автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.02, диссертация на тему:Разработка методов расчета и оптимального проектирования судовых многостержневых конструкций

НИКОЛЛЕВСКИП ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ КОРАБЛЕСТРОИТЕЛЬНЫЙ! ИНСТИТУТ имени адмирала С. О. Макарова

На правах рукописи

Б У Б II О В Андрей Александрович УДК «29.12.01 1:539.4

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА И ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СУДОВЫХ МНОГОСТЕРЖНЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Специальность 05.08.02 — Строительная »механика корабля

Автореферат диссертации на соискание ученой степели кандидата технических наук

Николаев—1992

Работа выполнена на кафедре строительной механики корабля Николаевского ордена Трудового Красного Знамени кораблестроительного института имени адмирала С.О.Макарова.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Суслов В.П.

Официальные оппонегты - доктор технических наук,

Гавриленко Г.Д.; кандидат технических наук Поляков В.И.

-.Ведущая организация - УкрГосНИИ стандартизации к

сертификации, г.Николаев.

Защита диссертации состоится 8.06.1992 г. в 10.00 нг заседании специализированного совета К.053.04.01 Николаевского кораблестроительного института имени адмирала С.О.ЫакэровЕ по адресу: 327025, г.Николаев, пр. Героев Сталинграда, Э.

С диссертационной работой - моею ознакомиться 1 библиотека института.

Автореферат разослан •апреля 1992 г.

Просим направить Вэд отзыв ва автореферат в г-: экземплярах с печатью учреждения на имя ученого секретаре специализированного совета по указанному адресу.

„-V ; 7чейы2 секретарь саэцаагосяррванного Совета х.?.н.„ дошит

•'Й^гг^ Чумак А.Е.

CfSSm ХАРАКТЕРИСТИКА РАЕ. ..

Актуальность TQtSi. В настоящее время широкое применение в судостроении находят многостержневые мачтовые конструкции, состоящие зз пространственно расположенные -жпнг в рамных элементов. Это. прежде всего, судовые многостерхнвше иачтк, обесточиваю: э работу поборов а устройств кораблей и îpsHcnopTHHZ судов» а также фереднные опорные основания стационарных морских платформ различного назначения.

Оптимальное по массе проектирование j""ax слохных про-1 странствешпа систем, обусловленное необходимостью уменьшения материалоемкости разрабатываемых конструкций а связаное с удовлетворенном требований остойчивости кораблей, включает решение широкого комплекса задач по прочности, устойчивости а вибрации. Однако, указанные конструкцг- в силу , многообразия конструктивны! форл, большого числа параметров, которыми огг-едоляются ZZ прочностные и гесткостные свойства, а таза» кногообразия требований, предъявляемых к этим свойствам, представляет собо£ весьма слокаый объект npi реэении оптимизационной проектной задачи.

Анализ современных метс-зв расчета судовнж много-стервнэвых конструкций мачтового типа показывает , что они, как правило, применимы для проектирования конструкций традиционного вида: основнзг несудив элементе (вот) -прямые, невысокая степень уир./гсй и массовой асиигетрии, ^значительное разветвление метены. Для более слохных конструкция суоастБ; здае цраолашнвые метода приводят к

погрешностям, величину которых оценить затруднительно. В ряде случаев (наличие промежуточны* закреплений, больших навешанных элементов к выносов груза, значительной, нвсишетрии) указанные метода не позволяют пг пучить <УДОВЛ0ТВОрСТ8ЛЬНую точность.

Необходимость пошави^я производительности расчетно-про-ектных работ и обоснованности проектных ревений, увеличения точност: и надежности прогнозирования прочностных а вибрационных характеристик сооружаемых объектов при одновременном снейЛши их Мс,.'вриалоемкост2 требует разработки более совершенных расчетных схем а методов. С другой стороны быстрое развитие современных средств вычислительной техники создает возможности реализации более точных, хотя в более сложных алгоритмов. Возникают предпосылки для перехода от проверочных расчетов к прзшсму расчетному проектировании оптимальных конструкций, которое до сих пор в судостроении применялось только для решения отдаЛьних частных вопросов.

Оспошыз цели и 'задачи диссертации формулируются, приникая во вшмапиа приведенные аышв пологания.-

.. Поль работы: совершенствование расчетных схем и методов, разработка уточивших методик Е алгоритмов, а также програ-гляого обеспечения для оптимального проектирования сложных судовыг. ыногостеркневих конструкций ш условиям, прочности, устойтаеости и колебаний.

