автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.04, диссертация на тему:Выбор параметров накладных листов при ремонте изношенных судовых конструкций

"05019419

На правах рукописи

Корявец Андрей Геннадьевич

ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ НАКЛАДНЫХ ЛИСТОВ ПРИ РЕМОНТЕ ИЗНОШЕННЫХ СУДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

05.08.04-Технология судостроения, судоремонта

и организация судостроительного производства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 6 ДПР 2012

Владивосток - 2012

005019419

Работа выполнена в Дальневосточном федеральном университете

Научный руководитель: Заслуженный работник высшей школы РФ,

доктор технических наук Аносов Анатолий Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

Москаленко Анатолий Данилович

кандидат технических наук, доцент Каленчук Сергей Всеволодович

Ведущая организация: Дальневосточный научно-исследовательский,

проектно-изыскательский и конструкторско-технологический институт морского флота (ОАО «ДНИИМФ»), г. Владивосток

Защита состоится 16 мая 2012 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 223.005.01

при Морском государственном университете имени адмирала Г.И. Невельского по адресу: 690059, г. Владивосток, ул. Верхнепортовая, 50а, ауд. 241.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УК-1 Морского государственного университета им. адм. Г.И. Невельского.

Автореферат разослан "/2 " апреля 2012 г.

Ученый секретарь і/іЛУ^^/У

диссертационного совета Резник Алекс/ндр Григорьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время флот российских транспортных и добывающих компаний состоит из судов, возраст значительной части которых превышает 24 года - нормативный срок эксплуатации. По оценкам специалистов их число составляет более 80%. Естественным следствием этого является значительный износ корпусных конструкций.

В большинстве случаев проведение капитального ремонта невыгодно с экономической точки зрения, в особенности, если срок дальнейшей эксплуатации судна составляет не более пяти лет.

В подобной ситуации наиболее целесообразно использование при ремонте накладных листов. Это позволяет сократить время ремонта и снизить трудоемкость и финансовые затраты.

Другим направлением применения накладных листов является аварийный ремонт. Незначительные повреждения внутренних конструкций, а также наружной обшивки, в том числе и в подводной части, в ряде случаев могут быть устранены наваркой с внешней или внутренней стороны обшивки накладного листа, что позволяет эксплуатировать судно до очередного планового ремонта.

Кроме того, судовладельцы прибегают к модернизации и переоборудованию судов с целью их удлинения или расширения района плавания. При этом общая продольная прочность судов в построечном варианте может оказаться недостаточной. Для увеличения момента сопротивления поперечного сечения корпуса используют продольные полосы значительной толщины, которые приваривают поверх основных листов на палубу или в районе ширстрека. Такая практика существует долгое время, и безаварийная эксплуатация судов, переоборудованных с соблюдением всех требований Правил Регистра судоходства, свидетельствует о работоспособности связей с приваренными накладными полосами в составе прочного корпуса.

Реализация планов по обновлению Российского флота, в конце концов, практически исключит из употребления ремонт изношенных конструкций с помощью накладных листов. В то же время процесс обновления флота продлится не менее 10-20 лет, поэтому применение при ремонте изношенных конструкций накладных листов еще долгое время будет оставаться актуальным. Что касается аварийного ремонта и увеличения общей продольной прочности корпусов судов при их модернизации с помощью накладных листов, то эти мероприятия будут оставаться актуальными всегда.

Установка накладных листов приводит к появлению ряда проблем, связанных с прочностью, устойчивостью и вибрацией подкрепленных пластин.

Различные аспекты прочности и устойчивости судовых пластин, подкрепленных накладными листами, исчерпывающе освещены в работе А.И. Мамонтова

С точки зрения вибрации, которая при циклическом изгибе приводит к появлению усталостных трещин, установка накладного листа в зависимости от его параметров может снижать или увеличивать частоту собственных колебаний подкрепляемой пластины, так как, с одной стороны, увеличивает

изгибную жесткость пластины, с другой - увеличивает ее массу.

Обоснованная оценка влияния параметров накладного листа на частоту собственных колебаний системы «судовая пластина - накладной лист» позволит исключить появление резонансных колебаний подкрепленных при ремонте пластин, т.е. избежать возникновения усталостных трещин.

Именно решению этой проблемы посвящена представляемая работа.

Цель работы - разработка основ методики выбора параметров накладных листов, используемых при судоремонте, для повышения прочности изношенных пластин судового корпуса с учетом требований по допустимым уровням вибрации, позволяющей снизить стоимость и трудоемкость судоремонта.

Достижение цели основано на теоретическом и экспериментальном исследовании параметров вибрации подкрепленной накладным листом пластины и выборе его параметров, приводящих к требуемому результату.

Для этого в работе решались следующие задачи:

1. Теоретически и экспериментально исследовалась вибрация пластин судового корпуса, подкрепленных накладными листами.

2. Исследовалась концентрация напряжений в пластинах судового корпуса по контуру накладного листа при изгибе.

