close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Численное моделирование процессов деформирования и разрушения днищевых конструкций судна при посадке на мель. (httpwww.smtu.rurusnaukadissovetpersonsaung ku mintaung kui mint

код для вставкиСкачать
Ayur Kyu
MhHHT
LII1CJ1EHHOE MO,ll;EJ1I1POBAHI1E TIPOI(ECCOB
,ll;E<I>OPMI1POBAHI15I I1 PA3PYIIIEHI15I ,ll;HI1Il__"(EBbiX
KOHCTPYKI(I1ll CY,ll;HA TIPI1 TIOCA,ll;KE HA MEJ1b
CrrerurarrhHOCTh:
05.08.01. Teop1ui Kopa6mi H cTpOHTenhHIDI MexaHHKa
ABTOpe<PepaT
)U!CCepTaUJm: Ha COHCKaHl!e y'-!eHOM CTerreHH
KaH):(H)J,aTa TeXHH'-!eCKHX HayK
CaHKT-I1eTep6ypr
2014
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный
морской технический университет» на кафедре строительной механики корабля.
Научный руководитель: Родионов Александр Александрович, доктор
технических наук, профессор, заведующий кафедрой
строительной механики корабля СПбГМТУ
Официальные оппоненты:
Вилков Сергей Михайлович, доктор технических наук,
профессор, заместитель генерального директора ОАО
«Санкт-Петербургская судостроительная компания».
Александров Анатолий Владимирович, кандидат
технических наук, и.о. начальника лаборатории ФГУП
"Крыловский государственный научный центр"
Ведущая организация: ФАУ "Российский морской регистр судоходства",
г. Санкт-Петербург
Защита состоится 27 января 2015 г. в 14-00 на заседании диссертационного
совета Д_212.228.01, созданного на базе СПбГМТУ по адресу: 190008,
Санкт-Петербург, Лоцманская ул., д.3, А-313.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте СПбГМТУ
http://www.smtu.ru
Автореферат разослан «_____»_______________2014г.
Отзывы просим направлять в 2-х экземплярах по адресу:
по почте – 190008, г. Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, д. 3, СПбГМТУ (отдел
ученого секретаря), при наличии электронной подписи – e-mail: disser@smtu.ru
Ученый секретарь
диссертационного совета
д.т.н., профессор
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность.
Важной проблемой для судостроения является повышение аварийной
безопасности судов за счет совершенствования конструкции корпуса. С
появлением судов для перевозки экологически опасных грузов, кроме повышения
живучести, появляется задача предотвращения загрязнения окружающей среды.
В последние годы в строительной механике корабля сформировалось
направление аварийной прочности, в рамках которого решались задачи глубокого
пластического деформирования и разрушения судовых конструкций. В этом
направлении работали Л.М. Беленький, А.М. Бененсон, Г.В. Бойцов, Е.П.
Бураковский, В.В. Козляков и др.
Появление судов с ядерными энергетическими установками привело к
проблеме эффективности конструктивной защиты. Первые работы в этом
направлении выполнили такие ученые как Ю.Ф. Лепп, М.В. Филиппео, Y. Akita,
V.U. Minorsky, K.A. Reckling, F. Spinelli, G.Woisin.
Большой вклад в решение проблемы аварийной прочности внесли известные
специалисты А.М. Александров, Е.М. Апполонов, Г.В. Бойцов, Н.Н. Волков, С.М.
Вилков, Б.М. Конторович, С.Б. Кодацкий, Е.А. Маслич, А.Б. Нестеров, О.М.
Палий, В.М. Шапошников и др.
Для того чтобы оценить безопасность по отношению к аварийным условиям
при посадке судна на мель, необходимо иметь процедуру, которая определяет
соотношение между входными параметрами и последствиями этих аварий.
Теоретическое моделирование проблем посадки судна естественно разделяется на
внешнюю динамику и внутреннюю механику.
В последнее время активно используются модели метода конечных элементов
для решения самых разных задач. Благодаря своей универсальности численное
моделирование позволяет в явном виде учесть максимальное количество
факторов, влияющих на конечный результат, и спрогнозировать весь процесс
динамического взаимодействия вплоть до разрушения самых разных
конструкций.
Применение метода конечных элементов к решению проблем прочности
судов при посадке на мель существенно снижает количество допущений в
расчетных моделях. Однако в настоящее время многие проблемы численного
моделирования процессов ударного взаимодействия судов при посадке на мель
остаются нерешенными.
Цель диссертационной работы.
