автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.03, диссертация на тему:Расчетное проектирование конструкций машинного отделения по условиям вынужденной вибрации и металлоемкости

о

УДК 629 12

НАНВАЙ

РАСЧЕТНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОНСТРУКЦИЙ МАШИННОГО ОТДЕЛЕНИЯ ПО УСЛОВИЯМ ВЫНУЖДЕННОЙ ВИБРАЦИИ И МЕТАЛЛОЕМКОСТИ

Специальность 05.08.03 - Проектированиеи конструкция судов

□□34483*70

На правах рукописи

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кондидата технических наук

0 2 0НТ2№

Санкт-Петербург 2008

003448370

Работа выполнена на кафедре конструкции судов " Санкт-Петербургский Государственный Морской технический университет".

Научный руководитель доктор технических наук ,

Тимофеев Олег Яковлевич

Официальные оппоненты доктор технических наук,

Крыжевич Геннадий Брониславович Кандидат технических наук, Миронов Михаил Юрьевич

Ведущая организация ФГУП ЦКБ «Алмаз»

Защита состоится «» октября 2008 года в 14-00 часов на заседании диссертационного совета ДО 12 228 01 при Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете по адресу 190008, Санкт-Петербург, ул Лоцманская д 3, Актовый зал

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Санкт-Петербургского Государственного Морского технического университета.

Автореферат разослан «_££_» С2нт%6р9х. 2008 г

Ученый секретарь диссертационного совета, Д т.н, профессор

Гайкович А И

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Развитие транспортного флота, повышение конкурентноспособности транспортного судостроения на мировом судостроительном рынке тесно связано с улучшением обитаемости судовых жилых и служебных помещений и обеспечением заданного ресурса корпусных конструкций Одним из основных факторов, прямо влияющих на обитаемость и появление усталостных трещин в конструктивных узлах, является вынужденная вибрация корпусных конструкций, вызванная периодическими силами, передающимися с динамически неуравновешенных машин и механизмов на их фундаментные конструкции. Применяющиеся в российской практике методы прогнозирования параметров вынужденной вибрации и построенная на их основе нормативная база использует модели и подходы, использующие принцип разделения конструкции на пластины, балки и перекрытия Такие подходы недстаточно учитывают взаимное влияние конструктивных элементов, форму корпуса, в частности, в оконечностях. Проектирование конструкций по условиям ограничения параметров вынужденной вибрации для повышения конурентноспособности судна требует привлечения современных численных методов и разработки на их основе проектировочных процедур. Особую роль актуальность такие задачи имеют для конструкций машинного отделения - основного источника постоянной вибрации корпуса.

Целью настоящей работы является разработка метода проектирования конструкций машинного отделения по условиям ограничения параметров вынужденной вибрации. Достижение поставленной цели требует выполнения следующих задач исследования:

1. Разработка методов расчета вынуждающих вибрацию сил от неуравновешенных двигателей внутреннего сгорания произвольных параметров;

2 Исследования применимости современных численных методов к задаче прогнозирования параметров вынужденной вибрации конструкции машинного отделения;

3. Разработка способа оптимального проектирования конструкции фундамента в машинном отделении

Методы исследований. Решение поставленных задач потребовало привлечения следующих методов исследования- кинематика и динамика машин и механизмов, численные методы исследования динамики конструкций, методы оптимального проектирования. Научная новизна и основные научные результаты: 1. Разработан метод и расчетные зависимости для сил, передаваемых на фундамент произвольного ДВС. Метод верифицирован по экспериментально-расчетным данным

2 Исследована возможность применимости современных численных методов к решению задач вынужденных колебаний судовых корпусных конструкций, выбраны расчетные параметры модели и сформированы рекомендации по использованию стандартных пакетов, реализующих МКЭ, в задачах расчета вынужденной вибрации судовых конструкций. 3. Предложен метод топологической оптимизации конструкции, работающей в условиях вынужденнной вибрации, основанный на установке локальных усилений в районах пучности различных форм колебаний

Внедрение результатов Результаты работы включены в содержание курсов, читаемых для студентов и аспирантов Санкт-Петербургского Морского Технического университета: «Конструкция корпуса морских буровых установок» (специальность 1801).

Апробация работы Результаты и основные части работы докладывались на российских и международных научно-технических конференциях (Санкт-Петербург) на кафедре Конструкции судов Санкт-Петербургского Государственного Морского технического университета.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 работы.Из них 1 тезис доклада выполнен в соавторстве, доля автора 50 %. В изданиях, определяемых Перечнем ВАК РФ опубликована 1 статья,выполненная в личном авторстве

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы Работа содержит 144 станиц текста (с 27 таблицами и 75 рисунками) Список литературы состоит из 94 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение. Проблема вибрации судовых конструкции постоянно привлекает внимание проектантов судов, осбенно в последние десятилетия, с появлением относительно высокооборотных двигателей, работающих на гребной винт с длинным валопроводом, где в качестве возмущающих присутствуют силы с широким диапазоном частот и амплитуд Предварительный обзор работ по вибрации корабля позволяет условно разделить процесс вибрации на две категории

1 Общая вибрация, при которой в процесс колебаний вовлекается весь или большая часть судового корпуса,

2 Местная вибрация, при которой осцилирует ограниченный район конструкции.

Во введении отмечается условность такого разделения, так как общая и местная вибрация взаимосвязаны по параметрам, масштабам и возбуждающим силам По силам возбуждающий вибрацию процесс отклика конструкции может быть разделен на постударную вибрацию (слеминг, удары о лед) и вибрацию с постоянным подводом энергии (ходовая волновая вибрация, вибрация, вызванная работой двигательно-движительной установки).