3. Разрабатывались теоретические основы методики выбора параметров накладного листа, исключающих резонансную вибрацию подкрепляемых пластин - одного из основных источников усталостных повреждений.

Объект исследования: изношенная пластина судового корпуса с накладным листом — двухслойная пластина.

Предмет исследования:

- зависимость частоты собственных колебаний пластины судового корпуса от относительных размеров подкрепляющего накладного листа;

- зависимость концентрации напряжений в подкрепленной пластине по контуру накладного листа в зависимости от его относительных размеров и радиуса скругления углов.

Методы исследования: аналитические методы строительной механики корабля, численные методы расчета конструкций (метод конечных элементов), методы математической статистики и лабораторный модельный эксперимент.

Научная новизна и практическая ценность работы:

- разработаны и обоснованы теоретические основы инженерной методики выбора параметров накладного листа, исключающих резонансную вибрацию системы «пластина - накладной лист», для восстановления прочности изношенных пластин; обоснованы возможности применения простого и экономичного метода ремонта поврежденных судовых пластин с помощью накладных листов;

- разработаны рекомендации по выбору радиуса скругления углов накладного листа, обеспечивающего уровень изгибных напряжений в подкрепленной пластине с учетом их концентрации, который исключает появление усталостных трещин.

На защиту выносятся следующие основные результаты работы:

1. Рекомендации по выбору параметров накладного листа, исключающих резонансную вибрацию подкрепленной накладным листом пластины.

2. Рекомендации по выбору радиуса скругления углов накладного листа, обеспечивающего уровень изгибных напряжений в подкрепленной пластине с учетом их концентрации, который исключает появление усталостных трещин.

Достоверность научных положений и рекомендаций обоснована применением общепринятых апробированных исходных теоретических положений, метода конечных элементов и лабораторного эксперимента; сопоставлением результатов, полученных различными методами.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследования доложены и обсуждены на научно-технических конференциях в 2010 — 2012 гг.: Региональная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и научно-технический прогресс» (г. Владивосток, ДВГТУ), 2010 г.; Международная конференция с элементами научной школы для молодежи стран АТР по судостроению (г. Владивосток, ДВГТУ), 2010 г.; Ill Всероссийская научно-практическая конференция «Ремонт. Восстановление. Реновация» (г. Уфа), 2012 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 научных статей, из них 2 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и восьми приложений. Общий объем работы составляет 186 листов, в том числе 67 рисунков, 44 таблицы и список литературы из 83 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, определены цели и методы исследования, кратко изложено содержание диссертации, приведена научная новизна и практическая ценность работы, отражена информация об апробации работы и публикациях. Структурная схема работы представлена на рисунке 1.

В первой главе дан исторический обзор работ, посвященных повреждениям листовых конструкций судового корпуса, и выполнен анализ причин появления подобных повреждений.

Согласно работам Н.Ф. Ершова и О.И. Свечникова пробоины и другие нарушения непроницаемости бортов наиболее распространены при малой толщине (3-4 мм) обшивки борта. Такие повреждения, даже при их небольших размерах, осложняют эксплуатацию и нередко ставят под угрозу безопасность судна.

Согласно работам Н.В. Барабанова, Г.П. Шемендюка, В.А. Бабцева, В.А. Кулеша и Ю.Ф. Литвинова повреждения корпусов судов ледового плавания (с толщиной обшивки более 5 мм), которые наблюдались чаще в определенных местах, устраняли подкреплением или заменой наружной обшивки с набором в эксплуатационный период судна.

Рисунок 1. Структурная схема работы

По исследованиям С.Н. Драницына, Б.Н. Захарова, СБ. Караванова на судах высоких ледовых категорий подавляющая часть повреждений набора перекрытий (до 90%) имеет местный характер.

Деформации и локальные износы конструкций, возникающие при эксплуатации, и связанные с ними замены, не позволяют достичь предельно-допустимых износов на конец срока службы судна. Это приводит к перерасходу материала и увеличению трудоемкости.

Далее в работе выполнен анализ нормативных документов, регламентирующих предупреждение появления повреждений и способы их устранения.

Результаты работ Н.Ф. Ерщова, О.И. Свечникова, В.Т. Луценко, А.Д. Юнитера, Н.В. Барабанова, Г.П. Шемендюка, В.А. Бабцева и др. показывают, что нецелесообразно менять весь лист с деформацией, если его толщина составляет более 5 мм.

Согласно исследованиям И.М. Чибиряка при ремонте поврежденные или изношенные связи вырезают и заменяют новыми, что вызывает появление высоких ремонтных напряжений, которые в свою очередь приводят к ремонтным повреждениям. В дальнейшем во время эксплуатации они суммируются с напряжениями от внешних нагрузок и вызывают перенапряжения отдельных конструкций.

Установка накладных листов также сопряжена с появлением остаточных сварочных напряжений, однако их уровень существенно ниже, чем при вварке листов в жесткий контур при замене.