Целью настоящей работы является исследование процессов деформирования
днищевых конструкций при посадке судов на мель с помощью современных
математических моделей, позволяющих с высокой степенью точности
спрогнозировать параметры аварийной прочности. Достижение поставленной
цели требует решение следующих задач:
 разработать высокоточные математические модели прогнозирования
процессов деформирования и разрушения судовых конструкций при посадке
судна на мель;
3
 провести анализ аналитических методов по оценке параметров сопротивления
конструкций при наиболее характерных формах разрушения, реализуемых при
жесткой посадки на мель;
 выполнить численную реализацию математических моделей для процессов
деформирования и разрушения конструктивных связей днища в условиях,
соответствующих силовым воздействиям при посадке на мель;
 проверить адекватность численных моделей на основе сопоставления с
имеющимися экспериментальными данными других авторов;
 с помощью разработанных численных моделей провести исследование
параметров сопротивления днищевых конструкций различных типов при
внешних воздействиях, вызванных посадкой на мель;
 реализовать численное моделирование междисциплинарной задачи процесса
столкновения судна с подводной скалой с учетом влияния водовоздушной среды
и деформируемости конструкции.
Методы исследований.
Для решения задач, посталенных в диссертационной работе, использовались
следующие методы:
 теория упругости, теория пластичности и механика разрушения для
исследования процессов внутренней механики при посадке судна на мель;
 вычислительная механика и метод конечных элементов как основной аппарат
математического моделирования динамических процессов, сопровождающих
посадку судна на мель.
Научная новизна и основные научные результаты выносимые на защиту.
 с помощью моделей метода конечных элементов выполнено моделирование
характерных процессов разрушения днищевых связей корпуса при посадке
движущегося судна на жесткий грунт. Реализованы три характерные формы
разрезания пластины движущимся абсолютно жестким клином: чистый разрез с
закручиванием кромок, разрез с образованием бухтин и впадин вдоль линии
разреза и разрез со складыванием гармошкой перед клином с разрывом на
отдаленных границах;
 проанализировано несколько сценариев поперечного столкновения в
различные районы неподвижного перекрытия с движущимся абсолютно жестким
телом в форме конуса со скругленной вершиной. Получены формы глубокого
пластического деформирования и потери несущей способности отдельных связей.
Выявлена роль отдельных конструктивных связей перекрытия в восприятии
разрушающей нагрузки и в поглощении энергии столкновения;
 выявлены особенности и новые направления использования метода конечных
элементов для решения задач динамического взаимодействия при посадке судов
на мель с учетом водовоздушной среды при глубоком пластическом
деформировании и разрушении конструкций.
Практическая значимость работы.
 сформулированы основные принципы методики безопасности судна при
посадке на мель, согласованные с фундаментальными основами строительной
механики корабля;
4
 уточнена область применимости аналитических моделей для анализа
процессов разрушения судовых конструкций при посадке на мель;
 разработаны процедуры численного моделирования деформирования и
разрушения традиционных и перспективных днищевых конструкций судов в
экстремальных условиях посадки на мель;
 получено обоснование перспективных конструктивных схем днищевых
конструкций транспортных судов с точки зрения экстремальной прочности.
 результаты работы могут быть использованы в проектных организациях и
промышленности (ФАУ «РМРС», ОАО «ЦКБ МТ «Рубин», ОАО
«Адмиралтейские верфи» и др.) при: проектировании конструкций, расчетными
для которых являются экстремальные нагрузки при посадке на мель,
столкновении с ледовыми образованиями или другими плавучими объектами;
проектировании конструкций с нетрадиционными видами набора, сэндвичевых и
безнаборных конструкций.
Достоверность полученных результатов.
Достоверность разработанных и предложенных автором математических
моделей обеспечена использованием строгих положений теории упругости и
пластичности, строительной механики, применением высокоточных моделей
метода конечных элементов, решением тестовых задач, сравнением результатов
численного моделирования с аналитическими решениями и экспериментальными
данными.
Достоверность
полученных
аналитических
зависимостей
подтверждается корректностью математических выкладок, обоснованностью
используемых допущений
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертации докладывались и
обсуждались на следующих научно-технических конференциях:
1) Конференция по строительной механике корабля, посвященная памяти
профессора П.Ф. Папковича, 17-18 декабря 2012 г., Санкт-Петербург, ФГУП
«Крыловский государственный научный центр»;
2) Конференция по строительной механике корабля, посвященная памяти
профессора Ю.А. Шиманского, 19-20 декабря 2013 г., Санкт-Петербург, ФГУП
«Крыловский государственный научный центр»;
3) Межвузовская научно-практической конференции студентов, аспирантов
и молодых специалистов «Балтийский экватор-3» 14-15 октября 2014 г.,
Санкт-Петербург, СПбГМТУ.
Публикации.