Достижение поставленной шла сбесиечиЕазтся прк решение слэдухших задач:

I. Разработка укгвареального алгоритма уточненного статического расчета стержневой система осейго вида.

е;

ч О*

2. Дровктяровакнэ пространственной ферменной конструкции минимальной масса го прочности л устойчивости -

3. йгределэявэ форм н частот низших главных свободных колебаний пространственной кногостврвневой системы консольного типа.

4. Расчет .резонансной ходовой вибрации корабельных многостер-жнэвых начт.

5. Проектирование пространственней ферменной мачтовой системы кинимальной массы с. заданной частоте ее свободных колебаний, е. Разработка практических рекомендаций по оптимальному црооктированио ферменных мачт из условий прочности, устойчивости и вибрации.

7. разработка автоматюярованйого расчетного кетяшекса по оптимальному проектировании судовых мнсгостергновых конструкций. Научная ноегзнз и дриствчэская ценность работы: разработана каточгатическая оптшизацзонная модель динамической скстеш применительно % арсекти^гзнию сложных » пространственных, даогостержЕеввх мачтовых конструкций миткальной наги го заданной частота ях собственных колебаний;

разработана комплекс алгоритмов и ЗВЫ-прсграым для автоматизированного проактиров.тзя укегзнанх конструкций го условиям прочности, устойчивости г колебаний, а такав практические рекомендации по расчету корабельных форменных мачт с весовыми и гвометричвосвгзг параметрами, близкими к оптимально;

- на основе, практического жсзюльзования разработанного программного кошлекса достигнуто расяшрвнае возмохностей рзотвтно-конструк-сЬсках рас?-; в области проектирования ксоаСелышх иачгсшх истем, что позволяет:

с

с достаточной точностью выполнять расчеты прочности и колебаний качт, роэн, площадок и стеньг сложног конструкции (инерционная и упругая веслглматркя, езлокы оси к т.п.);

учитывать прокажуточкио закрепления ( оттягкк, ¿анты, «кропления к рубкам и надстройкам); >

рассчитывать разввтзланаую мзчтеву» систем (качта, плоаадха, стекь~л, рей), кап единый йнженеряый комплекс.

ОДоскованность результатов работы, ее наугньх гаошзняй» • взводов е рэшаондаыяЗ обеспечивается жсяодьзоьазгем достоверной исходной ката/лзтачэскэй »эдэяг, корректном астслнзяисм тоо-щткчос'-птх i; числена» исслздоеший и подтьеггЕдаэтся точностью ■ TsoiGZit; сценок к экеззр'лио::-талышлг денехчи других авторов.

Eiп .тренде » У^тоги расчета колаЗа^иС я odt:vильного проектирования «¡когостзсхкзыа кораЗолыиг начт, вриведчшгце в дзссортапял, щшвшэпк ста разработка аоршдааэ-техняческих дэпутеитсЕ по прсектаревашос иачт _ и, наряду с созданным па iz основа етогргьшым ксавмгксск, использованы в практическирасчетное проехтаров^наз тчт к Северном ПКЗ к Черноморском филиал ЩШ "-Тот".

Апробация работа. ОсновЕне полегания диссертация долокащ на Всесоюзной нзучко-тсхничоской коа^ерогавш "Проблеет прочности я скгеонйо каталлоекг.ает-к корпусных конструкций перспективных транспортных, судов и плавучих сооружений (Ленинград, 1990 г.) и на конференциях профессорско-преподавательского состава Николаевского кораблестроительного института в 1Э87-1Э90.г.г.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в

пят* работах.

Структура и объем диссертации. Лиссс^.хзцяонная работа состоит из введения, четырех глав, звклич^ния, списка вспользусг/оа литература и приложений. Диссертация содэрют 114 страниц ыалинопечатвого текста, 28 рзсункоз, 8 таблиц, «Шлиогргфш из 53 наименований, 16 страниц -атепий. На зениту бывосятся:

- алгоритмы уточь' шого ста-илгского расчета стержневой системы общего вида и оптимального проектирования стержней пространственной фор® по прочности и устойчивости;

- уточненные анаштячэсхге методика определения форм и частот низших главных свободшп исш&шц? пространственных упругих сисгом, расчета резонансной ходотюй ЕЕСращга корабельных шгагсстержнзвых качт, опямзтьлогэ усиления стергаэй ста-тачесна определимой ферменной, иачтоюй система для увеличения частота еэ свободна. колебаний до гребуеиого , ..зая; .

- рэвлгззцая алгоритмов ка ЗЕН з разработка автоматизированного расчетного комплекса; выггалЕзние численных иссладова-нгй ж разработка практических рзкягэвдаций по оптимальному лроэктароЕанн® корабельных фергтавых мачт.