Согласно требованиям Регистра судоходства допускается временный ремонт с помощью накладных листов для связей, участвующих в обеспечении общей продольной прочности корпуса, а также изношенного участка листа с местным износом. Отмечается тот факт, что накладные листы для местных подкреплений допускаются как средство временного или аварийного ремонта.

Как отмечалось в работе А.Д. Юнитера, ремонт корпусных конструкций накладными листами обладает многими технологическими и экономическими преимуществами и при научном обосновании имеет право на существование.

Приведены положительные примеры применения накладных листов при ремонте судов, а также в основном положительное мнение представителей большинства инспекций Регистра судоходства по этому поводу.

На основании выполненных обобщений и анализа сформулированы задачи исследования.

Вторая глава посвящена определению напряженно-деформированного состояния пластины, подкрепленной при ремонте накладным листом, при ее изгибе для выявления потенциально опасных с точки зрения появления усталостных трещин районов пластины. Речь идет о циклическом изгибе пластины, который имеет место при ее вибрации.

Рассмотрен изгиб балки-полоски переменного по длине сечения при жесткой заделке концов. Расчетная схема приведена на рисунке 2.

Опорный момент Мк определяется выражением

і * ча

М„ =-а,

я 12

О)

где коэффициент а = —

3-

Ь;(\-к) + к Ь0(1-к)+к

значения которого зависят от

относительной ширины накладного листа Ь0 и соотношения моментов инерции различных сечений пластины к.

мл (

мм

&

ш

/ и

, 2

тттт

д = 2

а/2

ш

Мяі

2_

ММ

А/2

V

0=0

м = \

Рис. 2. Расчетная схема балки-полоски по методу <

Изгибающий момент в точке С определяется выражением

с 12

где коэффициент Р =

ЬЦ\-к) + к 2 Ь0{\-к)+к 0

Изгибающий момент в точке В определяется выражением

М д = -—у, Л 12 '

(2)

, 1 Ъ1{\-к) + к где коэффициент у =---—,-г-.

2 60(1-А:) + Ус

Сопоставление величин коэффициентов ог, Р и у показало, что поскольку соотношение напряжений во всех случаях меньше 0,5, то при любом соотношении параметров пластины и накладного листа наибольшие напряжения действуют в заделке (на опорном контуре пластины), т.е. определяющим прочность пластины с накладным листом является опорный момент Мц.

В работе определена зависимость относительной толщины накладного листа п от его относительной ширины 60, что позволяет рассчитать параметры накладного листа минимального веса с целью экономии материала и недопущения снижения собственной частоты колебаний подкрепляемой пластины

Ь1~АЬ0 , (4)

\А-(\-Ь0)+Ь1-\

Рассмотрен изгиб балки-полоски переменного по длине сечения при шарнирном опирании концов. При этом установлено соотношение между моментами инерции площадей поперечных сечений эквивалентной балки-полоски постоянного сечения ./э и исходной балки-полоски переменного по длине сечения в неподкрепленной части 3

Jэ= — , (5)

«со

где коэффициент при свободном опирании пластины

. \4 Ь0 (о,6(2-&оХ2~ ьо ) + О'4^2)

V + (] + и)3

Далее в работе проведен анализ напряженного состояния подкрепленной накладным листом пластины методом конечных элементов для контроля результатов расчетов, полученных аналитически, с целью оценки погрешностей, возникающих благодаря принятым допущениям. При аналитическом расчете не учитывались цепные напряжения и сдвиговые деформации. Часть пластины, подкрепленная накладным листом, считалась монолитной. Не учитывалась внецентренность приложения усилий в плоскости подкрепленной пластины.

Расчет МКЭ выполнен для случая цилиндрического изгиба пластины при действии поперечного давления. Схема подкрепления приведена на рисунке 3. Рассматривалось жесткое закрепление пластины на опорном контуре при учете распора.

В качестве расчетного принято единичное давление Р = 1 МПа. Перерасчет напряжений и перемещений на любое реальное давление в рамках линейной задачи осуществляется умножением на его величину. Величина шпации составляет а = 600 мм, толщина пластины 50 = Ю мм, толщина накладного листа 5„ = 0,5-5о = 5 мм.

Рис. 3. Расчетная схема подкрепления пластин накладными листами

В качестве расчетного принято единичное давление Р = 1 МПа. Перерасчет напряжений и перемещений на любое реальное давление в рамках линейной задачи осуществляется умножением на его величину. Величина шпации составляет а = 600 мм, толщина пластины 50 = 10 мм, толщина накладного листа 51,, = 0,5-5о = 5 мм.

Из анализа результатов расчета установлено, что при принятых соотношениях толщины пластины к ее пролету влияние распора практически не проявляется. При этом касательные напряжения на два порядка ниже нормальных, т.е. пренебрежимо малы. Кроме того, характер изменения нормальных напряжений по ширине пластины и количественно, и качественно практически совпадает с полученным аналитически.

