов и предложенного метода, апробированного на ряде достаточно сложных задач, разработаны прикладные методики расчета конструкций, обеспечивающие решения задач проектирования и экспертизы надёжности в эксплуатации. Вопросам сопоставлений с экспериментами по-прежнему уделено значительное внимание.

Изложенная методика упругопластического расчета пластин использует в основе решение (10) для балки-полоски. Такие факторы как: конечное отношение сторон, локальность приложения нагрузки, распор и самораспор, упрочнение, остаточные прогибы, износ и другие, учитываются безразмерными параметрами в соответствующих местах расчётной зависимости, где их влияние существенно. Структура методики является наиболее удобной с позиций возможности анализа влияния отдельных факторов и обеспечивает возможность её совершенствования по отдельным фрагментам без коренного изменения структуры. Расчетная зависимость, связывающая поперечное давление и прогибы пластины, имеет вид

Н * 4х

и

1

[4(1-11 + 0.51,^,

при

(12)

где

Г.

-.¡К

прогиб перехода в состояние пластической мембраны.

Зависимости для параметров А«, Аы, Ао2> А^сь А и других приведены в работе. Решение представляет собой кривые, каждая из которых определяет

соответствующую стадию работы - упругую, упругопластического изгиба и стадию пластической мембраны. В области малых прогибов используется интерполяционный приём, обеспечивающий плавный переход от упругого состояния к пластическому.

Зависимость (12) должна быть ограничена условием разрыва, в качестве которого с ошибкой в безопасную сторону принято

в функции от деформаций равномерного удлинения при разрыве (5р) и неравномерности износа (т]). Более детально этот вопрос рассмотрен в четвёртой главе.

Данная методика по числу учитываемых параметров, влияющих на работу пластан, не имеет аналогов. Важной особенностью является отсутствие в ней итерационных процедур, характерных для расчетов численными методами (в том числе МКЭ) и создающих проблемы устойчивости решений. Это обеспечивает перспективы её включения в любые экспертные программы. На рисЛЗж приведены сопоставления с решениями японских коллег задачи о локально загруженных пластинах разной жёсткости. Им потребовалось провести серию экспериментов на моделях, затем "отладить" по ним расчетную схему МКЭ и только потом получить ряд решений частного характера. Задачи, подобные этой, с позиций данной методики проста. В работе иллюстрируются решения более сложных задач о накоплении прогибов и разрушения пластин с увеличением возраста и степени износа. Возможности методики в части учёта коррозии и разрыва пластин очень важны для решения экспертных задач.

Широкие возможности методики выходят за рамки тех исследований работы пластин, которые отражены в литературе. Это не позволяет апробировать методику в полном объёме и многие моменты могут быть проверены лишь практикой эксплуатации. Тем не менее, была выполнена большая работа по сопоставлению с экспериментами для почти 300 моделей, более половины из которых проведены под руководством автора.

Принципиально новые возможности методики в части учета скорости и неравномерности износа, а также срока позволяют оценивать комплекс важнейших характеристик, определяющих показатели надежности и, в частности, долговечность пластин. Показано, что наиболее чувствительной к возрасту оказывается не прочность, а энергоёмкость. Данный вывод будет использован далее при построении экспертных алгоритмов оценки технического состояния конструкций по их близости к отказу.

Для судовых балок характеристики изменяются в широком диапазоне, что определяет характер и условия повреждений. Подавляющее большинство

(13)

Л

Q0=2^<r,Ft

(14)

балок изготавливается из проката при отношении пролёта к высоте более 5. Обычно считается, что их повреждение происходит с образованием изгибных шарниров. Это не очевидно в случаях локальных нагрузок, смещение которых к опорам приводит к повышению роли прочности на сдвиг и смятие. Особенностью локальных нагрузок является и то, что они могут менять размер зоны контакта в процессе нагружения. Кроме того, в составе корпуса имеются рамные балки с относительно высокой изгибной прочностью. Существующие методики не обеспечивают оценку границ значимости указанных факторов, что ведет к возможности получения расчётных значений прочности с недопустимо большими погрешностями.

Расчёт балок малой жёсткости не представляет трудности. Поэтому для них рассмотрена задача с увеличением зоны в процессе нагружения штампом. Сопоставление с экспериментами приведено на рис.13з.

Простое решение задачи для балок большой жёсткости в рамках кинематического метода ТПР получено в виде

1 , 7зф„

1-а 2(а-а2)

Параметр относительной прочности поясков и размер зоны сдвига стенки

Ftl 1 \4 2 ° 2 " U У

где Ft, tt - площадь сечения и толщина к-го пояска (полки). Результаты расчётов показали существенное влияние поясков на предельную сдвиговую прочность балок. Так, в районе ледовых усилений, балки набора могут иметь параметр Ф„=0.15 и 2-кратное повышение прочности в сравнении с моделью среза у опор. Зона сдвиговых шарниров охватывает при этом до половины пролёта и при визуальном осмотре практически не отличается от изгибной схемы повреждений. Огмечено, что к необходимости учёта таких кинематических схем для судовых балок независимо и практически одновременно пришел Апполонов Е.М.

Многообразие возможных схем перемещений в предельном состоянии требует вариантных расчетов. При этом нужно учитывать возможность заваливания и смятия стенок. На рис.12 приведены 7 возможных схем для двух случаев нагружения - в центре пролёта й у опоры, для которых в работе получены решения. На их основе составлена компьютерная программа "BEAM", которая позволяет получить представление об уровне предельной прочности балок и соответствующей схеме перемещения.

Традиционная схема учета углов поворота балок относительно нормали к обшивке обычно рекомендуется при более 15 градусов. Эти рекомендации базируются на анализе упругой работы балок. Расчёты снижения предельной прочности с ростом угла сопоставлены с экспериментами Кожина В.П. и

подтвердили факт существенно большего влияния углов на стадию пластического изгиба, чем при упругой работе балок.