. С0ДЕР2ЕЗ РАБОТЫ

Во тта гении обосношваожг актуальность дассэргации, формулируется ее освзя цель, г^гэтается проблематика исслэ-дованзй в приводится краткое таз'рванио работа по главам.

В готовой тукгё ояяси?.< "ся объекта исследований и условен к. аксяыуатг за, анализируется современные методы

проектирования судовых многостергневых конструкция мачтового типа и их недостатки.

Наиболее характерный пример судовых пространственных стержневых систем - корабельные многостерянешэ чачтн. Зараженной особенностью констр:тсцни гюследних является наличие навещенных гибких элементов (реи, площадки, стеньги), каждый из которых представляет собой отдельную кногость^гневую систему, а вместе с мачтой они образуют . разватвлвнньй инженерный комплекс (рис.1).

^аггикальноо проектирование таких сложных пространственных конструкций обычно производится в два атала. Вначале рассчитывается конструктивный вариант, оптимальный по условиям прочности и устойчивости. Затем выполняются вибрационные расчеты, которые, как свидетельствует опыт проектирования, чаде всего оказывается определяющая при выборе размеров поперечных сочэивй стерхкевых элементов корабельных качтовых систем.

Целью расчета вибрзют мачты является определение частот ее г-авннх свободных колебаний для последующего сопоставления с частотами дойствридх не корпус корабля периодических возмущапих усилий и установления возможности возникновения резонансных колебаний. Если явление резонанса отсутствует, то можно считать, что амплитуда вынужденных колебаний не достигнут значительных во линз к вибрация мачты будет допустимой .

фугой вид иногостераневых конструкций, применяемый в судостроении, - опорные основания стационарных морских платформ, првдставляадиа собой пространствакные решетчатые

Ряс.г.Корабельная мачтовая система с реем, площадкой и стеньгой.

Рио.г.Фермнная мачта с выраженной асимметрией конструкции.

моноблоки ферменного тэта. После определения гидродинамических и других внешних нагрузок задачи расчета опорных оснований морских платформ во многом близка аналогичным задачам проектирования корабельных мачт. ' существенной особенностью корабельных я вальфовых соорухенлй мачтового типа является консольный характер ковструт"щй. что позволяет применять для их исследований {иынесгле модели трех уровней.

..Самая прост -.я - балочная модель традиционно использовалась при вибрационных расчетах консольных многостержневнх систем. Так, .гласно методике D. А.Шаманского форменная иачта заменялась эквивалентной ей но хесткостх , балкой сплошного сечения.

В расчетах прочности кногостеркае вых конструкций характерно разложение пространственной системы на плоские фермонше фрагменты. При этом для . корабельных иачт применяется суперэломентиая расчетная схема с' ваделэниец в качестве упругого элемента отдельного плоского яруса форменной решетки.

Принятая в вастоядае время в отрасли методика расчета колебаний корабельшл. мачт сохраняет допущение о недеферш-руеиости поперечных сечений мачты и независимости деформаций отдельных ярусов, что в сочетаний с зриолияэнностыо' статического расчета аоаат приводить к погрешностям вычислений, величину которых оценить затруднительно. Особенно суЕвстваннью погрешности можно ожидать для иачт с нетрадиционными формами и параметрами общей геоматрак-я&гоше промежуточных закреплений, болша. навешенных

элементов и выносов груза, выраженной упругой асимметрии конструкции (рис.2).

Наиболее совершенная, но и более слзензя рострзнствэн-ная физическая модель позволяет получить практически точное решеша задачи статического расчета многостержневой конструкции общего вида. Изложенная впервые г.Н.Горбуновым еще в 1936 г., общая теория расчета пространственых рам впоследствии была р-.згата З.П.Сусловкм в логически стройный и простой по сравнению с трудностью репаакоЯ объемно* задачи алгоритм метода перемещений в фора, получившей позже название ига то да конечных элементов. У: ззаянай алгоритм полотен в основу уточненных пространственных метода, разрабатываешх в настоящей р'аботз.

В конце глава на.базо гаюлненного анализа формулируются цеди и задачи исследопний диссертационной работа.

Вторая глава содеряит унжверсалшй алгорстм статичес- » кого расчета стерхнзвой. система общего вида по методу пврэаещений на основа простравстзэнной расчетной схемы, методика я алгорзтмы оптшгальвого проектирования иногостерж-яевой мачта по прочности и устойчивости, расчетов свободных колебаний для пространственных стержавах систем консольного типа л резонансна® ходовой вяЗрацот для корабельных многостертое внх качт. Здесь _ уз шголняется сравнение результате.! расчетов с ахспврш^птадьнваи данники.