Затем была проварьирована относительная ширина накладного листа Ь0 = Ыа в диапазоне 0 1 при его постоянной относительной толщине п = 0,5.

Сопоставление результатов соответствующих расчетов напряжений в характерных сечениях методом конечных элементов с результатами аналитического расчета напряжений приведено на рисунке 4. а, МПа

в характерных точках подкрепляемой накладным листом пластины, полученных аналитическим расчетом (сплошная линия) и МКЭ (штриховая линия)

В третьей главе произведены расчеты вибрации пластин судового корпуса, подкрепленных накладными листами.

Получены формулы для определения частот собственных колебаний пластины первого тона с учетом переменной по длине балки-полоски массы при жесткой заделке концов:

, 511 ^

/ц ---г, - для «сухой» пластины;

, 511 _

Я, ---F2 - для пластины, имеющеи односторонний контакт с водой;

а

. 511 „

Я, =--F?i — для пластины, имеющеи двухсторонний контакт с водой.

а

В этих формулах

1,249

5жз

3 2 1

1,5 + п\ —b0 + —sinлЬ0 ч--%\х\2лЬ0

2 л 4л

1,249

3 2 1

11,9ч-я| — b0 + —sin^0 ч--$,т2лЬ0

2 л" 4 л

1,249

5жз

(3 2 1

22,2 +я — Ь0 ч—sin;rf>0 ч--sin2лЬ0

V2 л 4л

(6)

(7)

(8)

где коэффициент Зжз вычисляется как

5ЖЗ =

1

(«+0'

-[зК4[1-(« + 03]+(« + 1)3}-

bl

1-(я+1)3

1-(и+1)3

+ (и + 1)3

Построены графики функций F,(rr, b0) при жесткой заделке концов пластины.

Получены формулы для определения частот собственных колебаний пластин первого тона с учетом переменной по длине балки-полоски массы при ее шарнирном опирании: , 511 „

Я, =--г, - для «сухой» пластины;

а

, 511 _ „

Я, ---г2 - для пластины, имеющеи односторонний контакт с водой;

а

. 511 „

Я, ---F3 - для пластины, имеющеи двухсторонний контакт с водой.

я

В этих формулах

0,624

2 + щ Ь0 +

2л'

%\плЬ,

0,624

15,8 + п\ Ь0 н--вігі

2л

0,624

29,6 + п\ Ь0 + —^-віп яй0 2л

(10)

(И)

где коэффициент 8со вычисляется как

¿о[0,б(2-1>о)(2-г>о2)+0,4£о21

(1 + пу

Построены графики функций /^(я; 60) при шарнирном опирании пластины.

Установлено, что при установке накладного листа возрастает частота собственных колебаний подкрепленной пластины, что благоприятно с точки зрения предотвращения резонанса.

В четвертой главе выполнены сопоставительные расчеты частот колебаний пластины, подкрепленной при ремонте накладным листом, методом конечных элементов с использованием программного комплекса КАЗТЯЛК1.

В качестве подкрепляемой пластины был выбран следующий вариант ее размеров: меньший размер пластины (шпация) Ь0 = 700 мм, больший размер пластины а0 = 2,5Ь0, толщина 50 = 10 мм. Катет шва, которым накладной лист приварен к подкрепляемой пластине, к = Б0, но не более 5 - толщины накладного листа. Зазор между поверхностями подкрепляемой пластины и накладного листа 1 мм. При этом был рассмотрен вариант установки накладного листа без зазора. Расчетная схема приведена на рисунке 5.

а0 = 2,5-і

«т

50

в

£

Рис. 5. Расчетная схема подкрепляемой пластины с накладным листом

При постоянном соотношении толщин 5/50 = 1,5 были проварьированы

соотношения размеров пластины и накладного листа а/а0 и Ь/Ь0, При этом

было принято равенство соотношений а/а0 = Ь/Ь0. Соотношение 5/50 = 1,5

было выбрано, как максимально допустимое по Правилам Регистра судоходства.

Далее при постоянном соотношении а/а0 = Ь/Ь0 = 0,7 было проварьировано соотношение толщин = 0,5 + 4.

Во всех случаях вычислялись частоты собственных колебаний первого, второго и третьего тонов для «сухой» пластины и пластины, имеющей контакт с водой с одной стороны. Построены формы колебаний первых трех тонов.

Установлено, что собственные частоты при установке накладного листа практически всегда увеличиваются. При большой относительной ширине накладного листа (более 0,8), накладной лист и пластина колеблются мало зависимо друг от друга. С увеличением зазора этот эффект усиливается.

Собственные частоты колебаний пластины с накладным листом при увеличении толщины накладного листа растут, а затем стабилизируются с тенденцией к уменьшению, вследствие роста массы накладного листа при замедлении роста жесткости пластины с накладным листом.

С ростом толщины накладного листа более явно проявляется эффект раздельного колебания пластины и накладного листа, начиная с 5/^0 = 2.