Расчётное проектирование затрагивает две проблемы: 1. Проблему определения внешних сил

2 Проблему определения внутренних параметров конструкции, находящейся под действием внешних сил

По этой причине в диссертации рассматриваются вопросы анализа реактивных усилий, передаваемых с корпуса неуравновешенного двигателя внутреннего сгорания и численные методы прогнозирования состояния конструкции под действием периодических сил Алгоритм применяемой процедуры расчетного проектирования приведен на рис 1.

Исходные данные: характериски ДВС, начальная топология конструкции

1

Определение начальных прочных размеров конструктивних элементов из _условия статической прочности_

I

Определение характеристик возбуждающих сил (амплитуд, частот, фазовых сдвигов) по характеристикам ДВС.

1

Определение параметров вынужденной вибрации конструкции

Удовлетворяются^----- Сопоставление

<4-<^~параметров вынужденной вибрации

с допускаемых уровнем

нет

Изменение прочных размеров конструктивных элементов Введение дополнительных конструктивных подкреплений в районах пучности колебаний ( топологическая оптимизация)

Рис 1 Алгоритм применяемой процедуры расчетного проектирования

В диссертации рассмотрены работы, посвященные реализации отдельных блоков алгоритма. Проблема прогнозирования внешных сил, передавамых от ДВС на фундамент рассматривалась в работах Артнмова Г А., Беседина В Н, Радченко В.А., Яковлева Г В Вопросам определения параметров свободной и вынужденной вибрации конструкцций посвящены труды Барабанова Н В., Калинина В С., Курдюмова А А., Маттес НВ, Пановко Я.Г, Полякова В И., Ростовцева ДМ, Сиверса Н.Л, Тимошенко С.П , Шиманского Ю А., Щукиной Е Н.

Глава 1 диссертации содержит анализ проблем прогнозирования внешних сил, вызывающих вынужденную вибрацию конструкций машинного отделения. Осцилирующие силы в районе машинного отделения иницииются вращением гребного вала и гребного винта, а также работой различных механизмов В таблице 1 представлены диапазоны вращения различного типа агрегатов, расположенных в машинном отделении

Таблица 1 Диапазоны возбуждающих частей агрегатов, расположенных __в машинном отделении _

Наименование механизма Чистота вращения, об/мин

1 Главные двигатели 100-1 ООО

2 Турбины 8 000-16 000

3 Дизель-генераторы 500-1500

4 Газотурбонагнетатели 8000-10000

5 Электрокомпрессоры 900-1200

6 Водяные электонасосы 500-1500

7 Масляные электонасосы 700-1500

8 Турбонасосы 5000-6000

9 Топливные электронасосы 700-1500

10 Электровентиляторы 600-2000

11 Гребные винты

Первый порядок 100-400

Лопастный порядок 300-1600

12 Валопровод 100-400

Наибольшие по амплитуде силы вызываются работой главной энергетической установки (ГЭУ) В случае, если в качестве ГЭУ используется ДВС, который по своей конструкции является динамически неуравновешенным механизмом, амплитуды сил, передаваемых на фундамент,вызывают значительную вибрацию конструкций МО. В дальнейшим воздействии ДВС на конструкцию МО является главной темой исследования настоящей главы В рамках работы над первой главой диссертации разработан универсальный алгоритм и программное обеспечение по прогнозированию периодических сил,передавающихся с ДВС произвольного типа на конструкции фундамента.

Базовый блок алгоритма - расчётные зависимости для реакций на фундаменте от работы одноцилиндрового ДВС. При работе одноцилиндрового ДВС возникают следующие внешние неуравновешенные силы, центробежные силы инерции вращающихся масс, силы инерции поступательно движущихся масс, моменты сил инерции, опрокидывающий момент, силы давления газов в цилиндре ДВС В расчетной модели необходимо учесть период изменения давления газов в цилиндре:

- Для двухтактного двигателя период изменения давления соответствует одному обороту коленчатого вала,

- для четырехтактного двигателя период изменения давления соответствует двум обороту коленчатого вала

Схема сил, передавающихся с кривошипно-шатунного механизма показана на рис. 2.

Результаты прогнозирования изменения внешних сил, воздействующих на фундамент одноцилиндрового ДВС за время одного оборота коленчатого вала показаны на рис.3

поршень

крейцкопф

хр =r(I-cosátf) + r /2¿sin2 Ш

Суммарная неуравновешенная центробежная сила'

с=

п

к=\

03

Сила инерции поступательно движущейся массы

Qs = -М,Ка2 у

Сила разложена на вертикальную и горизонтальную составляющие:

С, - СсОБйЙ Су =СБт£У/

Геометрическая сумма моментов отдельных кривошипов:

М

д

, пi

*=1

(О

Момент разложен на вертикальную и горизонтальную составляющие:

МД2 = Мд sin cot, МДу = Мд eos cot'

Силы давления газов,

F^P^A

Fgas={Gp-mi25)xA

Рис 2 Основные зависимости периодических сил для одноцилиндрового

две.

Рис. 3 Циклические диаграммы внешних сил, передаваемых от одноцилиндрового ДВС на фундамент. 1- давление газов (bar), 2-момент инерции (кН м), 3- Вертикальные силы (кН), 4 - Горизонтальные силы ( кН), 5- Тангенциальные силы (кН).

