автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.03, диссертация на тему:Заливаемость носовой оконечности и принципы проектирования палубных конструкций

ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Каленчук Сергей Всеволодович

ЗАЛИВАЕМОСТЬ НОСОВОЙ ОКОНЕЧНОСТИ И ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПАЛУБНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Специальность 05.08.03 - Проектирование и конструкция судов

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: профессор, к.т.н. Иванов Н.А.

......

Владивосток -1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................4

1. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ И УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ НОСОВЫХ ПАЛУБНЫХ ПЕРЕКРЫТИЙ.................................................7

1.1. Конструктивные особенности носовых палубных перекрытий............7

1.2. Повреждаемость открытых палуб от наката волн и анализ

причин их возникновения.........................................................................18

1.3. Основные направления исследований.....................................................30

2. ОБЗОР РАБОТ, ПОСВЯЩЁННЬГХ ИССЛЕДОВАНИЮ ВНЕШНИХ НАГРУЗОК И КОНСТРУИРОВАНИЮ НОСОВЫХ ПАЛУБНЫХ ПЕРЕКРЫТИЙ..............................................................................................32

2.1. Теоретические и экспериментальные исследования внешних нагрузок......................................................................................................32

2.1.1. Определение относительных перемещений носовой оконечности.............................................................................................34

2.1.2. Теоретические расчёты нагрузок на палубные конструкции.............45

2.1.3. Экспериментальные работы в области изучения нагрузок при заливаемости............................................................................................56

2.2. Анализ требований классификационных обществ к конструированию носовых палубных перекрытий..............................................68

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВНЕШНИХ НАГРУЗОК НА НОСОВЫЕ ПАЛУБНЫЕ ПЕРЕКРЫТИЯ.......................................................................96

3.1. Расчётно - экспериментальное определение нагрузок на палубу

бака крупномасштабной модели...............................................................96

3.2. Анализ напряжённо - деформированного состояния носовых палубных перекрытий методом конечных элементов...........................107

3.3. Моделирование нагрузок, вызывающих повреждения палубных конструкций методами теории предельного равновесия.......................114

3.3.1. Обоснование метода и алгоритма расчёта............................................114

3.3.2. Количественный анализ повреждений носовых палубных

перекрытий...............................................................................................120

4. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ И КОНСТРУИРОВАНИЮ НОСОВЫХ ПАЛУБНЫХ ПЕРЕКРЫТИЙ......133

4.1. Расчётные нагрузки....................................................................................133

4.2. Регламентация размеров элементов палубных перекрытий..................134

4.2.1. Назначение толщин палубного настила...............................................135

4.2.2. Проектирование балок основного набора............................................136

4.2.3. Проектирование рамного набора и опорных конструкций................141

4.3. Анализ соответствия разрабатываемых рекомендаций опыту проектирования и эксплуатации судов....................................................153

4.4. Предложения по рациональному конструктивному оформлению носовых палубных перекрытий................................................................156

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................161

ЛИТЕРАТУРА...................................................................................................162

ПРИЛОЖЕНИЯ.............................................................отдельная брошюра

ВВЕДЕНИЕ

Проблема повреждаемости носовых палубных конструкций от заливаемости волнует судостроителей с давних пор. В связи с повреждаемостью ухудшаются производственно экономические показатели работы флота, что происходит из-за дополнительных затрат средств и времени на ремонт. Особенно остро этот вопрос встал в 1960-х гг., в связи с ростом размеров и скоростей судов, а также появлением судов новых конструктивных типов. С этого времени на изучение заливаемости были направлены усилия многих ученых-судостроителей как у нас в стране, так и за рубежом. В связи с большой сложностью рассматриваемой проблемы к настоящему времени рассмотрены только отдельные её аспекты, причем основное внимание сосредоточено на теоретических исследованиях и модельных экспериментах.