В настоящей работе вперяю ядалнена практическая реализация алгоритма точного статического расчете хфостршсжвнноа статаяаво® сияяящ обвего вица по методу пврамещенний пряшнк.адьно к решен?® задачи оптимального проехтировашм мачтовых конструкций до условиям прочности.

устойчивости и КОЛЬ^лНИЙ.

В качестве основных, неизвестных принимаются проекции перемещений узлов стержневой решетки4 на оси общей системы координат конструкции:

' к =■ I = 1,2,...,п,

где

1е = 1,2.3 сооть :ствует проекциям линейного перемещения ; к = 4,5,6 - проекциям углового перемещения {-го узла; 1,а - номер узловой точки и общее количество узлов стержневой решетки.

Если ограк таться .тпнеЯной зависимость!) между узловыми усилиями . и узловыми перемещениями, что соответствует характеру упругих деформаций рассматриваемых металлических конструкций, то можно записать следующее выражение:

^-¿^«ы а)

где - в= 1,2,3 соответствует линейным проекциям силовых факторов, 4,5,6 - проекциям моментов;

- х^ - узловое усалив • в 1-том концевом сечении

. I¿-го стержня, вызванное вестью компонентами перемещения 1-го узла Язд, и шестью компонентами перемещения ¿-го узла

- а^ - коэфрщибита влияния перемещений 1-го сечения на усилия, во-.никавдиэ в нем при полном жестком зааднлэнаи

противоположного сеченжя 1: И

~ ~ кокМицибнты влияния перемещений противоположного

.¿-го сэчекия на усилия возшпсаиие в данном (-том сечении .гготаая при его жэс-гксм закшпленаи.

ПО существу, коэдащсентн а^ и ъ^ расст. .гастся для кевдого стержня конструкции, как коэфЗициевты гэсткости на растяхеЕи? -сжатое, изгиб кручение.

Подставляя в условгэ равновесия 1-го узла прэобрэ зоввйнуи к общей системе координат ланейвур савнсихость (I) можно получить :

6 < 6 и »

*1Л ^ + 5 "и • •

а « 1,2,...6, (2)

где » «3

■*вк " ^ 8шк ~ суммарный коэффициент вл. янгя на 1-тое

узловое усилие; в

1{ - приведенная узловая кагр^ша.

Совокупность уравнений (2) для всех узлов конструкции (»1,2,...,а образует споануи разрешающую сйстз.чу уравненЕй для определений неизвестных шреноданий ДршоненЕэ (2) ' с учетом заданных кинематических а силовых граничных условий дозволяет г .лиши нвтодгад форайровать обцуэ матрицу шсткостя системы.

С использованием уяазшйюго алгоритма статического расчета на основе пространственной расчетная схека разработано уточнэншзе ашшяггавское рваенке задачи оптимального проектирования мвзгоэтеранввнх мачтовых систем шз усюкш» прочности, устойчиглстэ я колебание.

¿налиппеские рвгешя, хотя г не в замкнутом виде, а е продадпрят» *пдит приближениях» удаюсь получить благодаря аацжгзадьлсму прэдетчаяениг ограничений оггтимззашкшнс? задачи ж щямвнэнив принципа товторно-тоэ тапной оптамизашгЕ . ограничения агапа оптимизационной задачи по условия*

прочности и устойчивости определявтся соответствующим представлением нормативных требований: - для суммарных приведенных напряжений:

,- ддя нормальных напряжений от ссевых сил» права лирупэдх в стерашях ферменных конструкций:

0О < 0'4 °8' " (4)

а таюсе лорш запаса устойчивости по отношении к критическим . напряганаян:

(5)

где для определения ктатсческах нвпряхвниа • используется зависимость, которая достаточно точно согласуется с графиками я таблицами С.А.Шаманского:

о « ■ ■ ■ (6)

кр

ое - предал текучести материала стержня; о8 - эйлэрсво напрягениэ сжатого стержня.

Капицу* долевой функциж собственной массы несущих элементов ккогостетязинзой конструкции обеспечивается при поэтапном удовлетворения указанных ограничений (3)-(5) с гитом (6) путем оптимальной корректировки размеров поперечного сечоння старавей.

Оптимальное проектирование кногосзергнеЬых систем по заданно® частоте колебаний требует использовать такой метод расчета колебаний, который обеспечил бы достаточно высокую . эффективность ацтвшзационнвх процедур. Последнему условию г достаточно! иара удовлетворяет метод приведенного коафСвааента податливости, применение которого требует

лачалэ выполнения статического расчета системы на действие даничной узловой силы, приложенной в верхнем сечении мачта на топе).

При этом гюреме:г~яие нагруженного узла по направлению ойствяя единичной силы пршшмается в качестве приведенного оэффициента податливости конструкции А, а перемещения cet остальных узловых соединений стержней системы являются оэффициентамя влияния от действия указанной единичной силы и ропорцкональны величине X.