В рамках подготовки материалов первой главы разработан алгоритм и программное обеспечение расчета осцилирующей нагрузки, вызываемой работой рядного и V-образного ДВС (двухтактного или четырехтактного) с произвольным числом цилиндров. Алгоритм основан на трёхмерном суммировании сил и моментов (рис 4)

Проведена верификация расчётной схемы сопоставления значений внешних сил для судового дизеля 6 S42MC Данные по значением внешних сил получены от производителя ДВС Максимальная погрешность расчета внешных сил, полученных с помощью разработанных программ, составили не более 3 %

„ Диаграмма «и и моментов первого а<у*Ж> Р*Эн>гоДВС к ю* Диаграмма ост и моментов второю поряди ряднотоДВС

Рис 4. (а) Циклические диаграммы внешних сил и моментов первого (а) и второго порядков (б), передаваемых от двухтактного рядного шестицилиндрового ДВС на фундамент. Расчётное проектирование конструкций, работающих в условиях вынужденной вибрации, необходимо вести в условиях ограничений на параметры вибрации, а именно: виброскоростей, виброускорений и вибранапряжений. Ограничения на эти параметры присутствуют в Правилах всех класификационных обществ. В часности, ограничения наупомянутые параметры в Правилах Российского морского Регистра

! а) "г... б) «•■г«,

| Рис. 5. Допустимые значения вибропараметров по Правилам РМРС: а) виброскорости (мм/с), б) виброускорения (мм/с2), (1 - жесткие связи корпуса и надстройки, 2 - балки набора, опорные балки фундаментов, 3 -

пластины судового корпуса) Допускаемые выбрационные напряжения в сварных швах 40 МПа для стальных конструкций (предел текучести 235-390 МПа) и 20 МПа для аллюминиевых корпусных конструкций (предел текучести 150-220 Мпа).

11

В Правилах РМРС содержатся так же ограничения на вибрационные напряжения в основном металле пластин судового корпуса и балках набора Ограничение на вибрационные напряжения в пластинах и балках зависят не только от параметров конструктивного элемента (толщина пластины, ее размеры,пролёт балки, моменты инерции и сопротивления балки), но и от разности амплитуд колебаний на опорном контуре и центра пластины или середины пролета балки.

Глава 2 диссертации посвящена описанию авторских подходов к расчётным процедурам свободной и вынужденной вибрации судовых корпусных конструкций Первый раздел содержит кроткое изложение основ метода конечных элементов как вариационно-разностного метода решения уравнений механики системных сред В часности описаны матричные уравнения МКЭ, применяемые для решения задач свободной и вынужденной вибрации в форме проблемм собственных значений В следующем разделе автор систематизирует свой опыт построения моделей различной сложности для решения задач вынужденной вибрации судовых конструкций. Рассматриваются особенности применения элементов различного типа, выделяются три основные группы элементов: оболочки, стержни и балки. Наиболее разнообразно в программных продутах представлены конечные элементы, моделирующие поведения оболочек. Для последующего анализа выбираются следующие типы оболочечных элементов

• четырёхузловой упругий конечный элемент,

• четырехузловой упругий конечный элемент с возможностью учета физической и геометрической нелинейности,

• восьмиузловой конечный элемент (с промежуточным узлом на грани элемента)

• четырёхузловой конечный элемент повышенной точности.

Выбор типа конечного элемента и его размера проводится по следующим критериям:

• минимизация вычислительных ресурсов (время расчёта и требуемая оперативная память)

• достижение достаточной для практических целей точности моделирования

Точность моделирования оценивалось сопоставлением результатов расчёта, а именно, начальных частот собственных колебаний с известными решениями для задач двух видов

• пластина, свободно осцилирующая в воздухе;

• пластина, свободно осцилирующая в жидкости (жидкость присутствует с одной стороны пластины),

• пластина, свободно осцилирующая в жидкости (жидкость присутствует в двух стороны пластины).

Для каждого вида задачи варьированы граничные условия и размер конечного элемента в диапазоне от 1/16 до 1/2 размера короткой стороны пластины (щпации).В качестве тестового решения прнято следующие-

• решения Щиманского Ю.А ;

• решения по методике ЦНИИ име академика Крылова А.Н.;

• опубликованное решения методом Рэлея.

Примеры сопоставления численных решений в координатах - размер КЭ, тип КЭ с известными решениями показан на рис 6 .

Сопоставление численных решений пластины по МКЭ с учётом присоединённых масс

Тон частот

Рис. 6 Сопоставления численных решений по МКЭ с известными решениями • решение с учетом присоединёных масс (•- аналитическое

решение)

Общий вывод, необходимый для дальнейшей работы, который можно сделать по результатам анализа следующий: необходимая точность прогнозирования частот колебаний пластин с

присоединёнными массами достигается при размере конечного элемента 1/16 - 1/8 щпации и использовании четырёхузлового оболочечного конечного элемента. Дальнейшее исследование с целью выбора оптимальной расчётной схемы провидилось на модели судового перекрытия (рис. 7.) с несколькими балками главного направления и

(б)

Рис. 7. Исследуюемые модели судового перекрытия: (а) модель перерытая с балочными КЭ; (б) модель перерытая с оболочечными КЭ В модели судового перекрытия варьировался способ учёта балок. Балки моделирования одним из трёх способов:

• моделирование стенки балок и пояска балки элементами оболочек. Такая модель требует максимума вычислительных ресурсов;

• моделирование стенки балки элементами оболочки, а пояска балки стержневыми элементами работающими на растяжение-сжатия;

• моделирование балок одного из направлений балочными конечными элементами (изгиб в двух плоскостях, растяжение -сжатие и кручение) с предварительно заданной геометрией типового поперечного сечения.

Минимальную невязку, как показывает анализ проведённых серийных расчётов, даёт модель где обшивка и рамные связи (стенка балки и свободный поясок) моделируется конечными элементами оболочки, а балки главного направления моделируются с помощью балочных элементов с предварительным определением характеристик поперечного сечения. Используя результаты анализа по выбору

14

оптимального размера и типа элемента, была построена конечно; элементная модель конструкции машинного отделения контейнеровоза протяжённостью в отсек по горизонтали и по вертикали от основной плоскости до полубы кормовой надстройки (рис 8).