Произведено сопоставление результатов расчета собственных колебаний частот первого тона пластины с накладным листом по аналитическим зависимостям, полученным в главе 3, и результатам расчета МКЭ (см. рис. 6).

Рис. 6. Сопоставление результатов расчета собственных колебаний первого тона по аналитическим зависимостям и МКЭ

Сопоставление результатов расчета показало:

1. Качественный характер зависимостей собственной частоты колебаний от относительной ширины накладного листа в обоих случаях одинаков.

2. Для пластины, не имеющей контакта с водой, результаты расчета имеют удовлетворительное количественное совпадение: при ширине накладного листа менее 0,5 от ширины пластины частоты отличаются не более чем на 7%; при Ь0 < 0,7 отличие составляет менее 12%, а максимальное расхождение частот при Ь0 = 0,9 не превышает 18%.

3. Расхождение частот для пластины, имеющей односторонний контакт с водой, значительное - в 2 раза. Анализ показал, что причина этого заключается в разной оценке величины присоединенной массы воды. Для аналитического расчета при определении массы воды использовались зависимости из работы В.В. Давыдова и Н.В. Маттеса, а при расчете МКЭ результаты тестировались по формуле из справочника по СМК под редакцией О.М. Палий. Сопоставление показало приблизительно двукратное отличие в оценке присоединенной массы воды. При пересчете результатов с учетом одинакового подхода к определению этого параметра, расхождения в оценке частот в том и другом случае не превышают расхождений для «сухой» пластины.

4. Во всех случаях расчет частоты по аналитическим зависимостям дает заниженные оценки их величины с отклонением в безопасную сторону.

Полученные аналитические зависимости для оценки частот собственных колебаний пластин с накладными листами адекватно моделируют процесс колебаний и могут быть эффективно использованы при оценке резонансных частот подкрепленных таким образом пластин.

В пятой главе проведен анализ концентрации напряжений в подкрепленной при ремонте пластине по контуру накладного листа в зависимости от влияния трех факторов:

1) относительных размеров накладного листа;

2) радиуса скругления угла накладного листа;

3) сварного шва.

Сначала рассматривалась зависимость коэффициента концентрации напряжений от степени перекрытия пластины накладным листом. Расчетная схема представлена на рисунке 7. Расчеты выполнялись при постоянных размерах подкрепляемой пластины: толщине 50 = 10 мм; меньшем размере Ь0 = 700 мм; большем размере а0 = 2,5Ь0 = 1750 мм.

-■I

Рис. 7. Расчетная схема подкрепленной накладным листом пластины

Толщина накладного листа равнялась максимальной величине, предусматриваемой Правилами Регистра, а именно 5 = 1,550 = 15 мм.

Зазор между пластиной и накладным листом принимался равным 2 мм.

Катет сварного шва равнялся толщине подкрепляемой пластины к = 50 = 10 мм.

За номинальные напряжения принимались напряжения в точке В (сгв) для пластины без накладного листа.

Коэффициент концентрации напряжений в углу накладного листа определялся в соответствии с зависимостью

а = (12)

где а„іШ - напряжения в углу накладного листа. Вычислялись приведенные напряжения по критерию Мизеса в Па.

Расчеты выполнялись при следующих относительных размерах накладного листа: ЫЬ0 = а/а0 = 0,05; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6 и пластины без накладного листа, т.е. ЫЬ0 = а/а0 = 0.

Выявленное в результате расчетов влияние относительных размеров накладного листа на коэффициент концентрации напряжений приведено на рисунке 8.

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Рис. 8. Влияние относительных размеров накладного листа на коэффициент концентрации напряжений в углу последнего

Установлено, что наибольшая концентрация напряжений возникает при относительной ширине накладного листа около 0,2. При малой его ширине (менее 0,075йоХ а также при ширине близкой к половине ширины подкрепляемой пластины (от 0,4Ь0 примерно до 0,7Ь0) в углу накладного листа практически нет концентрации напряжений.

Далее была рассмотрена зависимость коэффициента концентрации напряжений от радиуса скруглення угла накладного листа.

Расчетная схема, размеры и толщина подкрепляемой пластины, толщина накладного листа, зазор между подкрепляемой пластиной и накладным листом и катет сварного шва приняты такими же, как и для расчетов зависимости коэффициента концентрации напряжений от степени перекрытия пластины накладным листом.

Все расчеты выполнены при одном соотношении размеров накладного листа и подкрепляемой пластины Ь/Ьо = а/а0 = 0,2, при котором согласно

выполненным ранее расчетам коэффициент концентрации напряжений имеет максимальное значение.

Выявленное в результате расчетов влияние относительного радиуса скруглення угла накладного листа Rib на коэффициент концентрации напряжений приведено на рисунке 9.

О 0,2 0,4 0,6 0,8 I

Рис. 9. Влияние радиуса скруглення накладного листа на коэффициент концентрации

напряжений в углу последнего (здесь Ь - полуширина накладного листа)

Установлено, что с увеличением радиуса скруглення угла концентрация напряжений в целом уменьшается, однако не монотонно. Если радиус скруглення несколько больше ширины сварного шва и толщины пластины (до 2-3 раз), то наблюдается некоторое повышение коэффициента концентрации напряжений.