Судовые перекрытия, как и их балки, имеют широкий диапазон изменения жесткости. Для многих перекрытий расчёты на основе изгибных схем разрушения дают приемлемую точность. Это бортовые, палубные перекрытия и перекрытия переборок большинства судов. Для перекрытий типа двойного дна или борта решающее значение чаще имеют сдвиг и смятие. В работе рассмотрены методики для двух крайних случаев.

Для перекрытий, где обшивка подкреплена балками одного направления с относительно малой изгибной прочностью, полученное решение охватывает случаи от равномерной нагрузки до сосредоточенной. Экспериментальная проверка методики включала два крайних случая -равномерной по всей площади (рис13и) и практически сосредоточенной (рис.1 Зк) нагрузки на перекрытие. Результаты показывают хорошее согласование в отличие от решения при стержневой идеализации, обозн. 1.

Перекрытия типа двойного дна также рассмотрены для двух случаев. В первом, эпюра давлений убывающая во всех направлениях (гидродинамические, ледовые), что создаёт трудности в определении размеров зоны деформирования. Второй случай, когда зона пластического деформирования однозначно определена. Результаты расчётов при характерных параметрах днищевых перекрытий в районе слеминга показали, что зона сдвигового деформирования имеет размеры, составляющие 65-80% от размеров основания эпюры давлений. Сама методика расчётов прошла широкую апробацию путём применения для судов различных серий.

В случае определённости положения границ зоны деформирования решение упрощается. Для проверки полученных формул использован эксперимент японских коллег, выполненный при решении проблемы посадки судов днищем на камень, рис.13л. Наибольший уровень прочности достигается в момент разрыва обшивки модели. Он лишь на 30-40% больше предельной нагрузки. В момент достижения допускаемой стрелки прогиба увеличение значительно (в 2-3 раза) меньше. Это говорит о том, что учет цепных напряжений в подобных задачах имеет ограниченное значение.

Разработанные методики позволяют обеспечить расчет судовых конструкций на экстремальные воздействия ври проектировании и при экспертизе остаточной прочности в эксплуатации. Возможность анализа поведения элементов и конструкций за уровнем предельной нагрузки имеет особую важность для уточнения параметров экстремальных нагрузок и оценки их обеспеченности, что способствует прогрессу в развитии расчётных методов проектирования конструкций. Методики доведены не только до прикладного уровня и прошли широкую апробацию, но и получили нормативный статус в результате их согласования с Регистром как в форме документов, так и в форме компьютерных программ. Опыт практического

использования методик позволил сформулировать в конце главы ряд конкретных рекомендаций и выводов для выполнения расчётов.

Четвёртая глава посвящена разработке методического обеспечения оценки условий отказов и разрушения с учётом неравномерности коррозии и ударного нагружения. Значительное внимание уделено экспериментальной проверке полученных решений.

О проблеме субъективности самого понятия отказа конструкции уже говорилось. В судостроении и технической эксплуатации понятие отказа имеет широкий диапазон - от допускаемых напряжений до разрывов. В пределах этого диапазона несущая способность обычной пластины может отличаться в 40 раз. Общий износ уменьшает несущую способность лишь на 30-40% и не перекрывает указанный диапазон. Причину физических отказов следует искать в неравномерности реального коррозионного износа.

К корпусным конструкциям судов в эксплуатации применяют систему нормативов дефектов, упреждающих разрушение, - нормативных отказов. Это связано с 5-летней периодичностью освидетельствований. Нормы на общий износ, местную коррозию и прогибы построены сейчас независимо друг от друга. Отмечено, что нормативы отказа связей по износам построены на основе эмпирики с элементами метода условных измерителей и к условиям работы конструкций при восприятии экстремальных нагрузок они прямого отношения не имеют. Нормативные отказы по прогибам имеют более строгое методическое обоснование. Здесь за базу использовано условие разрыва. Однако эта база имеет слабое место, т.к. в основу ее количественной оценки положены хотя и многочисленные (более 200) эксперименты, но на очень тонких и гибких моделях (отношение пролета к толщине - 120-800). Общим недостатком является отсутствие учёта неравномерности износа, всегда имеющего место в реальности.

В работе сформулирована постановка задачи определения параметров, соответствующих разрыву при наличии дефектов. Решение получено для двух случаев, отличающихся диаграммами деформирования материалов, геометрией дефектов и их расположением в пролете. Рассмотрен случай разрыва применительно к расчетной схеме и форме дефекта в виде уменьшения толщины в районе опорного сечения, показанный на рис.14. Равнодействующая нагрузки приложена в' точке наибольшего прогиба. Влияние изгибных деформаций на условия разрыва не учитывается. Распор принимается абсолютно жестким. Условия равновесия имеют вид:

Т. sin 0. + Т, sin 0. = Р

' ' . (16) T,cose,-Tlcose2 = o

Условие разрушения однозначно относится к сечению у левой опоры Т, = ctfcbt(l — т|), где t ,Ь - толщина и ширина балки ; ц - относительная

Рис. 14 К определению условий разрыва при наличии дефектов в районе опор

Рис.15 Снижение деформационной способности образцов из Амг

симметр.

Рис. 16 Снижение нагрузки (а) и прогибов (б) с ростом глубины дефектов и асимметрии

Ь.

кН ко

го о

Р*

кн 40

го

К

симметр.

н-

4-28-240 им ~Пологий-/120~

4-28-120 >ш "Острый/20 "

го ю

Рис.17 Сопоставление решений с экспериментами (фрагменты)

Рис.18 Результаты экспериментальной проверки методики моделирования больших деформаций в условиях удара разномасштабных цилиндрических оболочек о воду •

глубина дефекта. Дополнительно использовано условие в виде равенства удлинений оси балки в функции от прогибов и распределения деформаций

Решение в замкнутом виде получить не удалось. Оно осуществлялось с помощью компьютерной программы методом прямого поиска прогиба разрыва, удовлетворяющего заданным условиям. Отмечено, что ярко выраженный "слом" зависимостей для прогибов разрыва связан с кусочно-линейной аппроксимацией диаграммы деформирования. Для аналогичной задачи, но другой модели материала, состоящей из упругого (линейного) участка и продолжения в виде е = А<тв "слом" зависимости практически незаметен, рис.15. Полученные решения позволяют оценить условия разрыва обшивки с учётом эксплуатационных дефектов или конструктивно-технологических факторов.