Основными причинами повреждений от заливаемости являются случайные эксплуатационные нагрузки высокой интенсивности, расчетные характеристики которых до настоящего времени остаются предметом оживленных научных дискуссий. Классификационные общества постоянно пересматривают свои требования к величинам расчетных нагрузок и конструктивному оформлению носовых палубных перекрытий. Однако появление отдельных повреждений даже на новых судах свидетельствует о необходимости более углубленного и детального исследования проблемы. Для этого необходимо, прежде всего, пополнить знания о внешних нагрузках и резервах прочности носовых палубных перекрытий.

Проблема внешних и внутренних сил в конструкциях в пределах одного исследования обычно рассматривается раздельно. В этом есть свои положительные и отрицательные стороны. Нами предпринята попытка параллельного их изучения на основе испытаний крупномасштабной модели и расчетного анализа примеров повреждений конкретных судов.

Представляемая диссертационная работа выполнялась в соответствии с госбюджетной научно-исследовательской темой "Надежность средств транспортного обеспечения эксплуатации морских сооружений", а также в рамках межвузовской научно-технической программы "Развитие авиаци-

онного, космического, наземного и водного транспорта" (наименование темы: "Разработка методики проектирования носового района корпуса судна для восприятия экстремальных эксплуатационных волновых нагрузок без разрушения конструкций"). Она является продолжением и развитием работ, выполненных ранее сотрудниками кафедры конструкции судов ДВГТУ Н.В. Барабановым, H.A. Ивановым, Г.П. Шемендюком, В.А. Бабцевым, В.Н. Бугаковым, В.А. Кулешом, Ю.Ф. Литвиновым, О.И. Братухиным и направленных на обеспечение прочности и эксплуатационной надежности перекрытий носового района корпуса.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и двух приложений. Она содержит 132 стр. машинописного текста, а также 4 таблицы, 33 рисунка и библиографию из 150 наименований на 42 страницах. Приложения объёмом 64 стр. включают дополнительные таблицы и рисунки.

В первой главе рассматриваются применяемые на практике схемы носовых палубных перекрытий. На основании проведенного анализа составлена классификация носовых палубных перекрытий по конструктивному признаку. Дан подробный обзор типовых повреждений палубных конструкций в носовом районе. Выявлены основные причины повреждений, к которым, в первую очередь, относятся недостаточно правильная оценка внешних сил и ошибки в конструктивном оформлении. Показано, что возникающие повреждения являются следствием приложения локальных нагрузок, а не нагрузки равномерно распределенной по площади всего палубного перекрытия. В заключении главы сформулированы основные цели и задачи работы.

Во второй главе дан обзор теоретических и экспериментальных работ, направленных на изучение гидродинамических давлений, действующих на носовые палубные конструкции. Показано, что существующие физические модели заливаемости дают недостаточно надежные результаты при экстремальных волновых воздействиях. Выполнено сопоставление требований ведущих классификационных обществ к проектированию носовых палубных перекрытий. На основании проведенного анализа составлено представление об уровне современного развития вопросов нормирования расчетных наг-

рузок при регламентации размеров палубных связей.

В третьей главе проведено экспериментальное исследование давлений на палубу бака крупномасштабной модели, результаты которого сравниваются с теоретическими расчетами, выполненными в ЦНИИМФ для судна-прототипа. На основе метода конечных элементов выполнен анализ прочности носовых палубных перекрытий в упругой стадии с целью выявления особенностей напряженного состояния, учёт которых необходим при проектировании балок палубного набора. Проведен упругопластический анализ повреждений реальных судов, направленный на уточнение формы расчетной нагрузки. Показано, что наилучшим образом с наблюдаемой на судах картиной повреждений палубных перекрытий согласуется нагрузка в форме треугольной призмы. По результатам расчетов получена приближенная формула для определения длины основания такой нагрузки.

В четвертой главе разработаны прикладные зависимости, базирующиеся на методах теории предельного равновесия и позволяющие определять размеры элементов носовых палубных перекрытий в функции от параметров расчетной нагрузки в форме треугольной призмы и принятой конструктивной схемы. Обоснованы рекомендации по рациональному конструктивному оформлению носовых палубных перекрытий. Приводится сопоставление разработанных предложений с существующей практикой проектирования;и эксплуатации рассматриваемых конструкций. Дан анализ результатов сопоставления.