С использованием этого свойства, а также принципов эзможннх перемещений и суперпозиция подучена формула для зре деления частоты главного свободного колебания зогостержневой системы по J-wy тону:

Х3 ' а ' ,-— ' (7)

1 Ь 51 *хз

i»i

\в j - узловые вектора, составляющие соответственно

)риу изгиба система от известное единичной силы {$} и форму ^считываемого колебания i- приведенный коэффициент

>датливости системы.

В удобстве использования формулы (7) при решении задачи ггимального проектирования по заданной частоте колебаний клпчается основное преимущество метода приведенного эф&гшента податливости. Выделение коэффициента А как рамвтра, от которого в определяйте степени завесит ачепиэ частота дает возможность эффективно применить алитическув оптимизацию для проектирования многостерхаэшх нструкций минимальной массы по условиям вибрации.

Применение формулы <7) сводам- определение форм к

частот главных свободных колебаний конструкции к рад расчетов на заданную статическую нагрузку. Расчет форм* изгиба {5} не' вызывает затрудноний . для саредвлэния форм колебаний удобно воспользоваться последовательным

приблиявнзшш.

За пулевое приоливэниэ' форкы колебаний иогно принять известную форму изгиба {$}, так как рассматриваем иногоствршзвые конструкции являются консольными гастзмаки, : для них форма колебаний достаточно близка к форио изгиба полученной от действия сосредоточенной сады . приложенной н свободном конце консолн. -

6 каздои ЕриОлшвэкик определения частоты по (7) фор* колебаний {Р^} уточняется статическим расчетом системы нагруханнаЯ амгиштуднши значениями узловах сил шерца предыдущего приближена;;.

При тестовых расч&тах реальных проектов многостерансшы качт требуемая точность (I процент) определовгя частот колабанг^ первого тона достигается - ухе после вышлнеш двух-трех приОлизаниа.

Осшваой особенностью определения частот высаш колебаний по формуле (7) в сраввэнии с аналогичным расчетс ыизиш. частот является необходимость очищения каадш последуете го р-го приближения 3-й форма колебаний { > с присутствия юставдяпвих низших форм, т.е. оргок

нализапия форма го отшвеншо» ко всем более низким форм; данного хзхда колзОапкЕ.

Паи использовании метода последовательной ортогоа двгашв ЛЕЯя очшенай р-го щяйшввшш некоторой 3-й фор ¡:олебаетй Г ) кэодошюгавтея уж опрвдедвнвдаЕ а

низших форме ):

з-1

{ } - С Г<>°> }^Ккр{Гк}> (8>

к»1

- неортогонализированная форма р-го приблдан-л -го колебания;

3> 3 ( !ф. ь^р, о^} - коэффициенты ортогонализации, для [радэлешя которых компонента выражения (8) подставляются в 1Ловия взаимной ортогональности форм колебаний -го иетической энергии (го массе).

Если вычисленные го (7) собственные частоты низшие форм шебаяяй мачты- попадают в околорозонаасную зону по отношении частотам возмущающих факторов (о.г'ио X <*1,эи), то всяжж-\ значительное увеличение вибрационных перемещений, скорос-в а ускорений точек конструкции, которые в этом случае обходимо сравнить с допускаемыми параметрами навещенного на ¡чту оборудования.

Для определения динамических перемещения узлов мвого-ерозевой систем» по методу главных координат применяется вясимостъ :

:е а{ - вектор давамичаских перемещений <-ой уз овой точка; - вектор соответствующей форма колебаний «-го узла;

- амплитуда главной координата ;

р - О А Од, (Ю)

» А -приведенный коэффициент податливости;

. - коэфЦпшвнт динамичности, который определяется с учетом

нпфирования;

- приведенная возмущающая сила для форма рассматриваемого лебапия, соотввтствушая сметеншш шовного контура мачты.

Опр~-двлэнио последней дяя двух основных вадо: занузданной ходовой вибрации- мачт выполняется по формулам:

- при „рэдольных внвузденных колебаниях:

V * 4 |в»« [ &0 + вуо «с> *ж<+ вуО Ь„-1, <11 где - частота вертикальной вибрации корпуса корабля; в{ - сосредоточенная в 1-том узле масса несущей конструкци и оборудования;

о0 е е^- амплитуда соответственно линейного в углового сме дений опорного сачешя мачта в продольном направлении;

т(, - координаты с-го узла системы; 1Х{, 12С - проекции узлового вектора формы первого тон продольных колебаний;

- прг траварзшх вынужденных колебаниях :

<Цр я<4 Д «1 «и <*о + ехо взо +

+ ехо Ч (12

гдв Ир - частота горизонтальной поперечной изгибно-крутальнс

висраакр корпуса корабля;

У0 - аколктуда лшэйвого сыащешя охгорного сечения мачты граверзном направлении;

агО' ехО ~ емпяитуда углов поворота опорного сечения соотвез ственво в горизонтальной плоскости в в плоскости шпангоута; Г. {, проекции узлового вектора формы резоннрущек

тоеб гоаварзетх колебаний.