Экспериментальная апробация решений на 106 стальных образцах толщиной 2-5 мм при гибкости балок-полосок в диапазоне 24-120 практически перекрывала реальный диапазон. Результаты сопоставлений на рис.17 показывают, что с учётом характерного для такого рода экспериментов разброса расчёты обеспечивают качественно и количественно согласующиеся результаты. Падение прочности и деформационной способности в результате неравномерности износа и асимметрии прогибов может иметь порядок от начального уровня. Поверхности разрушения в координатах дефектов показаны на рис.16 в зависимости от глубины дефектов и асимметрии прогибов. Сопоставление и анализ показывают:

1.Неравномерность износа и асимметрия нагружения ведут к быстрому падению деформационной способности при небольших глубинах дефектов.

2 .Влияние остроты дефектов при их небольшой глубине практически не существенно, но заметно возрастает при больших глубинах.

3.Увеличение асимметрии прогибов ведёт к падению деформационной способности того же порядка, что и неравномерность износа.

Для развития теории и практики проектирования конструкций, экспертизы их отказов большее значение имеет верхняя часть представленных поверхностей. Именно в этой области работает подавляющее большинство элементов и здесь принимаются решения об отказах и проведении мероприятий по восстановлению надёжности. Сопоставление решений для поверхности разрушения выполнено с существующими представлениями о деформационной способности, рис.166. Здесь проведены плоскости (обозначения 1 и 2), соответствующие представлениям о разрыве (Лепп Ю.Ф.) и нормативном отказе (Беленький Л.М.). В целом, эти плоскости перекрывают верхнюю часть поверхности, «по говорит об их согласованности с практикой в среднем. Однако факт того, что они не зависят от состояния

износа и условий нагружения, говорит о существенном отличии резервов надежности конструкций в разных точках этих плоскостей.

С другой стороны, в практике ремонта большой объем работ связан с подваркой коррозионных канавок. Наплавка же в районах полосового износа практически не производится. Это говорит о неиспользуемых резервах и возможности уточнения (смягчения) допусков на глубины канавок.

Проблема обеспечения безопсазной работы конструкций при действии экстремальных ударных нагрузок, меняющих свои параметры не только во времени, но и в пространстве, чрезвычайно сложна. Математическое моделирование здесь пока бессильно, натурные исследования очень дороги и небезопасны. Теория моделирования таких процессов слабо разработана. В работе излагается методика моделирования, разработанная на основе наиболее общих представлений о физике ударных процессов. Экспериментальная проверка выполнена совместно с H.A. Ивановым.

Выражение комплексного критерия подобия получено в виде a^f2=£otWf2 mV? mV*

где t,b,F - толщина, ширина и площадь сечения элемента. Он включает как параметры, характеризующие внешнее воздействие (размеры, приведенные массу и скорость), так и реакцию конструкций (напряжения, прогибы). Достоинством методики является то, что она не требует строгого выполнения всех критериев подобия при условии выполнения (18).

Экспериментальная апробация включала сравнение с экспериментами, в которых допускались значительные отклонения по критериям подобия. В частности, это эксперименты по исследованию надёжности спускаемого модуля космического корабля "Аполлон" в процессе приводнения, а также более ранние эксперименты ДВГТУ (Иванова H.A.). Сопоставления показали, что методика даёт удовлетворительное согласование и обеспечивает приемлемые результаты даже в тех случаях, когда существенны отклонения от других критериев подобия (Фруда, масс, геометрии).

Для более детальной проверки методики при строгом соблюдении всех критериев подобия были выполнены дополнительные испытания на стенде копрового типа (при участии Иванова H.A., Иванова С.А., Сурженко А.П.). Кроме проверки методики в задачи экспериментов входила отработка технологии моделирования корпусных конструкций реальных летательных аппаратов в условиях аварийной посадки на воду.

Большая модель ("натура") представляла собой цилиндрическую оболочку из тонколистовой стали. В качестве продольных рёбер использовалась медная проволока. Поперечный набор был жестким. Для обшивки малой модели ("модель") использована алюминиевая фольга и продольные ребра также из медной проволоки. Результаты испытаний приведены на рис.18. Высоты сброса определялись из условия получения

достаточно больших цепных деформаций - от 2 до 6% и при соблюдении критерия Фруда. Оболочки испытывались при разовых и 3-кратных сбросах.

Результаты сопоставлений подтвердили хорошую работоспособность методики, удобство использования её комплексного критерия подобия и перспективность для решения подобных задач. На её основе была решена конкретная задача обоснования и изготовления днищевой конструкции для катапультируемой модели самолета ТУ-154. В завершении главы сформулированы основные выводы.

В пятой главе основное внимание уделено вопросам методического обеспечения практики экспертизы и повышения надёжности корпусов судов с учетом выполненных исследований и перспектив компьютеризации таких процессов.

Существующая система обеспечения и контроля надёжности корпусов судов, наряду с расчётами и нормированием параметров, использует целую систему диагностики на базе измерений характеристик дефектов в процессе эксплуатации. Это важнейшее звено в технологической цепочке обеспечения надежности, исправления ошибок проектирования и эксплуатации, предупреждения серьёзных отказов, регулирования и повышения надёжности и сроков службы. Однако эта система пока не унифицирована для судов различного назначения и классов.