(а) (б)

Рис. 8. Модель машинного отделения контейнеровоза в конечно-элементном виде :(а) Левый борт МКО (б) Правый борт МКО.

Эта модель в дальнейшем использовалась в процедуре расчётного проектирования.

Заключительной раздел главы 2 посвящен выбору спасоба приложения внешных сил (осцилирующие силы от работы ДВС) на опорные корпусные конструкции. Принципиально возможны следующие способы приложения внешних сил (с учётом массы ДВС).

1. Разложение неуравновешенных продольного и поперечного моментов ДВС на силы в опорных точках фундамента;

2. Построение объёмной модели ДВС с учётом его массы, сопряжение модели ДВС с моделью конструкции в опорных точках и приложение неуравновешенных осцилирующих моментов ДВС, полученных в главе 1 к центру тяжести ДВС.

3. Расширение предыдущего способа применения в точках сопряжения (точках опор) моделей амортизоторов - точечных элементов с заданной жёсткостью и демпфрированием по всем шести-степеням свободы. Такая модель позволяет принципиально в явном виде учитывать влияние

амортизационного оборудования на вынужденные колебания опорной конструкции Глава 3 диссертации содержит авторские подходы к разработке вычислительной технологии расчетного проектирования судовых конструкций, работающих в условиях вынужденной вибрации. Первый раздел главы носит обзорный характер и содержит общую формулировку задачи оптимального проектирования конструкций. Рассматривается понятия переменных проектирования, в состав которых включены не только прочные размеры конструктивных элементов и их обобщённые характеристики (например, геометрические параметры поперечного сечения балок), но и топологические переменные (количество конструктивных элементов определенного типа, их расположения и т.д.) Дается классификация ограничений- технологические, нормативные, ограничения на параметры напряжённо-деформированного состояния. Приводятся примеры области параметров проектирования. В разделе анализируются применяемые при оптимизации функции цели- масса конструкции и стоимость конструкции Отмечается ограниченность практического применения последнего критерия из-за неопределённостей в прогнозировании таких компонент стоимости как стоимость сварочных работ, стоимость изготовления конструктивных элементов и стоимость их сборки и монтажа В заключении раздела рассматриваются особенности задач оптимизации, в которых переменными проектирования являются результаты решения проблемы на собственные значения. К такому классу относятся задачи анализа свободной и вынужденной вибрации конструкции. Второй раздел главы 3 демострирует технологию расчётного проектирования конструкций машинного отделения на примере проектирования фундамента под главную энергитическую установку. В качестве главного двигателя использован ДВС, описанный в Приложении 1 диссертации. Конечно-элементная модель фундамента и ДВС показаны на рис 9.

Рис 9. Конечно-элементная модель фундамента ГЭУ контейнеровоза.

Расчётное проектирование фундамента проводилось в | следующей последовательности:

1. Начальные значения прочных размеров основных связей (флоров, ; настил второго дна, обшивка днища, днищевые стрингеры, продольные ; фундаментые балки) определялись по нормам классификационного ; общества из условий статической прочности конструкции на действия | гидростатического давления и массы ГЭУ (Приложение 3 диссертации).

2. Расчёты вынужденной вибрации показали, что максимальные значения вибронапряжений, виброскоростей и виброускоений достигаются в стенках продольных фундаментных балок. По этой

: причине за основные переменные проектирования было принято количество поперечных бракет стенки фундаментной балки и их толщина.

3. Поиск оптимального сочетания количества и толщины бракет вёлся методом построения двумерных функций влияния параметров проектирования на вибропараметры с одновременным вычислением

целевой функции (массы конструкции). Примеры построенных зависимостей приведены на рис. 10.

4. Оптимальный вариант выбирался из всех допускаемых по ограничениям на вибропараметры из условия минимальной массы.

Виброперемещение

(а)

Вибронапряжение

(б)

Рис .10 Зависимость виброперемещений ( а) и вибронапряжений (б) от

толщины и количества бракет. 18

Заключение содержит краткое изложение основных научных результатов диссертации, которые можно сформулировать следующем образом:

• Проведен качественный анализу источников вибрации конструкций машинного отделения транспортных судов Основной источник вибрации - работа двигателей внутреннего сгорания, которые являются неуравновешенными механизмами.

• Разработан подход к расчётному проектированию конструкций машинного отделения, который включает необходимость разработки процедуры и программного обеспечения расчета внешных сил, передаваемых на фундамент ДВС, разработки процедуры расчёта параметров вынужденных программных продуктов, разработки методов принятия оптимальных решений по назначению прочных размеров конструктивных элементов с учетом действующих норм.

• Разработаны процедуры и программное обеспечения по расчету периодических сил, передаваемых ДВС с произвольным количеством цилиндров, рядных или У-образных, двухтактных или четырёхтактных

• Разработаны основные параметры численной модели расчета вынужденной вибрации конструкций (размер конечного элемента, типы применяемых конечных элементов, способы передачи внешных осцилирующих сил на фундамент) Расчетной подход верифицирован по надёжным аналитическим моделям

• Полученные результаты использованы в процедуре расчётного проектирования конструкции, работающей в условиях вынужденной вибрации, использующую понятия методов оптимизации корпусных конструкций

Все разроботки проиллюстрированы многочисленными расчетными примерами.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

В изданиях, рекомендованных перечнем ВАК:

1 Нан Вай (Мьянма) Расчет вынужденной вибрации перекрытий машинного отделения судна (статья). // Нан Вай Расчет вынужденной вибрации перекрытий машинного отделения судна // журнал «Естественные и технические науки (Кораблестроение)». № 6, 2007. Ст.198-199.( автор -100%)