Затем был произведен анализ напряженного состояния в районе сварного шва на контуре накладного листа. Расчетная схема приведена на рисунке 10.

В данном случае возбудителем концентрации напряжений является лобовой шов, как основной элемент, вовлекающий в работу накладной лист. При этом наиболее опасным местом будет место в районе оси симметрии подкрепляемой пластины.

_ао = 2 м_

<у— 1 МП а

5о = 10 мм

bo = 0,6 м — 5=5 мм ---- . Расчетное -»-сечение

—-

Рис. 10. Расчетная схема пластины с накладным листом

На рисунке 11 приведена схема соединения накладного листа и подкрепляемой пластины (продольное сечение).

Рис. 11. Схема соединения накладного листа и подкрепляемой пластины

На рисунке 12 представлена характерная зона с повышенным уровнем интенсивности напряжений. Для рассматриваемого случая максимальное значение интенсивности напряжений равно 3,53 МПа. На кромке подкрепляемой пластины (загруженная кромка) интенсивность напряжений равна 1,83 МПа. Если последние считать номинальными напряжениями, то коэффициент концентрации составит а= 1,93.

Интенсивность напряжении. МПа

¡1 Узел N9 262 к»<твмсиемост* непртеемий ра* • Э,5ЭЕ+00

| ОК | Отмена |

Рис. 12. График распределения интенсивностей напряжений в характерной зоне

Как следует из рисунка 13, уровень интенсивности напряжений падает по мере удлинения накладного листа. В последнем случае а = 1,49, против а = 1,93 при относительной длине накладного листа 0,75 от длины подкрепляемой пластины.

Рис. 13. График распределения интенсивностей напряжений в характерной зоне

Было рассмотрено, как изменяться результаты решения, если накладной лист и подкрепляемую пластину рассматривать как единое целое (см. рисунок 14).

Рис. 14. Накладной лист и подкрепляемая пластина как единое целое

Как видно из рисунка 15, с достаточной для практики точностью для данной постановки решения задачи можно воспользоваться монолитной моделью подкрепления накладным листом.

ттптммштт^шея

i j Умят гз7 Лггчнздвмостъ мшрюя (ИИЙ рим* З.ЧОС+ОО

|f ОК || он =J

Рис. 15. График распределения интенсивностей напряжений в характерной зоне

Действительно, при соединении листов только лобовым швом а = 1,88, т.е. расхождение составляет около 2,5%.

Приведенные выше результаты относятся к случаю, когда высота катета сварного шва равна толщине накладного листа. Однако при изменении катета шва по отношению к толщине накладного листа будет изменяться и коэффициент концентрации напряжений.

Далее в работе рассматривались различные варианты отношений высоты катета шва к толщине накладного листа. Отношение изменялось от 1 до 0. Для всех рассмотренных случаев характер эпюр интенсивностей напряжений был эквивалентен эпюре, показанной на рисунке 16.

ШШЩШйЩ

Рис. 16. Эпюра интенсивностей напряжений

Обработка полученных результатов свелась к приближенной зависимости коэффициента концентрации напряжений от отношения к/Б:

где а = 0,020; b = 0,250; с = 0,431; к - высота катета шва; S - толщина накладного листа.

Установлено, что с ростом катета шва снижается коэффициент концентрации напряжений, т.е. его минимальной величине соответствует катет шва равный толщине накладного листа. При этом в соответствие с приведенной зависимостью а = 3,7, что достаточно много. Однако следует иметь в виду, что это теоретический коэффициент, который выше эффективного коэффициента концентрации напряжений.

Кроме того, в данном случае рассматривалось растяжение пластины с накладным листом. При изгибе пластины под действием поперечного давления на пластину со стороны накладного листа (наружная сторона обшивки) в сварном шве будет иметь место снижение напряжения, что практически безопасно с точки зрения хрупкой прочности. С другой стороны, концентрация напряжений представляет серьезную опасность при циклических нагрузках, приводящих к усталости. Если пластина с накладным листом будет изгибаться под действием пульсирующего давления воды (например, при периодическом пробегании волны вдоль борта), то будет иметь место знакопостоянный цикл изменения напряжения в области сжатия, который наименее опасен с точки зрения развития усталостных трещин.

Опасность могут представлять напряжения от вибрации пластины с накладным листом или ее циклическое растяжение-сжатие при действии волновых моментов. Последнее актуально для пластин палубы и ширстрека. В днищевой обшивке уровень напряжений от общего изгиба корпуса обычно ниже напряжений в настиле палубы. Что касается средней по высоте части бортовой обшивки, где наблюдается интенсивный износ, приводящий к необходимости подкреплений, то здесь напряжения от общего изгиба корпуса минимальны, а интенсивная вибрация возможна только в районе машинного отделения и винта (приблизительно 0,25L в нос от кормового перпендикуляра).