В работе дано описание разработанной унифицированной компьютерной системы сбора, хранения, обработки и анализа данных дефектации корпусов судов ОЕШШХ (при участии аспиранта Пичугина О.Г.). В основу положен ее важнейший элемент-банк данных и концепция его унификации, компактности, сохранности и простоты в эксплуатации. Одним из главных требований к системе была разработка универсального блока расчётов допускаемых величин дефектов по любому судну. В основу блока были положены требования апробированных нормативных документов. Система построена на принципе независимого решения проблемы расширения банка и развития ее структурных, экспертных и целевых возможностей.

Банк данных программы формируется в корневом каталоге БЕНИПХ, в котором находятся исполняемый (<1еПш11.ехе) и информационные (ships.dat, _1<1еп1кеу, геа(1те.п1о) файлы программы. Файл ships.dat предназначен для хранения информации о структуре подкаталогов по судам. Банк имеет древовидную структуру каталогов, которая позволяет упорядочить доступ к данным при их экспорте или обработке, рис.19. Организационная схема уже формирующейся системы показана на рис.20 и соответствует состоянию на 1.01.98. Успех и масштабы внедрения, в первую очередь, зависят от правильной организации функционирования и накопления банка. Опыт масштабного внедрения подобных систем в принципе отсутствует, и потому на этом пути могут быть отдельные недостатки. Важнейшая роль в

3-5*

организации процесса принадлежит Регистру, от поддержки и инициативы которого во многом зависит конечный результат.

Внедрение системы во Владивостоке и Находке имеет принципиальные отличия. Во Владивостоке расширение сети пользователей пока формируется на базе только крупных судовладельцев. Морской институт ДВГТУ выступает здесь в роли центра подготовки, консультирования, обобщения опыта. В Находке роль центра взяла на себя Приморская инспекция. Система решает важнейшую задачу накопления статистических данных о дефектах и отказах корпусов судов с предоставлением возможностей автоматизированного анализа больших массивов информации. Она рассчитана на самый широкий круг пользователей различной квалификации. Последнее значительно ограничивает возможности использования разработанных подходов. Поэтому в следующих разделах изложены подходы, обеспечивающие возможности для обоснования и использования альтернативных решений при ремонтах.

На рис.21 показаны границы существующих допусков дефектов (АВ и ВС), не связанные друг с другом. Формально это означает, что на границах любого из ограничений техническое состояние равноопасно. Но это не так -при одном прогибе менее изношенная связь не только обладает большей прочностью, но и сохраняет больший запас надежности, и наоборот. Решение задачи о связи допусков можно строить на базе критериев прочности, деформационной способности или энергоёмкости. Ранее показано, что последний критерий имеет преимущество комплексного и является наиболее чувствительным к фактору времени. Поэтому для решения задачи он используется в форме сохранения запаса энергоёмкости и приводит к ограничению износа в виде

где т = 1-5-2 в зависимости от жёсткости балки. Другие обозначения и результаты сопоставления даны на рис.21-22. Анализ показывает, что предлагаемый подход выявляет резервы до 30-50% относительно действующих норм. Он нашел отражение в нормативном документе "Методика определения ограничений на срок эксплуатации и уровня повышения прочности судовых конструкций с вмятинами", согласованном с Регистром. Обосновано условие для уровня повышения прочности АР в случае ремонта вмятин путем подкреплений, рис.22.

Изложенный выше подход не может быть прямо распространён на пластины, определяющие техническое состояние листов и их участков, из-за сильного влияния неравномерности износа на остаточные ресурсы пластин. Обратимся к рис.23. Здесь условно показано уменьшение первоначальной площади (энергоемкости) под кривой несущей способности (А) в результате накопления прогибов (1), общего износа (2) и неравномерности износа (3).

(19)

Рис.19 Структура хранения данных в банке ОЕНППХ

Гманос упрмленнс Регистр» Судоходсгы

Фикмскроимис N рукомдспо

Тихоокеански инспекция Регистра

Курггор

Приыорсш ишчугтри ! "—

"^^шор! у Чк' * (

1 ТОО Уаыраиукоааа жиагмоепка

Приморское морское пароходство

12 ь Находкинский

г > ДО

Морской институт ДВГТУ Ри(|багоп

Дальневосточное мореное пароходство

ВОСТОКТРАНСФЛОТ

ДтРЫБА

МП'Судоссрмс*

Рис.20 Начальный этап организационной системы сбора данных о дефектах корпусов

судов в банк ОЕГОЩХ

Кривая (В) характеризует остаточную энергоёмкость. Схема решения близка к той, которая использована для балок, но с учетом третьего параметра -неравномерности износа. Аналитического замкнутого решения получить не удалось. На уровне условия ограничения прогибов оно имеет вид

• сад

где П - процент износа; fp - прогиб разрушения; т] - неравномерность износа. Форма поверхности и её размеры относительно действующих ограничений показаны на рис.24. Анализ позволил сделать следующие основные выводы.

1 .Предложенный критерий сохранения энергоёмкости выявляет существенные резервы (до 2-2.2 раз) относительно действующих норм.

2.Прогибы и износы имеют слабое взаимное влияние. Это объясняет причину того, что многолетняя практика не выявила этого влияния.

3.Неравномерность износа ведёт к необходимости значительного ограничения дефектов и имеет наибольшее влияние на допуски в рамках рассматриваемого критерия.

4.При сочетании дефектов, что для районов экстремальных нагрузок почти всегда имеет место, резервы могут быть малы (обозначение-3, рис.24).

Практическое использование предложенного критерия возможно лишь с применением компьютерной техники. Такая программа - ОРТ - была разработана автором с целью выявления отмеченных резервов и обоснования заключения о возможности отсрочки ремонта на срок до 5 лет. Она ориентирована на сбор статистики по наиболее серьёзным случаям нормативных отказов связей.

В работе дано описание некоторых случаев использования методик.