В других изданиях:

2. Нан Вай (Мьянма) Опыт моделирования вынужденных колений конструкции машинного отделения судна (тезисы) XXII Международная конференция по математическое моделирование в технике деформируемых тел и конструкций Методы граничных и конечных элементов 24-27 сентября ,2007,Санкт-Петербург.Ст-86-87. ( автор -100%)

3 О Я Тимофеев, Нан Вай Расчетная процедура параметров вынужденной вибрации конструкции машинного отделения (тезисы докладов) Конференция по строительной механике корабля памяти профессора П Ф Папковича 29-30 Ноября 2007г. Санкт-Петербург. Ст-111-112. (автор-50%)

ИЦ СПбГМТУ, Лоцманская, 10 Подписано в печать 09 09 2008 Зак 3632 Тир 80 1,0 печ л

Введение

1. Анализ внешних усилий, вызывающих вибрацию корпусных конструкций машинного отделения

1.1 Источники вибрации машинного отделения судна и их классификация

1.2 Расчетная методика определения внешних гармонических усилий на * * основные силовые конструкции

1.3 Динамика кривошипного механизма

1.4 Неуравновешенность многоцилиндровых рядного и У-образного ДВС

1.5 Требования Российского морского Регистра судоходства к параметрам внутренней вибрации

2. Численное определение параметров свободной и вынужденной вибрации силовых конструкций машинного отделения

2.1 Метод конечных элементов в решении стационарных динамических задач строительной механики

2.2 Исследование модельных параметров типовых конструкций машинного отделения и выбор оптимальной идеализации

2.3 Расчет модальных характеристик силовых конструкций машинного отделения со малоборотным дизелем

2.4 Определение амплитуд вынужденной вибрации конструкций машинного отделения для стандартных режимов

3. Подход к проектированию силовых конструкций машинного отделения из условий снижения параметров вибрации и металлоемкости

3.1. Постановка проектной задачи как задачи оптимизации

3.2. Анализ влияния проектных параметров на массовые и динамические . характеристики типовых конструкций

3.3. Проектировочный расчет конструкции фундамента из условий снижения амплитуд перемещений и скоростей вынужденной вибрации при сохранении/улучшении массовых показателей

Проблема вибрации судовых конструкции с особой остротой встала перед инженерами - судостроителями при появлении на судах и кораблях относительно высокооборотных двигателей, работающих на гребной винт с длинным валопроводом.

Первый механический двигатель - паровая машина - работала на тихоходные гребные колеса. Корпус таких пароходов был на первых порах деревянным, что обеспечивало высокое отношение жесткость/масса конструкции. С переходом на паровые турбины и гребной винт повысилась частота возбуждающих вибрацию внещних сил. Металлический корпус с меньшим соотношением жесткость/масса, чем деревянный, имеет более высокие частоты собственных колебаний конструкции таких судов имели худшие вибрационные характеристики, что отрицательно сказывалось на долговечности клепаных соединений, которые «ослаблялись» под действием вибрации. Положение усугубилось с установкой на суда неуравновешенных двигателей внутреннего сгорания - двигателей Дизеля. Широкое использование двигателей Дизеля началось с применения в 1903 году главной машины мощностью 25 л.с на одном из судов в акватории реки Волги. Серьёзность проблемы вибрации в начале 20-го века подтверждается эпизодом, описывающим процесс регистрации местной вибрации при сдаточных испытаниях эскадренного миноносца в книге А.Н. Крылова . «Мои Воспоминания». В кормовом районе верхней полубы устанавливалась табуретка, на которую ставился стакан с водой. Если половина жидкости в стакане выплёскивалась под действием вибрации, то констатировали, что "вибрация составляла половина стакана." Если исчезала четверть жидкости, то "вибрация составляет четверть стакана". Предварительный обзор работ по вибрации корабля позволяет условно разделить этот процесс периодических колебаний корпусных конструкций на:

1) Общую вибрацию, при которой в процесс колебаний вовлекается весь или большая часть судового корпуса;

2) Местную, при которой осцилирует ограниченный район конструкции.

Необходимо отметить условность такого разделения, т.е., общая и местная вибрация взаимосвязаны по параметрам, масштабам и возбуждающим силам. В зависимости от применяемых традиционных расчетных моделей, местная вибрация может подразделяться на:

• вибрацию пластин;

• вибрацию балок набора;

• вибрацию перекрытий .

Условность такого подразделения подтверждается высокой чувствительностью результатов прогнозирования параметров вибрации (амплитуд и частот колебаний) к граничным условиям и схемам идеализации конструкции (пластины, балки с присоединенным пояском, перекрытия). Повышение точности прогноза должно обеспечиваться применением более адекватных универсальных методов, основанных на применении вычислительной техники.

Процесс вибрации - энергоемкий физический процесс, для инициации или поддержания которого необходим разовый или постоянный подвод энергии. При разовом подводе энергии (например, при ударах о волны - слеминге или ударах о лед) колебания затухают. Корпус судна может испытывать последствия удара на протяжении нескольких десятков секунд. На рис В.1 показана запись параметров постударной общей вибрации корпуса судна, причиной которого является удар носовой оконечностью судна о крупное ледовое образование.

Настрой» Загись ГЬооотр " Проо.«трреэупьтатоп~*-— " " --- —--------"" "*" ~ ' 1 " — - - —- - - ~ • ■ - г5 /1 <

125 и. л

711 83 ---- Л*88 . V 1 к ч4*

125 \ ч

Ш 02 03 04 05 05 ОГ 03 03 10 11 12 13 14 15 16 17 18 13 20 21 22 23 24 25 26 2? 2« 23 Л 31 32 Частота Ценена

• аоог ддддддопдг дддддг дддддддддг дд ато

Файл результатов 0 \fednrrrv2005\lcetoads\2005Q911 10000Ш Л*. длительность загнем 1535.4250сгк

Рис В. I Запись датчика продольного угла поворота поперечного сечения (1), продольной и поперечной компоненты горизонтального ускорения (2, 3) и двух датчиков деформаций (4) после удара левым бортом форпика о консолидированную часть тороса на скорости 6.1 уз.