После расчета по (9)' - (12) динамических перемещен* опредалаагся скорости т, и ускорения узловых соединен! степеней конструкции при ее вынужденны! колебаниях, в таю динашгчеаш? нацряж&шя в опасных сэчавиях.

Пс программе* реализушей на ЭШ алгоритм определен

зиих форм я часто» пространственной многостержневой нструкции, выполнены расчета находящихся в эксплуатации рабельвых ферменных мачт, для которых, имеются результаты спериментальных замеров вибрация.

Сопоставление результатов расчета частот основного тона лэбаний в продольном в травврзном направлениях с экспери-втальшши данными показывает хорошее совладение для мачты сотой 15,6м,показанной на ряс.2. Для мачта высотой а,8 м Отдается расхождение на 15-20 процентов, что указывает на рзделенноо несоответствие принятой расчетной схемы и раметров данной конструкции в условиях эксперимента.

В третьей глава разрабатывается общая методика опт,лза-знннх расчетов вибрации я алгоритм проектирования простран-венаоВ ферменной мачты минииадьюй массы по заданной зтоте ее свобадннх колебаний.

-Веля требования вибростойкоста оптимального по условиям зчности и устойчивости (3)-(6) варианта многостэржневой яювой системы нэ выполняются, а другие мер; их зеяв творения, кромэ язкэнвния собственной частоты, нэ могут гь прямввевн. • то можно только увеличивать частоту с итевяБм несущих элементов конструкции, так как она обладает шмально необходимой прочностью и устойчивость®. Исполь-занне оптимизационнах процедур для- проектирования размеров шей при атом обеспечивает, достижение необходимого для сода из резонансной зона значения частоты свободных, табанив с нившалдам увеличением собственной массы.

Целевая функция собственной массы мнагоствоянввай ютрукции записывается через сукмчдаый объем ствцэшей с »тем объединения последних в технолсгтческие группы с

одинаковыми в пределах каждой груши размерами попвречног сечення стершее:

i ht :

Т" 1 ^Sfc I <1Э

k*1 ¿=1

l - количество груш стершей, принимаемое при оптимизации,

- число стершей в k-ой технологической груши,

\ - коэффициент усиления для k-ой группы стержней с начальной шкнцадыз поперечного сеченая Б^; дайна отдельного J-ro стержня. Учитывая, что проектируемый вариант должен быть в менее прочным, чем исходный, на коэффициента т^ (парамэз^

проектирования) накладывается ограничения:

\>»1 ¡ k*1,2,...l. (14

Приведенный коэффициент А раскладывается на две coctsi

ляшие : л «

г "9 Ас - собственная шдатливость стержневой конструкцш

- вклад в приведенный коэффициент деформации огорнс заделки.

Собственная податливость Ад, равная соответствуй^} пэремэвешв точки приведения при абсолютно гасткой задел опорного основания, мояэт Сыть представлена согласно правда возькягаых парасцений, как суша по всем стержням. С учет< последнего формулируется так называемое уравнение связи- « одно ограничезяе оптимизационной задачи,вклтажцее в себя в

неизвестные цздаматрн проектирования т^:

i hz

¿i " } > "• Г, V í

i£=i

где ад -содгтвеваая дадездавость усиленной конструкции.

, -весовой коэффициент, характеризующий вклад ¿-го стержня в

г

ичэниа .

Для решения вибрационной оптимизационной задачи »обуется найти совокупность коэффициентов увеличения ющадей поперечных сечений стержней т^ (неизвестных фамзтрой проектирования), обаспачивяппих минимизацию 'Левой фуункции собственной массы конструкции (13) при шолнении условий (14) в (15).

Ограничение объекта проектирования схемой ста—пески роделишй фермы, для которой весовые коэффициента с^ з .5) на 'зависят от параметров т^, в также поэтапное рвлетворенка условий (14),(15) позволяют получить на с-нове пользования метода множителей Лагранжа близкое к оптамаль-му аналитическое решение: - на первом этапе- при выполнении ограничения (15):

Ъ-гтг I У' <16>

. 5=1

э « 2 с;}~ суммарный • весовой коэффициент для к-ой 1-1

уппы стершей;

* £ общая длина стертаз® 'я-ой группы;

- коэффициент пропорционального усиления стерхязй;

- на втором этапа- при выполнения ограничений (14) и (15):

1 _ з-р

к , --- / с^ 2 /сГь< .