Ледоколы типа "Ермак" имели в ледовом поясе повреждения в виде остаточных прогибов набора. Судовладельцем была поставлена задача обоснования подкреплений. Расчеты на основе изложенных методик позволили оценить уровень нагрузок, вызвавших эти повреждения. Определённые нагрузки были положены в основу обоснования экономичного способа подкрепления рёбрами-раскосами. Позднее методика была развита и положена в основу алгоритма компьютерной программы "BEAM".

Техническое состояние люковых крышек контейнеровоза "Первомайск требовало замены 600 кв.м полотнищ при годном состоянии набора. На основе компьютерной программы ОРТ были выполнены расчеты остаточных ресурсов и показано, что безусловной замене подлежит 73 кв.м полотнищ.

Финский танкер "Lunni" в Российской Арктике получил значительные повреждения корпуса. Специалисты фирмы Kvaemer Masa-Yard в результате экспертизы пришли к невероятно большим оценкам давлений, до 19 МПа. Прямое сопоставление финской методологии и изложенной в данной работе показало, что давления завышены по меньшей мере в 3 раза.

Рис.21 Существующее (ABC) и вззимосвязаные ограничения износа и прогибов судовых балок

Рис.23 Снижение запаса энергоёмкости пластин с ростом дефектов (1-3) во времени

"20 15 ю теор.шп.

Рис.25 Сопоставление расчётных (а) и фактических (б) районов повреждений ледового пояса танкеров типа "Самотлор"

Рис.22 Схема сохранения запаса энергоемкости при подкреплении

■ f/Ш

А /i /1 ¡I \-2 . Л4 \ Д| .1

1 1 У 1 ' / \х — L/í¡ •»Л

Рис.24 Поверхности ограничений техсостояния (1,2) в координатах дефектов

О)модернизация ' * ■

т. т.

О т. Т. Т, Т

Рис.26 К оценке эффективности модернизации (а) и реновации (б) в процессе эксплуатации судов (Т)

Судно смешанного плавания "Сибирский 2119 имело по днищу вмятины до 65 мм. Ситуация осложнялась тем, что танки в районе повреждений были заполнены топливом. Экспертиза показала возможность отсрочки ремонта на 3,4 года - больше, чем до следующего планового ремонта. В результате отпала необходимость в потере 1 месяца эксплуатационного времени, а сумма предотвращенных затрат и убытков превысила 100.000S.

Американская корпорация AMOCO для освоения нефтегазового месторождения в районе Обской губы спроектировала полярный танкер. Судно могло заменить 6 полярных танкеров типа "Самотлор". В разработке проекта принимала участие фирма Kvaerner Masa-Yard. Он был представлен на экспертизу специалистам СПбГМТУ, привлекшим к работе автора. Опыт проектирования таких судов отсутствует в мире. Правила в области столь больших размерений судов не работают. Для оценки ледовых давлений автор использовал пересчёт с прототипа (т/к "Самотлор") и положения методики моделирования больших деформаций при ударных нагружениях.

Для оперативной компьютерной оценки и прогноза объемов ремонта на класс и при реновации с учетом возможности введения ограничений на условия эксплуатации судна разработана методика автоматизированной экспертизы. При этом учитывается, что базовый вариант расчета надежности связей корпуса уже выполнен в рамках компьютерной системы DEFHULL. В общем случае возможно наложение эксплуатационных ограничений в виде снижения ледового класса, района плавания, бальности волнения при швартовках в море, минимальной осадки носом при балластных переходах и др. Практическая реализация методики позволяет выполнить оперативную экспертизу и предоставить судовладельцу ряд решений для выбора. Реализация алгоритма производится в рамках экспертного блока HULLEXP.

Комплексная экспертиза для проверки основных положений методик выполнена на примере танкеров типа "Самотлор". Основное внимание уделено анализу проблем ледового пояса. Именно для этого района существующая методология проектирования имеет завершенный вид и её ошибки в значительной мере распространяются на другие районы корпуса. Расчеты выполнялись по всей длине судна с учетом изменений в размерах элементов, углов обводов и переменности высоты нагрузки. Элементы рассчитывались как при проектных характеристиках, так и в возрасте 20 лет, чтобы проиллюстрировать влияние коррозионного износа.

Результаты расчетов показали, что представления проектировщиков о прочности были существенно завышены в опасную сторону. По обшивке это завышение доходит до 45%, а для набора - до 135%. В значительной мере на завышение прочности оказывает влияние не учет углов обводов корпуса. Снижение прочности к 20 годам в носовой части для обшивки и набора доходит до 2 раз. Сопоставления даны на рис.25. Расчёты и качественно, и количественно подтверждаются опытом эксплуатации, рис.256.

Заключительная часть главы посвящена экономическому анализу проведения мероприятий в процессе эксплуатации. Показано, что теоретически оптимальные сроки службы могут рассматриваться как время для принятия решений о проведении мероприятий, связанных с уменьшением последствий старения судов. В качестве таких мероприятий могут выступать модернизация или реновация.

Пусть в возрасте Тр принято решение о проведении мероприятия, в

результате которого может измениться стоимость судна, его доходность и эксплуатационные расходы. Для определения экономических показателей (затрат и прибыли) в процессе дальнейшей жизни судна до его списания использовано выражение для суммы среднегодовых приведенных затрат

1 I C_+C„t О C.q„ 1 Т С„. -С„ + С„. -С„

'"+1 (."-г ""

т>\

где С0 - первоначальная стоимость судна; Т - время эксплуатации; Сж -постоянные ежегодные эксплуатационные затраты; Сэр - годовые темпы

роста эксплуатационных затрат; q - фактор возмещения (амортизации) капитальных затрат; Ср - стоимость проведения мероприятия; С^С^, -постоянная составляющая ежегодных эксплуатационных расходов до и после мероприятия; Сер,Сер1 - среднегодовые темпы роста эксплуатационных

расходов до и после мероприятия. Решение реализовано в виде компьютерной программы EFFECT на выходе которой, кроме затрат, определяются среднегодовая прибыль и годовой эффект от проведенного мероприятия. При этом использовано допущение о постоянстве уровня среднегодовых доходов судна во времени.