При постоянном подводе энергии осциляции конструктивных элементов носят установившийся характер. Внешние силы постоянного характера, вызывающую вибрацию корпусных конструкции по источникам возбуждения могут быть классифицированы следующим образом

• Ходовая вибрация, вызываемая регулярным периодическим воздействием волн на корпусе судна. Волновая вибрация -общая вибрация корпуса, как плавающей балки, наблюдается на низших частотах собственных колебаний корпуса (0.5 - 2.0 Гц);

• Вибрация конструкций в районах установки оборудования с вращающимися или движущимися элементами (двигатели внутреннего сгорания, турбины, электродвигатели, генераторы, компрессоры, насосы и т.д.) Значительная местная вибрация конструкций достигается, если частоты возбуждающих сил близки к частотам собственных колебаний конструкции, т.е., конструкция эксплуатируется в ре леи мах, близких к резонансному. Резонансный режим значительно сокращает долговечность конструкции из-за быстро развивающихся усталостных повреждений.

• Отдельно принято выделять вибрацию, вызываемую вращением гребного винта и валопровода. Водопровод, опирающийся на подшипники, подвержен крутильным колебаниям, которые передаются на окружающие конструкции. Вращаясь, вал с закрепленным на нем массивным гребным винтом, изгибается, что вызывает дополнительные пульсации реакций на опорных подшипниках. Частота упомянутых периодических возбуждающих сил, передаваемых на корпусные конструкции равна частоте fв вращения гребного вала. Еще одним источником периодических сил является пульсации давления при прохождении лопасти гребного винта вблизи наружной обшивки кормовой оконечности. Частота пульсаций давления равна /в •пв 5 где пв - количество лопастей гребного винта ( рис . В.2).

Машинное отделение

Рис.В.2. Пульсации давления на лопастной частоте в районе кормовой оконечности.

Целью настоящей работы является разработка метода анализа вибрации конструкций машинного отделения, основанного на использовании пакетов численного моделирования. Конструкция машинного отделения нагружается осциллирующими силами от неуравновешенной дизельной энергетической установки. Завершающая часть работы описывает метод выбора размеров прочных конструктивных элементов машинного отделения по условию отстройки частот вынужденных сил и собственных колебаний.

Общий алгоритм разрабатываемой процедуры показан на рис.

Расчётное проектирование рассматриваемых конструкций затрагивает две проблемы:

1. Проблему определения внешних сил

2. Проблему определения внутренних параметров конструкции, находящейся под действием внешних сил.

По этой причине в диссертации рассматриваются вопросы анализа реактивных усилий, передаваемых с корпуса неуравновешенного двигателя внутреннего сгорания на

В.З. фундаментные конструкции и численные методы прогнозирования состояния конструкции под действием периодических сил. Сопоставление параметров вынужденной ^""-^нет

Удовлетворяются^-^?®Рации с допускаемых уровнем^-^^ г

Изменение размеров прочных конструктивных элементов. Введение дополнительных конструктивных подкреплений в районах пучности колебаний (топологическая оптимизация)

Рис В.З. Алгоритм применяемой процедуры расчетного проектирования

Основные результаты работы можно изложить следующим образом:

• Проведён качественный анализу источников вибрации конструкций машинного отделения транспортных судов. Основной источник вибрации - работа двигателей внутреннего сгорония, которые являются неуравновешенными механизмами.

• Разработан подход к расчётному проектированию конструкций машинного отделения, который включает необходимость процедуру и программное обеспечения расчёта внешных сил, передаваемых на фундамент ДВС, процедуру расчёта параметров вынужденных программных продуктов, методы принятия оптимальных решений по назначению прочных размеров конструктивных элементов с учётом действующих норм.

• Разработаны процедуры и программное обеспечения по расчёту периодических сил, передаваемых ДВС и произвольным количеством цилиндров, рядных или У-образных, двухтактных или четырёхтактных.

• Разработаны основные параметры численной модели расчёта вынужденной вибрации конструкций (размер конечного элемента, типы применяемых конечных элементов, способы передачи внешных осцилирующих сил на фундамент). Расчётной подход верифицирован по надёжным аналитическим моделям.

• Полученные результаты применены в процедуре расчётного проектирования конструкции, работающей в условиях вынужденной вибрации, использующую понятия методов оптимизации корпусных конструкций.

Все разработки проиллюстрированы многочисленными расчётными примерами.

Заключение

1. Артемов Г.А, Волошин В.П,Захаров Ю.В,Шквар А.Я. Судовые энергетические установки Л.:СудостроениеД987.

2. Ашик В.В. Проектирование судов. JL: Судостроение, 1985.

3. Бабаев Н.Н.,Лентяков В.Г. Некоторые вопросы общей вибрации судов.СУДПРОМГИЗ . Ленинград 1961 г.

4. Барабанов Н.В. Конструкция корпуса морских судов. Издательство. Судостроение. Ленинград 1969 г.

5. Беседин В.Н , Чурбанов Б.М. Судовые дизельные установки. Методические указания к дипломному проектированию. Изд.ЛКИ Ленинград, 1989.

6. Бронников A.B. Морские транспортные суда. Л., Судостроение, 1984. Бронников A.B. Проектирование судов. Л., Судостроение, 1991.