Основные результаты исследований, выполненных по теме диссертационной
работы, опубликованны в 7 научных статьях в соавторстве, авторская доля
соискателя от 25% до 50%, из которых 2 опубликованы в рецензируемых
научных изданиях, входящих в перечень, устанавливаемый Минобрнауки России.
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит титульный лист,
содержание, введение, пять глав основного текста, заключение, список
литературы; изложена на 199 страницах машинописного текста, содержит 95
рисунков, 13 таблиц, список литературы из 134 наименования литературных
источников.
5
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы,
определяется ее основная цель, приводится краткая аннотация содержания
работы по главам.
Первая глава содержит обзор работ, которые посвящены исследованию
различных аспектов проблемы расчетного прогнозирования процессов,
происходящих при аварийном столкновении судов и посадке судна на мель.
Здесь рассматриваются известные примеры реальных аварий судов,
анализируются формы повреждения и разрушения конструкций, формируется
общая структура методики обеспечения безопасности при посадке на мель.
Рассмотрены работы авторов, оказавших значительное влияние на
совершенствование аналитических и численных процедур вычисления
параметров энергоемкости конструкции при аварийных ситуациях. Проблемы,
связанные с расчетами столкновения судов и посадки судна на мель, принято
разделять на два основных аспекта: внешнюю механику взаимодействия
движущегося судна с препятствием и внутреннюю механику деформируемых и
разрушаемых конструкций,
которые традиционно рассматриваютя
раздельно.
Во второй главе исследуются методы, применяемые для анализа процессов
внутренней механики при посадке судна на мель, в частности столкновение с
жесткой преградой на морском дне. Рассмотрены как аналитические методы, так
и численный метод в варианте метода конечных элементов.
При посадке судна на жесткий грунт происходит разрыв днищевых связей,
реализуемые при этом механизмы разрушения близки к тем, что происходит в
процессах разрезания пластин движущимся клином.
Механика процесса разрезания сложна, поскольку она может включать
пластическое течение пластины около наконечника клина, вязкое разрушение,
трение между клином и пластиной, мембранную деформация пластины, и
существенный изгиб фрагментов пластины отгибаемых от наконечника клина, в
различных видах скручивания и складывания. Даже если рассматривать
классический пример разрезания клином неподкрепленного фрагмента пластины
обнаружиаются различные формы деформирования: разрез с закручиванием
кромок пластины вдоль линии разреза – чистый разрез; разрез с образованием
бухтин вдоль линии разреза; складывание пластины гармошкой перед клином с
разрывом на удаленных границах.
Для моделей чистого разреза и разреза со складыванием гармошкой
проанализированы аналитические методы Вержбицкого, Томаса и Чженмина
Зана. Их различие состоит в принимаемой кинематической модели механизма
разрезания пластины. В таблице 1 представлены аналитические зависимости,
предложенные различными авторами для силы разрезания.
6
Таблица 1 – Аналитические зависимости для силы разрезания
Форма разрезания
Метод Вержбицкого и
Метод Чженмина Зана
Томаса
0.6
 

Чистый разрез
F  1.942 t l   tan   1 
F  3.28 0  t   0.4l 0.4t 1.6
.
tan 
1.5 0.5
0.25
0
Разрез со
складыванием
гармошкой
F  4,33 0t 5/ 3b1/ 3   (8/ 3) Rc t 
0.5


F  6,77 0t 5/ 3b1/ 3
Здесь обозначено: F - сила реакции от пластины на клине; t - толщина пластины; b ширина пластины (мм) ;  o - энергически эквивалентное напряжение пластического течения
(мПа); R c – удельная работа разрушения;
вершине клина;
t

- коэффициент трения;
- ширина зоны разрыва перед клином;
l

- половина угла при
- длина разреза.
Рассматриваются теоретические основы моделей метода конечных элементов,
которые применяются в настоящей работе для моделирования различных
аспектов процесса столкновения и посадки судов. Поскольку классические
варианты метода конечных элементов не позволяют получить решения
сформулированной задачи, в разделе описаны те вычислительные процедуры и
опции, которые обеспечивают решение с учетом всех необходимых особенностей
исследуемого процесса, в частности проанализирован явный метод решения
системы нелинейных дифференциальных уравнений, особенности моделирования
физических свойств материала при глубоком пластическом деформировании и
контактного взаимодействия и трения конструктивных элементов твердых тел.