Рассмотрен вариант модернизации, при котором эффект достигается только за счет увеличения дохода без роста затрат на эксплуатацию. Тогда сопоставление модернизированного и базового вариантов можно представить так, как показано на рис.26а. Видно, что экономически предельный срок службы увеличивается незначительно, а срок окупаемости модернизации и накопленная после неб прибыль зависят от повышения доходности. Рассмотрен вариант реновации, который не меняет доходность судна, но благодаря повышению надежности (или пересмотру представлений о ней), уменьшает темпы роста расходов на его эксплуатацию (ремонт). Тогда сопоставление базового варианта и после реновации будет иметь вид, показанный на рис.266. Как видно, реновация приводит к более существенному увеличению предельного срока службы и весь эффект (накопленная прибыль) достигается только за счет этого.

Расчёты показывают, что эффект от модернизации или реновации можно существенно увеличить при условии совмещения этих процедур. И

наоборот, запоздалая модернизация судна без реновации корпуса может не обеспечить окупаемости вплоть до списания судна. В данном случае специально рассмотрен наиболее неблагоприятный вариант, когда реновация не увеличивает доходности судна, как модернизация. Однако возможности изменения фрахтовых, страховых и портовых ставок, смягчение проблемы "закрытых" портов (которые могут реализовыватъся заинтересованными службами судовладельца) позволяют повысить доходность судна.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В представленной работе решена научная проблема теоретического обоснования и создания методологии расчетного проектирования и комплексной экспертизы надежности судовых конструкций с учётом больших пластических деформаций, коррозионного износа и степени его неравномерности, имеющая важное народнохозяйственное значение.

Результаты работы вносят серьёзный вклад в развитие теории надёжности судовых конструкций в части математического описания условий отказов при экстремальных воздействиях, подтверждённых широкомасштабными экспериментальными исследованиями, и существенно уточняют классические представления о прочности в рамках упругого и предельного пластического анализа.

Основные научные и практические результаты выполненных исследований сводятся к следующим.

1. Сопоставительный анализ условий эксплуатации, нагрузок и повреждаемости корпусов транспортных и промысловых судов показал, что специфика их повреждений в значительной степени связана с характерными, но явно не учитываемыми при проектировании, режимами работы - проводка за ледоколом "на усах" и швартовка во льдах.

2.Предложен численный алгоритм и получена формула для оценки нагрузок, возникающих при швартовках судов во льдах, которые апробированы сопоставлением результатов расчётов и повреждаемости бортов промысловых судов.

3.Выявлены закономерности коррозионного износа наружной обшивки судов, связанные с эксплуатацией в ледовых условиях, в широком диапазоне типов и размерений (от малых рыболовных сейнеров до линейных ледоколов). Предложена концепция их учёта при проектировании ледовых усилений. Выполнены статистические исследования неравномерности реального износа и предложен параметр для его количественной оценки по величинам среднего износа, изученного в значительно большей степени и широко используемого в проектировании.

4.На основе анализа данных натурных испытаний судов и тензометрирования конструкций показана важнейшая роль экстремальных нагрузок с локальными зонами приложения в формировании отказов. Необходимость их учёта при проектировании и экспертизе надёжности требует существенных корректировок расчётных схем и "стандартных"

допущений классической строительной механики корабля, связанных со стержневой идеализацией.

5.Показано, что проектирование судовых конструкций на основе стержневой идеализации по критерию предельной пластической прочности при локальных нагрузках может приводить к погрешностям на порядок и более. Возможность идентификации расчетных и реальных отказов в таких случаях связана с актуальной задачей развития нетрадиционных методов расчета с учетом реальных особенностей коррозионного износа вместо используемого простейшего приёма - коррозионных надбавок.

6.На основе представлений физической дискретизации систем, принципов теории предельного равновесия и соотношений метода конечных элементов разработан и широко апробирован сопоставлениями с экспериментами оригинальный метод расчета для класса физически и геометрически нелинейных задач. Показаны его преимущества в сравнении с используемыми в теории предельного равновесия методами сосредоточенных кривизн (дискретных деформаций) в части учета гибкости (жёсткости) элементов и большая простота решения сложных задач.

7.На основе разработанного метода решён целый ряд важных прикладных задач о работе в области больших пластических деформаций судовых пластин, цилиндрических оболочек, книц, панелей при сдвиге и смятии, балок и перекрытий. В основном, решения доведены до простых зависимостей, удобных как для проектных оптимизационных, так и экспертных задач. Выполнены экспериментальные исследования для проверки полученных решений и оценки погрешностей. Учитывая широкий спектр параметров реальных судовых конструкций и условий их нагружения сформулированы конкретные рекомендации для выполнения проектных или экспертных расчётов.

8.Получено теоретическое решение задачи о разрушении пластин судовой обшивки под поперечной нагрузкой с учётом неравномерности коррозионного износа и асимметрии формы прогибов, проверенное экспериментально. На его основе построены поверхности разрушения (разрыва) для случаев пологих и острых дефектов, существенно уточняющие современные представления о реальных и нормативных отказах судовых конструкций.

9.Для случаев сложных ударных' условий нагружения, когда возможности расчётов ограничены, разработана н апробирована методика моделирования больших деформаций, в основу которой положен комплексный (энергетический) критерий (индикатор) подобия, обеспечивающий возможности пересчетов с модели на натуру даже при существенных отклонениях по другим критериям подобия - Фруда, масс, геометрии. Методика является существенным вкладом в развитие теории подобия и экспериментального моделирования в области близкой к разрушению конструкций.