Шестая глава посвящена экспериментальному исследованию вибрации пластин, подкрепленных накладными листами.

Согласно методике A.A. Черного был составлен план эксперимента.

При постановке эксперимента исходили из рассмотрения вибрации «длинной» пластины, которая на большей части длины изгибается по цилиндрической поверхности. В этом случае согласно работе В.В. Давыдова и Н.В. Маттеса допускается рассматривать колебания балки-полоски, как это делалось в главах 2 и 3 при теоретическом исследовании колебаний пластины, подкрепленной накладным листом.

В системе «подкрепляемая пластина — накладной лист» пластина моделировалась полосой длиной рабочей части 600 мм (максимальная длина 700 мм), шириной 30 мм и толщиной 4 мм. Накладной лист моделировался полосой шириной также 30 мм при варьировании длины накладки в пределах

120 — 480 мм (0,2 - 0,8 от длины рабочей части полосы, имитирующей пластину) и толщины накладки в пределах 3 - 6 мм (0,75 - 1,50 от толщины пластины).

Поскольку реальные пластины судового корпуса в большинстве случаев имеют ту или иную погибь (начальную или приобретенную), были проведены опыты на образцах с накладкой, имеющих погибь. Исследования в этом направлении представляют самостоятельный интерес.

На рисунке 17 показаны прямолинейные образцы с накладкой, на рисунке 18 - образцы с накладкой, имеющие косинусоидальную погибь, на рисунке 19 -форма погиби образцов.

Всего для каждой формы погиби было изготовлено по 16 образцов.

Таким образом, испытывались два вида образцов, «прямые» и с начальной погибью трех величин, V,, V2, V3. Исследовались образцы с жесткой заделкой на опоре.

т МО,5

MU0.5SH)

Рис. 17. Прямые образцы без начальной погиби

Жесткая заделка имитировалась путем зажатия образца при помощи стальных губок разрывной машины Р-5 (лаборатория Сопротивления материалов ДВГТУ, ныне ДВФУ).

Н\ Ь(0,5Srf)

Н\ M0.5S//)

Рис. 18. Образцы с косинусоидальной погибью

Прямой участок

Прямой участок

50

і/

А

В

С

\

50

200

350

500

700

Рис. 19. Форма погиби заготовок образцов

Измерение параметров колебаний осуществлялось с помощью прибора для измерения вибрации фирмы Вгие1&0)аег.

Датчики устанавливались на образец и накладку, что позволяло измерять параметры колебаний обоих элементов. Вибрация возбуждалась ударом по боковой поверхности образца или накладки. Измерялись частоты первого тона собственных колебаний.

Сопоставление результатов аналитического расчета и экспериментальных данных показало:

1. Качественный характер зависимостей собственной частоты колебаний от относительной ширины накладки в обоих случаях одинаков.

2. Во всех случаях расчет частоты по аналитическим зависимостям дает завышенные оценки их величины, т.е. с отклонением в опасную сторону, имея ввиду, что отстройка частот собственных колебаний пластин осуществляется вверх от частот основных источников вибрации. Значительное различие теоретических и экспериментальных данных связано с влиянием трудно предсказуемых технологических факторов.

3. Снижение собственной частоты первого тона, которое наблюдалось в аналитических расчета и расчетах методом МКЭ при относительной ширине накладки Ь0 > 0,8, сохраняется и по данным эксперимента, за исключением того, что падение частоты по экспериментальным данным происходит при относительной ширине накладок Ь0 = 0,5 - 0,6. Это можно объяснить погрешностями при проведении эксперимента и технологическими факторами при изготовлении образцов (деформации при резке на гильотине, сварочные напряжения и деформации). Наблюдался недостаточный катет сварного шва и сварочные деформации, которые могут быть причиной этого отклонения.

Далее рассмотрено влияние погиби листа на частоту собственных колебаний первого тона пластины, подкрепленной накладным листом.

Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:

1. С увеличением погиби пластины и увеличением размеров накладки, частота собственных колебаний возрастает, затем происходит падение частоты до значений, соразмерных со значениями частоты колебаний пластин без начальной погиби.

2. Характер зависимости частоты собственных колебаний от погиби остается неизменным относительно одной из переменных при фиксированном значении второй переменной (Ь0 или п).

3. Увеличение иогиби в практически допустимых пределах не ведет к уменьшению относительной частоты собственных колебаний, что могло бы привести к возникновению явления резонанса.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Разработаны теоретические основы методики выбора параметров накладного листа, исключающих резонансную вибрацию подкрепленной накладным листом судовой пластины.

2. Получены аналитические зависимости частоты собственных колебаний пластин судового корпуса, подкрепленных накладными листами, от относительных размеров последних, позволяющие выбирать размеры накладного листа при восстановлении прочности изношенной пластины, исключая возможность возникновения резонансных колебаний.