Отмечается необходимость расширения возможностей метода конечных
элементов за счет использования наряду с Лагранжевой схемой описания и
решения основных дифференциальных уравнений еще и Эйлеровой схемы или
комбинированой Лагрежево-Эйлеровой схемы. В Лагранжевом подходе сетка
конечных элементов перемещается непосредственно с материалом. Материал не
пересекает границы элемента, и, таким образом, масса материала в пределах
каждого Лагранжевого элемента никогда не изменяется. В формулировке Эйлера,
сетка является логическим вычислительным пространством, и материалы могут
деформироваться или течь через это пространство, перемещаясь от элемента к
элементу. В комбинированной схеме сетка перемещается некоторым
предписанным образом, в процессе решения. Преимущество комбинированой
Лагрежево-Эйлеровой схемы состоит в том, что движение сетки может быть
отрегулировано так, чтобы примерно следовать за текучим (или жидким
материалом), таким образом меньшее количество элементов необходимо по
сравнению с подходом Эйлера.
Третья глава посвящена расчетным исследованиям механизмов разрушения,
реализуемых при посадке судна на грунт путем моделирования процесса
разрезания пластин днища жестким клином.
7
Анализ динамического процесса удара – изменение силы контакта и
поглощенной энергии при увеличении глубины проникания, характер разрушения
элементов конструкции в ходе проникания клина в зависимости от его формы и
других характеристик проводился с помощью численных моделей метода
конечных элементов в динамической постановке в программной среде
ANSYS/LS-DYNA.
Выполнен расчетный анализ разрезания прямоугольной пластины жестким
клином. Три кромки пластины принимались жестко заделанными, а кромка со
стороны ударяющего клина свободная. Клин ударяется в середину длинной
кромки пластины со скоростью V=5 м/сек. Схематическое изображение пластины
и клина приведено на рис. 1.
Рассмотрено влияние угла заострения клина и угла наклона на форму
разрезания, силу контакта и внутреннюю энергию. Приняты клинья, обладающие
различными углами заострения 40°, 60° и 80° с углом наклона 0°, 10° и 20°.
Варианты расчета классифицировались следующим образом: а) 2θ = 40°, α = 0°;
б) 2θ = 60°, α = 0°; в) 2θ = 80°, α = 0°; г) 2θ = 40°, α =10°; д) 2θ = 60°, α = 10°; е) 2θ
= 80°, α =10°; ё) 2θ = 40°, α = 20°; ж) 2θ = 60°, α =20°; з) 2θ = 80°, α = 20°; (2θ угол при вершине клина; α – угол наклона клина)
В результате расчетного исследования обнаружено, что во всех
рассмотренных вариантах возникает разрыв пластины по линии контакта клина с
пластиной, что можно классифицировать как чистый разрез.
Рис. 1 – Схематическое
изображение клина на пластину.
Рис. 2 – Конечно-элементная модель
разрезания пластины жестким клином
Обнаружено, что разрез с закручиванием кромок пластины получен при
воздействии острого наклонного и прямого клина кроме прямого клина с
большим углом заострения (рис. 3).
а)
б)
в)
Рис. 3 – Формы разрезания в виде закручивания кромок пластины:
а) 2θ = 40°, α = 0°; б) 2θ = 60°, α = 0°; в) 2θ = 80°, α = 0°
На рисунке 4-а и 4-б изображены зависимости обобщенных параметров
разрезания пластины от глубины проникания клина. Сопоставление результата
расчета по методу конечных элементов для воздействии клина с острым углом 2θ
8
= 60°, наклоненного в направлении движения под углом α = 20° с
существующими аналитическими методами на основе эксперимента
Вержбицкого и Томаса (1992) представлены на рисунке 4-в.
а)
б)
в)
Рис. 4 – а) Зависимость контактной силы от глубины проникания клина; б) Зависимость
внутренней энергии от глубины проникания клина; в) Сопоставление зависимости силы
контакта от глубины проникания клина.
Разрез с образованием бухтин вдоль линии разреза рассматриваемой
прямоугольной пластины обнаруживается, если клин перпендикулярен плоскости
пластины, угол заострения составляет 80°, а наконечник клина скруглен радиусом
10 мм. Пластина разрушается с образованием двух трещин, что приводит к
образованию периодических складок вдоль краев трещины. Размер области
складывания соотносится с формой клина и растет с увеличением трения между
клином и листом. Серия расчетов проведена при различных значениях
предельной пластической деформации ε_пл: 30%; 40%; 50%. Полученные формы
деформирования при разрезе на моделях метода конечных элементов для
рассматриваемых случаев, показаны на рис. 5.
а)
б)
в)
Рис. 5 – Формы разрезания в виде образования бухтин и выпучин при различных значения
предельной пластической деформации: а) - ε_пл: 30%; б) - ε_пл: 40%; в) - ε_пл: 50%.
9
Во всех случаях выделяется начальная зона разреза, напоминающая чистый
разрез, далее образовываются рваные кромки с бухтинами и впадинами.