Ю.Предложена концепция унифицированного банка дефектов и технического состояния корпусов судов, реализованная в форме компьютерной системы ОБПИПХ, получившей поддержку Российского Морского Регистра Судоходства и начато внедрение в Дальневосточном регионе. Компьютерный банк в современных условиях, кроме большого практического значения, нацелен на решение задачи развития теории надёжности судов, прежде всего, в части уточнения понятия отказов и их связи с функциональными и экономическими показателями работа судов.

11.Для уточнения понятия нормативного отказа и выявления неиспользуемых резервов надёжности получено решение для поверхности опасного состояния пластин судового корпуса в координатах дефектов в виде прогибов, общего износа и степени его неравномерности.

12.Разработана методика определения требований к необходимому уровню повышения надёжности изношено-деформированного набора и его обеспечения путём подкреплений или ограничений на условия работы.

13.Предложена концепция оперативного контроля и управления надёжностью корпусов судов (с учётом возможности реновации) на основе упомянутого компьютерного банка и использования системы ограничений спецификационных характеристик судов в эксплуатации, частично реализованная в форме экспертной компьютерной программы ШЛЛ-ЕХР.

14.На основе анализа экономических аспектов проведения мероприятий по повышению надёжности корпусов в эксплуатации показана эффективность такой процедуры, как реновация корпуса, и продление сроков службы судна при условии своевременного её применения.

15 Результаты работы в форме экспертных заключений, нормативных документов и их разделов, согласованных Регистром методик расчета и компьютерных программ, проектов подкреплений судовых конструкций нашли широкое применение в практике и апробированы многолетним опытом эксплуатации. Они используются в учебном процессе Морского института ДВГТУ как в лекционных курсах, так и в подготовке дипломных работ, магистерских и кандидатских диссертаций.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Малахов С.С., Бабцев В .А., Кулеш В.А. О резервах прочности носовых днищевых перекрытий.- В кн.: Судостроение и судоремонт: Межвуз.сб.-Владивосток, 1977, вып.1, с.103-111.

2. Иванов Н.А., Кулеш В.А., Шемендюк Г.П. Анализ предельной прочности носовых днищевых перекрытий при слеминге // Тез. докл. науч.-техн.конф. "Совершенствование эксплуатации и ремонта корпусов судов". -Калининград, КТИРПХ, 1979, с.134-136.

3. Кулеш В.А., Малахов С.С. Анализ закритической работы тонколистовых конструкций с использованием плоских упругопластических

элементов //Тез. докл. науч.-техн.конф. "Совершенствование эксплуатации и ремонта корпусов судов". -Калининград, КТИРПХ, 1979, с.74-76.

4. Иванов H.A., Кулеш В.А. Расчет предельной прочности днищевых перекрытий при действии локальных нагрузок //Эксплуатация судов в Тихоокеанском бассейне. -Владивосток. ДВПИ. Вып. 218.1981, с.32-39.

5. Кулеш В.А. Методика оценки несущей способности тонколистовых элементов на базе теории предельного равновесия и метода конечных элементов // Тез. докл. VIII Дальнее, науч.-техн.конф. "Повреждения и эксплуатационная надежность судовых конструкций". Владивосток, ДВПИ, 1981, с.81-87.

6. Беспалов М.М., Кулеш В.А. Ледовые нагрузки и предельная прочность бортовых перекрытий рыбопромысловых судов. - В кн.: Теория и прочность ледокольного корабля. Горький. ГНИ. 1982, с.50-53.

7. Кулеш В.А., Литвинов Ю.Ф. Исследование работы криволинейных пластин при больших прогибах //Эксплуатация судов в Тихоокеанском бассейне. ДВПИ. -Владивосток. 1984, с.52-59.

8. Кулеш В.А., Литвинов Ю.Ф., Косяченко A.A. Определение нагрузок, возникающих при швартовке судов во льдах //Повреждения и эксплуатационная надежность судов Дальневосточного бассейна. -Владивосток, ДВПИ, 1986, с.67-74.

9. Barabanov N.W., Ivanov N.A. und Kulesh V.A. Aubere Belastungen bei Slamming und die Projektierung von Bodenkonstruktionen// Schiflbauforschung. Rostok. DDR, 1986, N6, p.165.

10. Кулеш B.A. Моделирование конструкций при ударе о воду с учетом больших пластических деформаций // Повреждения и эксплуатационная надежность судов Дальневосточного бассейна. Владивосток. ДВГТУ. Вып. 18. 1987, с.59-66.

11. Иванов H.A., Кулеш В.А. Моделирование больших деформаций и разрушения конструкций летательных аппаратов при ударе о воду // Современные проблемы строительной механики и прочности летательных аппаратов: Тез. докл. Ш Всесоюзн. конф. - Казань. КАИ, 1988, -с.61.

12. Кулеш В.А. Проектирование усилений бортов промысловых судов с учетом особенностей эксплуатации во льдах //Оптимизация сварных судовых конструкций. Владивосток. ДВГТУ. Вып.25.1988, с.23-33.

13. Кулеш В.А., Литвинов Ю.Ф. Прикладные схемы расчета пластин в области больших пластических деформаций //Проектирование судовых конструкций: Межвуз. сб. -Владивосток, 1988, с.87-95.

14. Кулеш В.А., Алексюк A.A., Шемендюк ГЛ. Повреждения и ремонт корпусов типа РС-300 //Повреждения судовых конструкций при эксплуатации судов в ледовых условиях и пути их устранения. Вып.27. ДВГТУ, Владивосток, 1989, с.52-59.

15. Алексюк A.A., Кулеш В.А. Влияние неравномерности износа на деформационную способность пластин судового корпуса // Повреждения

судовых конструкций при эксплуатации судов в ледовых условиях и пути их устранения. Вып.27. ДВГТУ, Владивосток, 1989, с.60-66.

16. Кулеш В Л., Шемендюк Г.П., Алексюк A.A. Узел подкрепления деформированного участка судового перекрытия. Авт. св-во N 1615032 // Бюл. изобр. -1990, N 47.