7. Басов К. A .ANSYS в примерах и задачах.Москва .Компыотер.2002 г.

8. Басов К.А.Графический интерфейс комплекса ansys.Самоучитель Д.М.К, 2006.

9. Бронский А.И., Глозман М.К, Козляков В.В. Основы выбора конструкций корпуса судна. Издательство. Судостроение. Ленинград 1974 г.

10. Ю.Бойцов Г.В., Палий О.М. , Постнов В.А., Чувиковский B.C. Справочник по строительной механике корабля.В 3-х томах. Л.Судостроение, 1982 г.

11. П.Васильев А.Л. Введение в проектирование конструкций корпуса судов. Ленинград 1984 г.

12. Васильев А.Л.,Глозман М.К.,Голубев В.А.,Сборовский А.К. Судовые фундаменты. Издательство. Судостроение. Ленинград 1969 г.

13. Гаврилов М.Н. Вибрация на судне. Москва "Транспорт" 1970 г.

14. Гайкович А.И. Проектирование контейнерных судов. Часть-1.Учебное пособие.Л.1985.

15. Галлагер Р.Метод конечных элементов. Основы, (перевод с английского В.М. Картвелишвили). Москва. « МИР »,1984.

16. Гарин Э.Н. Поисковые методы в проектировании судовых корпусных конструкций, устройств и систем. Учебное пособие, Санкт-Петербург 2006.

17. Горбачев К.П.Метод конечных элементов в расчетах прочности. Судостроение. Ленинград 1985 г.

18. Давыдов В.В., Маттес Н.В. Вопросы вибрации ,« Морской флот », 1942,№10.

19. Давыдов В.В., Маттес Н.В. Динамические расчеты прочности судовых конструкций. Ленинград 1974 г.

20. Ден-гартог Дж. П. Механические колебания. Перевод с английского. Москва 1960.

21. Емельянов П.С . Судовые энергетические установки.Тексты лекций. Санкт-Петербург 2006.

22. Журнал "Significant ship" 1998, 1999, 2000, 2001.

23. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике.Перевод с английского .Под редакцией акад. Б.Е.Победри. Издательство «Мир».Москва 1975.

24. Иванюта Э.И. Определение коэффициентов внутреннего сопротивления при расчетах вынужденной вибрации корпуса.Судостроение ,1982.№12.

25. Иванюта Э.И., Сочиинский C.B. Определение параметров общей вибрации корпуса судна с учетом взаимодействия его отдельных конструкций,- Судостроение ,1974.№ 6.

26. Калинин B.C., Постнов В.А.Основы теории оболочек. Учебное пособие. Ленинград 1974 г.

27. Каплун А.Б., Морозов Е.М.,Олферьева М.А. ANSYS в руках инженера « Практическое руководство» , Москва.2003.

28. Клюкин И.И. Борьба с шумом и звуковой вибрацией на судах. Издотельство « Судостроение » JI. 1971.

29. Короткин А.И. Присоединенные массы судна. Справочник. Л.Судостроение 1986.

30. Короткин Я.И. Вопросы прочности морских транспортных судов. Ленинград 1965 г.31 .Крылов А.Н. Вибрация судов.М.Л.ОНТИ.1936.

31. Курдюмов A.A. Вибрация корабля. Издание 2-е. Издотельство судостроительной промышленности. Ленинград 1961 г.

32. Норри.Д, Ж.де Фриз . Введение в метод конечных элементов. Перевоз с английского .Под редакцией акад.Г.И.Марчука. Издательство «Мир».Москва 1981.

33. Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний. Москва "Наука" 1991 г.

34. Пановко Я.Г.Осовы прикладной теории колебаний и удара. Издание 3-е. Машиностроение. Ленинградское отделение 1976 г.

35. Папкович П.Ф. Труды по вибрации корабля. Ленинград., Судостроение ,1960.

36. Постнов В.А. , Хархурим. И.Я. Метод конечных элементов в расчетах судовых конструкций. Л., Судостроение, 1979

37. Постнов В.А., Калинин B.C., Ростовцев Д.М. Вибрация корабля. Ленинград "Судостроение" 1983 г.

38. Постнов В.А., Ростовцев Д.М. Суслов В.П. Кочинов Ю.П. Строительная механика корябля и теория упругости. ТОМ 1/2. Ленинград 1987 г.

39. Путов Н.Е. Проектирование конструкций корпуса морских судов. Том 1. Л.: Судостроение 1976.

40. Путов Н.Е. Проектирование конструкций корпуса морских судов. Том 2. Л.: Судостроение 1977.

41. Радченко В.А. Расчет неуравновешенности поршневых двигателей на персональной эвм.Методические указания.Санкт-Петербург 2001.

42. Родионов А.А . Использование методов оптимизации в расчетном проектировании конструкций корпуса. Судостроение. 1985.

43. Родионов А. А . Математические методы проектирования оптимальных конструкций судового корпуса. Ленинград 1990 г.

44. Российкий Морской Регистр Судоходства,2003 . Правила классификации и постройки морских судов,часть II Корпус.

45. Рябов Л.И, Курдюмов В.А. Конструкция бортовых перекрытий морских судов. Учебное пособие. Ленинград 1980 г.

46. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. Перевод с английского. Под редакцией акад.Б.Е.Победри.Издательство «Мир».Москва 1979.

47. Справочник по теории корабля в 3-х томах, под ред. ЯМ. Войткунского. Л. Судостроение, 1985.

48. Тимошенко С. Колебание в инженером деле. Лениград. (Сентябрь. 1966)

49. Тряскин В.Н. Проектирование конструктивного мидель-шпангоута морских транспортных судов. Л.: ЛКИ 1986.