где к =<, 2, ...» а-р,

р - количество технологических групп стервней» для которых после первого этапа не выполнялось условие (14); т^ для них равна I.

Зависимости (16), (17) позволяют выполнять многовариантное проектирование ферменных мачтовых систем мпязлальвой массы путем варнаад числа в состава выделяемые технологических груш стеряней и разрабатывать на этой основ£ близкий к оштаальнжу по мотамоамкости и досгаточш технологичный проект конструкции.

В четвертой глава выполняются анализ и обобдаиио результатов числонши пс юдований по автоматизированному расчет; мачтовых систем различной степени сложности.разработанных е; базе реальных мачт, проекяфуекых в Северном 1КБ, а тает формулируется некоторые практические рекомендации а пт>зактаровашпв корабольгах ферыэнных иачт с весовыми : геометрическими параметрами, близкиет к оптимальным.

Авалю результатов . численных исследований с проектированию кора Дальних ферменных мачт с минимально собственной масса® ю условий прочности и устоЯчнвост позволяет характеризовать проектируемые варианты иачт, кг близкие к рйзаопрочзш. Однако, практическая данюси оптишзашш во прочности я устойчивости невелика, тах кал разрабатывав>«ше при зтои проекта имэвт, как правило, виаш частоты, леаамяе в околорезонансной области по отношению частотам основных аозмуцаишх сшг (200-З00каи./МИЕ. у, тзтоьс чыяъ ютог визаикать вооОхадткзсгь их усиления I УЫЮОТЙЙ ШбрШИЕ..

ддаг анализа результатов численных исследована!

ЙраЦЖЖШЛ: XSpffiKTÔpSCrnC фэр;Х9НЕЫХ мачт поедстагшзяк ДВЕНЫв i расчетам колебаний csrn проектов мачт и: мачтовых систем, в :м числа конструкций, показанных па ряс. 1,2. Опрэдел-эга тчоотя чотарох нзззих частот свободных колобгашЗ угстз^лзах Х50КТОВ ( даэ продольные s дао тргпюргшко >. Показаш форта ¡гиба Еосппсальпол оси мачт я взхтороп ляяа'.тпес^-^х

»реиэкагой узлоеых соединений сторжкэй в хзрактэрних

>Ч8НИЯХ ДЛЯ СООТЕвТСТВуЩКЗ; ТОПОЗ ЕКЗЕГОС СВОбОДИХ KOJÎSCa-

гй. Виполнано кноговариянтное оптимальное прс9»тиров?-*ие по игашой частоте ко.табанЕй.

СргглкэЕие разультатез расчета тсэих часто? по аработзалену в застсгязЗ работе алгор'лтиу я m квто-ака, исомвндуемоЗ отраслевом руководишь документом по »актированию ¡«зчт (кетоджв РД), пекпзнвзат незаачптельныэ кяоадошю для изчт, гжиегруацжг .•»торс, достаточно »диционна. Однако, практячеекз во везх случал, гютояша РД ют зашгэвлз частота, то ость smsot стлгчао ь опасща горону.

Для проекта с ниражашоЗ£ зпругсл аегсглэтризЗ: (ркс.2) сазаяноз отлкчлэ составляет - по траЕсрзкой частоте 13 »цоктов. А. учет паюса грузов вя концах. гор7.зса~".г^:;.:;го ¡я азчтевой системы (рзс.1), чего нэ позполяот с достаточной ¡чвостьа пиполцитъ мзтсдвса РД, поттает частоту трЕЕврзного шзбзная на 25 прецэнтоз, а продольного - болев чек аа-

)ЛСЕИНу.

Из факторов, влзяпцаз: на частоту свободных rcusciaibUí J4TH, следует выделить влияние аесткости опор. которое гществеЕас на интервале от калах значений хесткосж до (которого предела, выше которого увеличивать дасткость

взцвлэс^юрззно, так как это фактически не дает увеличен: частота. Заделку при атом можно считать практически жестко! Практически жесткая заделка соответствует .относительн податливости опорного сеченая мачты ' 5-15 процентов для различных проектов.