17. Алексюк A.A., Кулеш В.А. Экспериментальное исследование влияния неравномерности износа на деформационную способность пластин //Совершенствование судоремонтного производства. Вып.29. ДВПИ, Владивосток, 1991, с.48-55.

18. Кулеш В.А. Анализ недостатков проектирования и ремонта корпусов малых рыболовных судов //Тез. докл. XI Дальневосточной научн.-техн. конф. "Опыт проектирования и модернизации судов для ДВ бассейна. -Владивосток. ДВГТУ. 1992, с.38-39.

19. Кулеш В. А. Резервы надежности корпусов судов // Совершенствование проектирования, эксплуатации морских судов и энергетических комплексов. Владивосток. ДВГТУ. Сер.З. Вып.111, 1993, с.26-30.

20. Кулеш В.А., Алексюк A.A. Упругопластический расчет пластин на компьютерах типа IBM. -Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 1993, -32 с.

21. Кулеш В .А., Литвинов Ю.Ф. Проблемы и пути решения вопросов оценки технического состояния плавучих доков //Исследования по вопросам повышения эффективности судостроения и судоремонта. Вып.34. ДВГТУ, Владивосток, 1993, с.71-79.

22. Кулеш В.А. Теоретический анализ процесса накопления остаточных прогибов и отказов пластин судового корпуса // Тез. докл. XII Дальнее, науч.-техн.конф. "Повреждения и эксплуатационная надежность судовых конструкций". Владивосток, ДВПИ, 1994, с.66-70.

23. Кулеш В.А., Алексюк A.A. Программно-методическое обеспечение расчетов местной прочности судовых конструкций в эксплуатации //Транспорт и связь. 4.1. Научные проблемы транспортных пространств транспортной техники: Межвуз сб.научн.тр. / Дальневосточная академия путей сообщения. -Хабаровск: ДВГАПС, 1994, с.63-70.

24. Кулеш В.А., Грибов К .В. Расчет предельной прочности днищевых перекрытий. -Владивосток: Из-во ДВГТУ, 1994, -24 с.

25. Кулеш В.А., Князев В.В. Проектирование базы данных для обработки информации программы "ОРТ7/Тр. ДВГТУ. Сер.З. Кораблестроение и океанотехника. Вып. 113. !994, с.59-63.

26. Kulesh V. Programme and Methodical Calculation of Local Strenght of Marine Structures While Operation. Proceedings of International Shipbuilding Conference (ISC). Section C. Strength and Reliability of Marine Structures. StPetersburg, 1994, p. 166-173.

27. Кулеш B.A., Мостовой B.B., Осин ГЛ. Методологические особенности обновления корпусов судов. //Исследования по вопросам

повышения эффективности судостроения и судоремонта. Вып.36. ДВГТУ, Владивосток, 1995, с.14-20.

28. Алексюк А.А., Иванов С.Н., Кулеш В.А. Опыт применения программы по ремоту вмятин "FRAME". //Исследования по вопросам повышения эффективности судостроения и судоремонта. Вып.36. ДВГТУ, Владивосток, 1995, с.42-49.

29. Кулеш В.А. Методика оценки технического состояния и ремонта плавдока с учетом ограничений на условия эксплуатации. //Исследования по вопросам повышения эффективности судостроения и судоремонта. Вып.36. ДВГТУ, Владивосток, 1995, с.6-13.

30. Кулеш В.А., Грибов К.В. Расчет предельной прочности сложных бортовых перекрытий. -Владивосток: Из-во ДВГТУ, 1995, -32 с.

31. Kulesh V., Vinogradova N. Standardization of Corrosion Wear of Shell Plating for Ice Ships Operations// The Proceeding of International Northern Sea Route (INSROP) Symposium. Tokyo'95 (1-6 Oct), p. 425-430.

32. Кулеш B.A. Методика автоматизации экспертизы корпусов судов при реновации. //Исследования по вопросам повышения эффективности судостроения и судоремонта. Вып.37. ДВГТУ, Владивосток, 1996, с.39-45.

33. Кулеш В.А., Мостовой В.В. Реновация корпусов судов. -В сб. Безопасность мореплавания и ведения промысла. Вып. 2(104). -С.-Пб: Гидрометеоиздат, 19%, с.50-58.

34. Кулеш В.А., Попова Н.Ю. Модифицированный метод поиска для оптимизации судовых конструкций. -В кн.: Тр. межд.конф. "Проблемы прочности и эксплуатационной надежности судов". ДВГТУ, Владивосток, 1996, с.229-231.

35. Кулеш В.А., Попова Н.Ю. Закономерности износа наружной обшивки судов и его нормирование. -В кн.: Тр. межд.конф. "Проблемы прочности и эксплуатационной надежности судов". ДВГТУ, Владивосток,

1996, с.286-292.

36. Kulesh V. Computer Investigation of Construction Reliability //The Proceedings of the Sixth (1996) International Offshore and Polar Engineering (ISOPE-96) Conference. Volume IV. Los Angeles. 1996, p.395-401.

37. Kulesh V., Popova N. Acceleration corrosion wear of ships, woiking in ice //The Proceedings of the Fouth (1996) Pacific/Asia Offshore Mechanics Simposium (PACOM96), Pusan, 1996, p.149-151.

38. Kulesh V.A., Vorontsov I.A., Surov O.E. Design, Operation and Repair Problems of Floating Dock Hulls //The Proceedings of 11 Asian Technical Exchange and Advisory Meeting on Marine Structures (TEAM'97), Singapore,

1997, p.277-284.

39. Kulesh V.A., Vorontsov I.A., Popova N.Y., Mostovoy V.V. Operational Conditions, Damages and Reliability of Tanker Hulls in Russian Arctic //The Proceedings of the KSSC Winter Meeting the Korean Ship and Offshore Structures Committee the Society of Naval Architects of Korea. Ulsan, 1998, p.1-11.