50. Тряскин В.Н., Лазарев В.Н., Смирнов Ю.А. и др. Проектирование корпусных конструкций морских судов. Л.: ЛКИ 1987.

51. Тулин В.А. Охрана труда. Методические указания для дипломного проектирования. ЛКИ. 1976.

52. ЦНИИ имени Академика А.Н.Крылова. Прочность, вибрация и надежность конструкций транспортных судов. Материалы по обмену опытом, Выпуск 398 Ленинград.,Судостроение ,1984.

53. ЦНИИ имени Академика А.Н.Крылова. Методика расчёта местной вибрационной прочности корпусных конструкций ( первая редакция ) , Санкт-Петербург , 2003.

54. Чигаев А.В., Кравчук А.С.,Смалюк А.Ф. ANSYS для инженеров. Справочное пособие.Москва «Машиностроение » 2004. Машиностроение-1.

55. Чувиковский B.C. Усилия, вызывающие местную вибрацию днищевых конструкций,- Судостроение ,1956.№6.

56. Шиманский Ю.А .Спарвочник по строительной механике корабля . ТОМ 1 под общей редакцией академика Ю.А. Шиманского. Ленинград 1960 г.

57. Шиманский Ю.А. Динамичекий расчет судовых конструкций. Ленинград 1963 г.

58. Щукина Е.Н. Расчет вибрационной прочности корпусных конструкций. Научно-технический сборник. Выпуск 6. ( Регистр СССР) Транспорт 1976.

59. Щукина Е.Н. Расчет вибрации судовых пластин, подкрепленных ребрами жесткости и соприкасающихся с жидкостью.Труды ЦНИИ им.А.Н Крылова вып. 186.

60. Яковлев Г.В. Судовые механические передачи дизельных установок.Учебное пособие, Л.: Изд-во ЛКИ, 1981.

61. American Bureau of Shipping (ABS).Guidance notes on Ship Vibration, April 2006.

62. An Introduction to Vibration Aspects of Two-stroke Diesel Engines in Ships ( MAN B&W ).

63. Andreas Antoniou.,Wu-Sheng Lu. Practical Optimization « Algorithms and Engineering Applications» .Springer , Canada 2007.

64. Augusto B.Hougaz.,Carlos A.N.Dias. FEM Parametric Modeling Applied to the Optimization of a Ship Structure. Proceedings of the 131.ternational Offshore and Polar Negineering Conference . Brazil. May 2003.

65. Bernard Challen.,Rodica Baranescu. Diesel Engine Refence Book. 2nd Edition. Oxford. 1999.

66. DNV. Rules for classification of Ships. Vibration Class -part (6),Chapter (15).2004.iL

67. Doug Woodyard. Pounder's Marine Diesel Engines and Gas Turbines.8 Edition.Oxford. 2004 .

68. Edrogan Madenci.,Ibrahim Guven.The Finite Element Method and Applications in engineering Using ANSYS. The University of Arizona.2006.

69. Edwin K.P Chong ., Stanislaw H.ZakAn Introduction to Optimization . 2nd Edition. John Wiley & Sons, Inc. Canada ,2001.

70. Eyres D.J. Ship Construction 5th Edition. Plymouth Polytechnic 2001.

71. Friedel Hartmann Casimir Katz. Structure Analysis with Finite Elements.Munich , August 2003.

72. Germanischer Lloyd. (Operation 24/7) GL-Technology , Ship vibration.Hamburg,2001.

73. Jorge Tratch Junior . Vibration( Noise ) transmission through machinery foundation and ship's structure .Master of science in Mechanical Engineering , Massachusetts Institute of Technology, June 1985.

74. Julius Weisbach . The Mechanics of Machinery and Engineering.Vol-2. 1847.

75. Keith R. Mobley. Vibration Fundamentals. Butterworth-Heinemann. Newnes.USA,1999.

76. McGeorge H. D. Marine Auxiliary Machinery ,7th Edition.Elsevier Oxford, 1995.

77. Michael R. Hatch. Vibration Simulation using MATLAB and ANSYS.Chapman&Hall/CRC. Washington,D.C,2001.

78. Nakasone Y., Yoshimoto S. Engineering Analysis with ANSYS Software.U.K 2006.

79. Paresh Girdhar. Practical Machinery Vibration Analysis and Predictive Maintenance.ELSEVffiR.Newnes.Oxford.2004.

80. Philippe Rigo and Enrico Rizzuto . Analysis and Design of Ship Structure. SDC 18 . 2003.

81. Pravin P.Varaiya . Lecture Notes on Optimization . California Sept: 1998.

82. Ravindran A.,Ragsdell K.M.,Reklaitis G.V., Engineering Optimization . Methods and Applications . 2nd Edition. John Wiley & Sons, Inc. Canada , 2006.

83. Release 10.0 Documentation for ANSYS/ Guide to the ANSYS Documentation.

84. Robert Taggart(Editor).Ship Design and Construction. The Society of Naval Architects and Marine Engineers,New York.N.Y. 10048.1980.

85. Ship Structure Committee . Ship vibration design guide .SSC 350, 1990.

86. Ship Structure Committee . Ship vibration prediction methods and evaluation of influence of hull stiffness variation on vibratory response. SSC -249, 1975.

87. Singiresu S. RAO . Engineering Optimization . Theory and Practice . 3rd Edition. John Wiley & Sons, Inc. Canada ,1996.

88. Timoshenko S. Theory Of Plates and Shells.2nd Edition. Mcgraw-Hill,Inc.l959.

89. Vibration/Dynamic Analysis Course in ANSYS . Day-5.Lesson-13.

90. Vibration Analysis Handbook. 5th Edition.

91. Vibration Characteristics of Two-stroke Low Speed Diesel Engines( MAN B&W ).