На защиту выносятся следующие основные результаты работы:

- методика определения параметров нагрузки на носовые палубные перекрытия в форме треугольной призмы;

- формулы, регламентирующие размеры элементов носовых палубных перекрытий;

- предложения по рациональному конструктивному оформлению носовых палубных перекрытий.

Результаты работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях в городах Нижнем Новгороде и Владивостоке в период 19941999 гг. Содержание исследований опубликовано в 8 печатных работах и использовано при написании 2 научно-исследовательских отчетов.

1. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ И УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ НОСОВЫХ ПАЛУБНЫХ ПЕРЕКРЫТИЙ

1.1. Конструктивные особенности носовых палубных перекрытий

Основным видом нагрузки на носовые палубные перекрытия является давление воды при заливаемости судна на сильном волнении. Неопределенность величины этой нагрузки, ее распределения по площади палубы, а также отсутствие методов расчета породили в свое время большое многообразие различных конструктивных схем.

На первом этапе железного судостроения проектированию носовых палубных перекрытий не уделялось особого внимания, поэтому конструктивно они выполнялись так же, как и палубные перекрытия в средней части. Суда того времени имели деревянные палубы, причем брусья накладывались на железные стрингеры и шельфы. Бимсы устанавливались на шпангоуты через две шпации. Отдельные ярусы бимсов поддерживались рядом центрально-расположенных пиллерсов. С увеличением ширины судов на них стали устанавливать два или даже три ряда таких близкорасположенных пиллерсов, которые настолько затрудняли обработку грузов, что пиллерсы по сторонам грузовых люков часто делались съемными [1].

В начале XX века в грузовых трюмах пиллерсы стали устанавливать через шесть, а затем и через большее число шпаций [81]. На современных судах в целях максимальной интенсификации погрузочно-разгрузочных работ от них и вовсе отказались. Однако в носовой и кормовой надстройке система близкорасположенных пиллерсов была сохранена, так как здесь она не затрудняла нормального использования помещений. Еще в 40-х гг. строились пароходы, на которых палубные перекрытия в оконечностях выполнялись именно по этой схеме (типа "Либерти").

В дальнейшем, и в этих районах наметилась та же тенденция: на малых судах пиллерсы практически исчезли, а на средних их стали ставить значительно реже, да и то, в основном, для подкрепления палубных механизмов, рис. 1.1. Кроме того, к этому времени помещения для матросов с бака были перенесены в корму, в связи с чем, исчезли многочисленные переборки и выгородки, являющиеся опорами для бимсов и карлингсов.

Уменьшение числа опорных конструкций на баке вызвало значительное удлинение пролетов балок. Это вынудило Регистр Ллойда ограничить протяженность карлингсов верхних открытых палуб в носовом районе величиной 3,7м. Потребовался поиск новых конструктивных схем, в результате которого было найдено комплексное решение, связанное с введением в состав носового района корпуса усиленных шпангоутных рам. Рамные шпангоуты в этом случае являются опорами для бортовых стрингеров, заменяя, тем самым, используемые ранее для этой цели распорные бимсы. Ту же роль для палубных перекрытий играют установленные в плоскости рамных шпангоутов рамные бимсы. Так появилась новая разновидность носовых палубных перекрытий с карлингсами, обычными и рамными бимсами, рис. 1.2.

Начавшийся в 50-х гг. быстрый рост размеров танкеров и балкеров, привел к увеличению ширины носового района корпуса. Это потребовало создания дополнительных опор для рамных бимсов. В качестве таких опор снова нашли применение пиллерсы, число которых на баке больших судов могло превышать 2-3 десятка, рис. 1.3.