Приманена» оптимизационного алгоритма для проектирован] ферменных мачт по условиям ' вибрации позволяет значитеяы экономить собственную массу конструкции при увеличен: частоты ее свободных колебаний до требуемого значена Так, при увеличении частоты продольных колебаний на 10 про центов дня мачты высотой 15,а», показанной на рис.2, эконом: собственной массы .онструкщш при оптимизации по сравнению пропорциональным усаленном несущих стершей равна 41 процентам, что составляет свыше 4 тонн веса. Повышение эффе: тшности оптимизации достигается применением опорной заделк 2" возможности близкой г практически жесткой г шдеденпеы отдальнув технологическую грушу стержней, обеспечиващ наиболыгаа вклад в собственную податливость мачта.

Отмечено что, корабельные мачты в силу иногообраа конструктивных форм, большого числа параметров, которк определяются кх прочностные Е жесткости© свойств представляют собой довольно сложный объект при решен оптимизационной проектной задача. Поэтому в настоящей рабо получены в основном только качественные рекомендации проектирование ферменных мзчт минимальной массы.

Недостаток более конкретных практических рекомендаций оцвночык шшенэр&инх ыетодвк по оптимальному проектирован мачт кадансируется зоамояностьв выполнения автамзтизтоова иого многоветкактного опзимизЕиаоншэго проектирования с выО

I близких к оптимальным параметров общей геометрия. Яослед-I обеспечивается на основе разработанного программного ком-ада по расчету и оптимальному проектированию судовых мно-;тержнэвкх конструкций "Оптимизация мачт", описание к^то-'о содарантся в приложении к диссертации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Представленная диссертационная работа сосв^ена одному актуальных вопросов строительной механика корабля -блеме прямого расчетного проектирования сложных судовых гостергновых конструкций по условиям прочниста, ойчивости в колебаний. Нижа приводятся перечень' основных ультатов работы.

Разработана математическая оптимизационная модель амической системы применительно' к проектированию анальных по массе сложных пространственных многостеравэЕых струкциЖ типа корабельных. мачт при необходимости яичэния частоты их собственных колебаний. Разработана алгоритмы статического расчета стержневой тема общего вида на основе метода переаещений. с прямым «ировашен матрицы жесткости и оптимального проектирования зтранствепнсй фэрин по условиям прочности и устоЗчивостр..

Разработаны уточненные аналитические методики к зризжа для:

определения фор", и частот низших главных свободных }баний сложных пространственных шогостержаавнх систем хищного твш с учетом наличия промежуточных закреплений и шенных конструкций ггеоизвольааго iv.ua;

расчета резонансной ходовой вибрации корабалш многоствркнввкх мачт;

- оттмальгого проектирования пространственной статячесз отфедэлимой ферменной мачтовой системы минимальной кассы I заданной частоте ее свободных колебаний.

Сказанные выше алгоритмы реализованы на ЭВМ и объединены программный комплекс по расчету а оптимальному проектирован судовых многостераневых конструкций 'Оптимизация мачт' 5. На основе численных исследований с использована! программного комплекса "Оптимизация мачт" получо; рекомендации по учету влияния ряда факторов на парамэт расчета и оатЕмал..ного проектирования корабельных фармонн кзчт, которые могут применяться в практическом проектирован мачт минимальной часа.

в. Основные подхода и алгоритма, разработанные в настоя«

роботе, ориентированно? про имущественно на исследован

корабельных многостерхневых мачт, могут быть использованы п

проектировании многостерхяовых конструкций другого вида

презде всего, ферменных опорных оснований стационара

морских платформ, учет определению: особенностей констфуки

\ _

а вксзиуатацгк которых позволяет применить при их расчета

мачтовые расчетные схемы.

Основное содержание диссертации отражено в следуй публикациях:

I. Бубнов А-А. Оптимальное проектирование стврвнэй фврыеш мачт // Строительная мэханижа корабля : СЗ. туш. тр. Накславв, ШК. 1986. с.58-65. Е. Бубнов А.А. К расчету свободных колебаний пространствен!

упругих систем // Конструкция и строительная механика корабля : Сб. науч. тр. - Николаев : НКИ, 1989. - с.91-96.

. Бубнов A.A. К вопросу оптимального проектирования корабельных многоствртневых мачт. /J Тезиса доклада Всесоюзной научно-технической конференции " Проблемы прочн* -.та и сяшгение металлоемкости корпусных конструкций перспективных транспортных судов и плавучих сооругений Л. : Судостроение. 1990. - с. 32-33.

. Бубнов A.A. Определение низших частот оптимальное проектирование пространственных многастеркневых мачт. // Конструкция- и строительня механик, корабля : Сб. науч. трудов - Николаев, НКИ, 1990, - .21-28.

. Бубнов A.A. К вопросу оптимального жесткостного проектирования фергенных мачт. // Республиканский межведомственна научно-технический сборник "Судостроение", Киев-Одесса.

1991, - с.10-17

Тип.' HWt-Зак. {60