Существенного качественного различия форм разрушения от значения
предельной деформации не усматривается. Графики зависимости контактной
силы и внутренней энергии от глубины проникания клина изображены на рис. 6.
Видно, что пульсации силы обнаруживаются на начальном этапе проникания
клина в пластину, а затем они возобновляются после того как наконечник клина
преодолел половину ширины пластины. Понятно, что с ростом значения
предельной пластической деформации значение внутренней энергии возрастает.
Максимальный рост в данном случае составляет 25%.
а)
б)
Рис. 6 – Зависимость обобщенных параметров разрезания пластины от глубины
проникания клина для различных значений предельной пластической деформации: а –
сила контакта; б – внутренняя энергия
Исследован разрез со складыванием пластины гармошкой перед клином с
углом заострения клина 80° и закругленным наконечником с радиусом
округления 10 мм. Клин имеет наклон угол 20° в направлении движения.
Рассматривалось несколько вариантов толщины пластины: 0,5 мм, 1,0 мм и
1,5 мм. Реализованные на конечно-элементных моделях формы разрезания для
пластин различной толщины показаны на рис. 7.
а)
б)
в)
Рис. 7 – Формы разрезания пластины со складыванием гармошкой при различных
толщинах пластин: а – толщина 0,5 мм; б – толщина 1,0 мм; в – толщина 1,5 мм
Видно, что пластина рвется по линиям границ, где заданы условия жесткой
заделки. С увеличением толщины, как можно судить по рис.8, количество
складок уменьшаемся, пять при толщине пластины 0,5 мм, против четырех при
толщине 1,5 мм. Зависимость силы контакта и внутренней энергии от глубины
внедрения клина приведены на рис. 8. По графику контактной силы можно
10
судить, что стабилизация процесса разрезания для различных толщин наступает
при близких значения глубины проникания. Здесь ярко выражены пульсации
силы, вызванные процессом образования складки, ее обтягиванием и отрывом на
отдаленных кромках.
а)
б)
Рис. 8 – Зависимость обобщенных параметров разрезания пластины от глубины проникания
клина с различными углами заострения: а – сила контакта; б – внутренняя энергия
Также исследован разрез со складыванием гармошкой пластины,
подкрепленной ребрами жесткости, при ее взаимодействии с абсолютно жестким
наклонным клином с закругленным наконечником. На рис. 9 представлена форма
деформирования пластины настила перекрытия после разрыва со складыванием
гармошкой.
Рис. 9 – Форма деформирования пластины настила палубного перекрытия после разрыва со
складыванием гармошкой.
Видно, что пластина рвется по пограничным линиям и материал
накапливается перед клином, а пластическое течение и разрушение происходит в
удаленных местах по отношению к наконечнику клина. Воздействие наклонного
клина с пластиной приводит к стабильному разрыву складывания гармошкой
между клином и пластиной. Сила контакта в цикле складывания и разрыва
увеличивается формированием складки, и достигает пика, как раз пока трещина
продвигается из-за сильного натяжения, а затем падает перед началом нового
цикла.
Сопоставлены результаты, полученные методом конечных элементов, с
результатами упрощённых теорий Вержбицкого
и Чженмина Зана, и
экспериментом Яхиаоуи (1994), и показаны на рис. 10.
11
Рис.10 – Сопоставление результатов силы реакции, полученных конечно-элементным
методом с аналитическими методами и экспериментом
Четвертая глава посвещена численному исследованию сопротивления
днищевых конструкций различных типов при посадке судна на мель с помощью
моделей метода конечных элементов. Рассмотрены днищевые перекрытия
традиционного
типа
и
перспективные
конструкции,
образованные
сэндвич-панелями. Посадка судна на мель имитировалась двумя видами
воздействий жесткого конуса, который внедряется в перекрытие как при
вертикальном движении, так и при продольном движении. При каждом виде
воздействия варьировалось местоположение точки начального контакта конуса с
перекрытием (пластина или подкрепляющая связь).
Рассмотрено несколько сценариев поперечного столкновения, движущегося
жесткого конуса, моделирующего подводный камень, с неподвижным
перекрытием.
Сценарии различались районом удара. Рассматривалось четыре сценария
удара конуса при его вертикальном движении в направление неподвижного
перекрытия со скоростью 3 м/сек, различающиеся местоположением вершины
ударяющего конуса относительно днищевых связей: 1- пересечение стрингера и
флора, 2- середина пролета стрингера, 3- середина ячейки пластины и 4середина пролета флора.
Обнаружено, что во всех рассмотренных вариантах местоположения
вершины ударяющего конуса по направлению его движения возникают разрывы
настила и продольных балок, смятия и выпучивания стенок стрингеров и
флоров. Для первого сценария удара на рисунке 11 показаны разрушения
конструкции днища в поле пластических деформаций.