Если сравнить перекрытия, представленные на рис. 1.2 и 1.3, то можно отметить, что для последнего роль рамных бимсов в поддержании карлингсов относительно невелика, и единственным оправданием их присутствия остается необходимость создания замкнутых шпангоутных рам. Более рационального использования рамных бимсов можно достичь при комбинировании этих двух систем, как показано на рис. 1.4. Диаметральный карлингс и рамные бимсы здесь поддерживаются установленными через три шпации пиллерсами, а боковые карлингсы - рамными бимсами.

На появившихся в начале 60-х гг. первых супертанкерах, зачастую не имевших бака, корпус, включая форпик, стали набирать по продольной системе. Палубные перекрытия в этом случае состоят из продольных подпалуб-

ггчо*ю

рамные динсы i 510*9.5 U КОршгСЫ ±200*125

пиллерсы 02-16*8

686 мм

шпация бЮмм

Рис. 1.3. Перекрытие палубы бакат/х "Esso Spain'

Рис. 1.4. Перекрытие палубы бака т/х "Хороль"

ных балок, которые опираются на рамные бимсы, располагаемые на расстоянии, не превышающем, как правило, четырех шпаций. Создание промежуточных опор для рамных бимсов достигается установкой карлингсов в сочетании с пиллерсами. В настоящее время продольная система набора носового участка верхней открытой палубы получила распространение на крупных танкерах, рудовозах и комбинированных судах, рис.1.5.

Рис. 1.5. Носовой участок перекрытия верхней палубы т/х "Борис Бутома"

Значительно реже такая конструктивная схема встречается при поперечной системе набора бортовых перекрытий. В этом случае для поддержания основных шпангоутов используются полубимсы, доводимые до ближайшего карлингса или продольной балки, рис. 1.6.

Большое влияние на конструктивное оформление носового района палубы оказывают ледовые подкрепления в виде дополнительных рамных шпангоутов. Их наличие вызывает появление большого числа рамных бимсов, рис. 1.7, которые, мало влияя на прочность палубного перекрытия, значительно увеличивают его массу.

Рис. 1.7. Перекрытие палубы бака т/х "Сестрорецк" и "Пионер Москвы"

Кроме того, на ряде судов, испытывающих воздействие повышенных ледовых или волновых нагрузок на прилегающие к форштевню бортовые перекрытия, шпангоуты для более рационального использования устанавливают перпендикулярно бортовой обшивке. В этом случае в составе палубных перекрытий появляются радиальные бимсы. Еще в недалеком прошлом встречались суда, на которых радиальные бимсы доводились до диаметральной плоскости, рис. 1.8, что существенно усложняло технологию сборочных работ.

На современных судах радиальные бимсы чаще всего выполняют в виде бракет, которые доводятся до ближайшего рамного бимса или карлингса, рис. 1.9.

Носовые палубные перекрытия имеют в плане форму трапеции, поэтому установка карлингсов параллельно диаметральной плоскости часто приводит к необходимости резкого обрыва или появления новых связей, что усложняет конструкцию в районе переходов. В значительной степени избежать этого позволяет система набора с продольными рамными связями, расположенными не параллельно диаметральной плоскости, рис.1.10. Указанное расположение карлингсов сохраняет неизменным их число по длине пере-

Рис. 1.9. Перекрытие палубы бака т/х "Игорь Ильинский"

Рис. 1.10. Перекрытие палубы бака т/х "Пула"

крытия и обеспечивает постепенное увеличение прочности бимсов в направлении носа судна. Однако, из-за значительного усложнения технологии сборки на клепаных судах, карлингсы всегда ставились параллельно диаметральной плоскости. С внедрением сварки эти затруднения существенно уменьшились, тем не менее, и сейчас на подавляющем большинстве судов принцип параллельной установки рамных продольных связей в носу сохраняется.

Значительную роль в обеспечении прочности носовых палубных перекрытий играют поперечные переборки, несмотря на то, что за последние полвека их число сократилось. Анализ существующих конструкций показывает, что под палубой бака современных судов наиболее часто устанавливается одна поперечная