3. Показано, что каждой толщине накладного листа соответствует относительная ширина накладного листа, которая обеспечивает минимум опорного изгибающего момента, определяющего прочность пластины с накладным листом.

4. Получено соотношение между параметрами накладного листа минимального веса, которое позволяет, задаваясь относительной шириной накладного листа, получать относительную толщину, соответствующую его минимальному весу, и наоборот.

5. Установлено, что при любых параметрах накладного листа напряжения в характерных точках подкрепленной пластины ниже, чем в неподкрепленной пластине, а максимальные напряжения действуют на опорном контуре.

6. Показано, что при относительной ширине накладного листа Ь0 ^ 0,5 частота собственных колебаний подкрепленной пластины увеличивается по сравнению с неподкрепленным вариантом при любых толщинах накладного листа, что практически исключает возможность возникновения резонансной вибрации.

7. Показано, что качественный и количественный характеры зависимостей частоты собственных колебаний от параметров накладного листа достаточно близки при аналитическом расчете и расчете методом конечных элементов.

8. Установлено, что максимальная концентрация напряжений имеет место в углах накладного листа.

9. Установлены зависимости коэффициента концентрации напряжений от относительных размеров накладного листа и радиуса скругления угла.

10. Даны рекомендации по выбору радиуса скругления углов накладного листа, обеспечивающего уровень изгибных напряжений в подкрепленной пластине с учетом их концентрации, который исключает появление усталостных трещин.

11. Получена эмпирическая зависимость коэффициента концентрации напряжений в сварном шве от относительного размера катета сварного шва.

12. Установлено, что с увеличением погиби подкрепляемой пластины частота ее собственных колебаний возрастает, что благоприятно с точки зрения

исключения резонансных колебаний. При значительной погиби наблюдается некоторое снижение частоты собственных колебаний до значений, соизмеримых с частотами колебаний неподкрепленной пластины.

Следует отметить, что совместно с работой А.И. Мамонтова данная работа завершает цикл исследований вопросов прочности судовых пластин, подкрепленных накладными листами, которые являются теоретической основой разработки инженерной методики проектирования такого рода подкреплений при судоремонте.

Автор выражает благодарность Заслуженному работнику высшей школы Российской Федерации, доктору технических наук, профессору Луценко В.Т. за ценные советы, замечания и помощь в редактировании автореферата.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ

Публикации в изданиях перечня ВАК:

1. Корявец А.Г. Восстановление местной прочности корпусов судов / А.П. Аносов, А.Г. Корявец, И.С. Старовойтов // Морской флот. - 2010. - № 5-6. - С. 27-29.

2. Корявец А.Г. Расчет колебаний системы «пластина-накладка» с помощью метода конечных элементов / А.Г. Корявец, А.П. Аносов, И.С. Старовойтов // Морские интеллектуальные технологии. — 2011. — № 1 (Спецвыпуск). - С. 62-63.

Публикации в сборниках научных трудов:

3. Корявец А.Г. Использование накладных полос и дублирующих листов при ремонте с целью восстановления местной прочности / А.Г. Корявец, И.С. Старовойтов // Сб. докл. Региональной науч.-техн. конф. «Молодежь и научно-технический прогресс». Ч. 3. — Владивосток: ДВГТУ, 2010. — С. 48-52.

4. Корявец А.Г. Расчет колебаний системы «пластина-дублер» с помощью МКЭ. Сопоставление результатов / А.Г. Корявец, И.С. Старовойтов // Сб. докл. Региональной науч.-техн. конф. «Молодежь и научно-технический прогресс». Ч. 3. - Владивосток: ДВГТУ, 2010. - С. 52-54.

5. Корявец А.Г. Зависимость коэффициента концентрации напряжений от степени перекроя пластины накладкой и относительного радиуса скруглення угла накладки / А.Г. Корявец, И.С. Старовойтов // Сб. докл. Региональной науч.-техн. конф. «Молодежь и научно-технический прогресс». Ч. 3. — Владивосток: ДВГТУ, 2010. - С. 55-58.

6. Корявец А.Г. Практичность использования накладных полос и дублирующих листов при ремонте судов / А.Г. Корявец, И.С. Старовойтов // Сб. докл. Международной конференции с элементами научной школы для молодежи стран АТР по судостроению. - Владивосток: ДВГТУ, 2010. — С. 100104.

7. Корявец А.Г. Анализ опыта использования накладных листов в судоремонте / А.Г. Корявец, А.П. Аносов // Сб. докл. III Всероссийской научно-практической конференции «Ремонт. Восстановление. Реновация». - Уфа, 2012.

КОРЯВЕЦ Андрей Геннадьевич

ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ НАКЛАДНЫХ ЛИСТОВ ПРИ РЕМОНТЕ ИЗНОШЕННЫХ СУДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 04.04.2012. Формат 60x84/16 Бумага писчая. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 115 Отпечатано в типографии ИПК МГУ им. адм. Г.И. Невельского 690059 г. Владивосток, ул. Верхнепортовая, 50а