а)
б)
Рис. 11 – Деформации и разрушения связей днищевого перекрытия при ударе конуса в
пересечение стрингера и флора (сценарий 1) в поле пластических деформаций; а) общий вид
всей модели, б) изображена половина перекрытия, верхний и нижний настилы не показаны.
12
Видно, что настил перекрытия деформируется и разрывается под действием
мембранных деформаций, подкрепляющие его ребра жесткости заваливаются и
разрываются, стенки стрингера и флора заминаются и сплющиваются. Для
разных сценариев изменяются и формы деформирования и разрушения, однако
во всех случаях деформации локализуются в районе воздействия наконечника
конуса.
Максимальные значения контактной силы для отдельных конструктивных
связей перекрытия и соответствующая им глубина внедрения конуса
представлены на рисунке 12.
а)
б)
в)
г)
Рис. 12 – Зависимости реактивной силы конструктивных связей перекрытия от
глубины проникания конуса для четырех сценариев удара: а) в пересечение стрингера и
флора (1); б) в середину пролета стрингера (2); в) в середину ячейки пластины (3); г) в
середину пролета флора(4).
Для судов, перевозящих опасные грузы, существуют требования к
конструкции корпуса, согласно которым необходимо наличие двойного борта и
днища с межбортовым пространством. Помимо использования перекрытий с
классической для судостроения системой набора в настоящее время
используются сэндвич-панели различных конструкций.
В работе рассматривалось 6 типов конструкций панелей (см. рис. 13):
сэндвич-панель с сотовым средним слоем (1), сэндвич-панель с решетчатым
средним слоем (2), сэндвич-панель подкрепленная плоским пластинами (3),
сэндвич-панель с Х-образным средним слоем (4), сэндвич-панель с Y-образным
средним слоем (5), а также в качестве сравнения рассматривалась пластина,
подкрепленная набором (6). Известно, что важную роль в способности
поглощения кинетической энергии удара таранящего тела играет количество
материала, вовлеченного в пластическое деформирование. Для того, чтобы в
расчетных исследованиях провести объективное сравнение конструкций с точки
13
зрения ударопрочности, все рассматриваемые конструкции имели одинаковую
массу.
В динамическом анализе рассматривалось два случая ударного
взаимодействия:
а) конусообразное тело ударяется по центру верхней панели между
поперечными подкреплениями. В этом случае разрушение происходит от
растяжения верхней пластины.
б) конусообразное тело ударяется по поперечной связи, подкрепляющей
пластину. В этом случае разрушение происходит от смятия подкрепляющей
стенки.
Моделировался удар со стороны конусообразного тела с углом 45°.
Ударяющее тело имеет сферическую головку на конце радиусом 100 мм. Ударник
двигается под углом к конструкции панели со постоянной скоростью, равной 6
м/сек.
Рис. 13 – Рассматриваемые конструкции сэндвич-панелей
На рисунке 14 представлено деформированное состояние конструкции в
момент разрушения нижней пластины сэндвич-панели с сотовым средним слоем
(модель 1) для случая 1 и 2. Зависимости суммарной реактивной силы и
поглощенной энергии от глубины проникания для двух случаев нагружения
показаны на рисунке 15.
Проведены расчетные исследования аварийной прочности трехслойных
панелей различных типов на воздействие конусообразного тела, двигающегося
горизонтально вдоль конструкции панелей. Районы удара для всех типов
конструкции панели положения наконечника конуса располагались в середине
перекрытия и в центре продольной связи, подкрепляющей пластину.
Рассматриваемые случаи нагружения представлены на рисунке 16.
14
Случай 1
Случай 2
Случай 1
а)
б)
Случай 2
Рис. 14 – Формы деформированного состояния конструкции в момент разрушения нижней
пластины сэндвич-панели с сотовым средним слоем (модель 1):
а)
б)
Случай 2
Случай 1
Рис. 15 – Зависимость суммарной реакции и внутренней энергии от проникания по двум
случаям нагружения:
а) Модель 1; б) Модель 2; в) Модель 3; г) Модель 4; д) Модель 5; е) Модель 6.
Рис. 16– Ударяющее тело и рассматриваемые случаи ударного взаимодействия
15
Случай 2
Случай 1
В результате исследования обнаружено, что во всех рассмотренных типах
конструкции панелей возникает разрыв по линии контакта конуса как в процессе
разрезания. При движении конуса по продольной связи образуется складка. На
рисунке 17 представлено деформированное состояние конструкции в момент
разрушения, полученного после вдавливания жесткого конусообразного тела
вдоль конструкции панелей.
Рис. 17 – Формы деформированного состояния конструкции в момент разрушения нижней
пластины сэндвич-панели подкрепленной плоским пластинами (модель 3)
Случай 1
а)
б)
Случай 2
Зависимости суммарной реактивной силы и поглощенной энергии от
глубины проникания для двух случаев нагружения показаны на рисунке 18.
а)
б)
Рис. 18 – Зависимость суммарной реакции и внутренней энергии от проникания по
двум случаям нагружения:
а) Модель 1; б) Модель 2; в) Модель 3; г) Модель 4; д) Модель 5; е) Модель 6.
В результате расчетного исследования параметров сопротивления в виде
реактивной силы, поглощенной энергии установлено следующее. Для
традиционного перекрытия типа двойного дна лучшими параметрами
энергопоглащения обладает перекрытие с равным количеством флоров и
стрингеров.
Замена
отдельных
стрингеров
ребрами
жесткости,
16
подкрепляющими верхний и нижний настилы, в данном случае не эквивалентна.
Изменение местоположения точки контакта вертикально движущегося конуса
для традиционного перекрытия с равным количеством флоров и стрингеров не
оказывает существенного влияния на энергопоглощение. Наилучшие
результаты по сопротивлению и энергоемкости при всех проанализированных
видах воздействия показала конструкция перекрытия перспективного типа
(сэндвич-панель) с сотовым средним слоем.
В пятой главе проводится численное моделирование процесса столкновения
судна с подводной скалой с учетом влияния жидкости и воздуха. Приведен
математический аппарат, позволивший в рамках одной математической модели
метода конечных элементов учесть особенности поведения водо-воздушной
среды, деформируемости и разрушения движущегося корпуса судна, а также
корректное сопряжение контактного взаимодействия деформируемого твердого
тела с газообразной и жидкой средами. На базе математического аппарата
разработаны модели метода конечных элементов для объектов, участвующих в
динамическом процессе: модель деформируемого корпуса судна-прототипа,
модель скалистого образования на дне. модель водо-воздушной среды.
Предложены
специальные
процедуры,
направленные
на
снижения
вычислительных затрат и повышения эффективности вычислений, что позволило
реализовать решение поставленной задачи.
До момента столкновения судно двигается с постоянной заданной скоростью
14 узлов прямым курсом в условиях тихой воды. В момент контакта с подводным
камнем судно начинало двигаться по инерции. В расчетную модель процесса
столкновения включаются корпус рассматриваемого судна, скалистое
образование на дне в виде абсолютно жесткого конуса, а также водная и
воздушная среды. Так как зона контакта корпуса судна с конусом носит весьма
локальный характер, то деформируемым принималась только часть корпуса в
районе удара. Остальную часть корпуса считалась абсолютно жесткой, и
моделировалась как оболочка.
Расчеты динамических нагрузок при столкновении судна со скалистым
образованием на дне проводились для нескольких вариантов модели материала
деформируемых конструкций корпуса: для модели материала без учета
разрушения и для модели материала с учетом разрушения. Регистрируемый
процесс столкновения продолжается от момента контакта с препятствием до
момента отскока от препятствия и составлял 0.85 сек. В этом процессе выделены
три характерных моментов времени: 1 - начало удара; 2 – середина процесса
взаимодействия; 3 - завершение процесса взаимодействия.
Визуализация процесса столкновения судна с неподвижным подводным
скалистым образованием, и картина деформирования днища в районе носовой
оконечности для рассматриваемых вариантов с учетом и без учета разрушения
представлена на рисунках 19 – 20.
17
а)
б)
С учетом
разрушения
Без учета
разрушения
Рис. 19 – Положение корпуса судна, соответствующее окончанию процесса контакта со
скалистым образованием (момент времени 3): а) без учета разрушения материала. б) с учетом
разрушения материала.
а)
б)
в)
г)
Рис. 20 – Поля пластических деформаций конструктивных связей фрагмента днищевого
перекрытия на момент окончания процесса столкновения: а) набор, вид в аксонометрии, б)
набор, вид сверху, в) наружная обшивка, вид в аксонометрии, г) наружная обшивка, вид сверху.
Графики зависимости продольных и траверсных ускорений в контрольных
точках от времени столкновения, зависимости потенциальной и кинетической
энергии от времени столкновения и абсолютной величины разности
потенциальных и кинетических энергий для вариантов с учетом и без учета
разрушения материала представлены на рисунке 21.
В результате численного анализа получен большой объем необходимой
информации для исследования интегральных параметров динамического
процесса и локальных особенностей силового взаимодействия деформируемого
корпуса судна со скалистым образованием на дне.
18
а)
в)
д)
б)
г)
е)
Рис. 21 – Зависимости продольных (а) и траверсных (б) ускорений в контрольных точках от
времени столкновения, зависимости потенциальной (в) и кинетической (г) энергий от времени
столкновения, абсолютная величина разности энергий: д) потенциальных; е) кинетических.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящей диссертации выполнены работы, соответствующие цели и
поставленным
задачам
по
численному
моделированию
процессов
деформирования и разрушения днищевых конструкций судна при посадке на
мель.
1. Проведен анализ известных катастроф, связанных с посадкой судов на мель.
Проанализированы наиболее характерные формы разрушения конструкций,
которые вызваны силовым контактом днищевых конструкций с твердыми
объектами на дне. В соответствии с общей концепцией строительной механики
корабля сформулированы основные положения методики обеспечения
безопасности судна при авариях, вызванных посадкой на мель. Они включают в
себя три проблемы: разработку сценариев аварийных ситуаций, разработку
расчетных моделей повреждения и формирования критериев за безопасности.
Основное внимание в работе уделено первым двум проблемам.
2. Рассмотрены аналитические и численные методы, применяемые для
анализа процессов деформирования и разрушения конструкции при
навигационных авариях, включающих и посадку судна на мель. Детально
исследованы аналитические методы процессов разрезания пластин жестким
клином, ориентированные на наиболее вероятные формы разрушения: чистый
разрез и разрез со складыванием пластины гармошкой.
3. Проведен анализ области применения аналитических моделей,
используемых для оценки параметров сопротивления прочности при процессе
разрезания пластины. В результате выявлены ограничения применения
аналитических моделей, которые связаны, прежде всего, с невозможностью учета
реальных конструктивных особенностей конструкции, сложных свойств
19
деформирования материала за пределами пропорциональности. Тем не менее
данные модели просты в использовании и дают устойчивую оценку фактической
силы разрезания.
4. В качестве универсального метода решения задачи посадки судна на мель с
учетом глубоком пластическом деформирования, контактного взаимодействия и
разрушения элементов конструкции корпуса предложен метод конечных
элементов с использованием явного интегрирования системы нелинейных
дифференциальных уравнений, поскольку классические варианты метода
конечных элементов не позволяют получить решения рассматриваемой задачи.
5. С помощью моделей метода конечных элементов выполнено
моделирование характерных процессов разрушения днищевых связей корпуса
при посадке движущегося судна на жесткий грунт. В первом приближении
моделирование выполнено путем разрезания пластины движущимся абсолютно
жестким клином, в результате чего реализованы три характерные формы: чистый
разрез с закручиванием кромок, разрез с образованием бухтин и впадин вдоль
линии разреза и разрез со складыванием гармошкой перед клином с разрывом на
удаленных границах.
6. Сформулированы следующие важные выводы по реализации форм
разрезания пластины:
- разрез с закручиванием кромок пластины реализуется при воздействии
острого вертикального или наклонного клина, увеличение угла заострения клина
расширяет зону деформирования;
- разрез с образованием бухтин вдоль линии разреза рассматриваемой
прямоугольной пластины обнаруживается, если клин с большим углом
заострения и закругленным наконечником расположен вертикально.
- разрез со складыванием пластины гармошкой перед клином с разрывом на
удаленных границах, реализуется при разрезании пластины движущимся клином
с большим углом заострения клина и закругленным наконечником, наклоненным
от вертикального положения.
7. Проведено сопоставление полученных численных результатов с данными
экспериментов, выполненных другими авторами. В результате установлено, что
разработанные расчетные модели метода конечных элементов адекватно
отражают реальные процессы и дают необходимую точность для
прогнозирования деформирования и разрушения конструкций при разрезании по
различным формам.
8. На основе разработанных моделей метода конечных элементов проведено
детальное исследование сопротивления днищевых перекрытий различных типов,
как традиционных, так и перспективных стальных сэндвич панелей, под
воздействием нагрузок посадки судна на мель. Установлены наиболее
эффективные варианты перекрытий традиционного типа. Наилучшие результаты
по сопротивлению и энергоемкости при всех проанализированных видах
воздействия показала конструкция перекрытия перспективного типа
(сэндвич-панель) с сотовым средним слоем.
20
9. Проведено полномасштабное численное моделирование процесса
столкновения судна с подводной скалой с учетом влияния водо-воздушной среды
и деформируемости конструкции. Для решения поставленной задачи приведен
математический аппарат, позволяющий в рамках одной математической модели
метода конечных элементов учесть особенности поведения водо-воздушной
среды, деформируемости и разрушение движущегося корпуса судна, а также
корректное сопряжение контактного взаимодействия деформируемого твердого
тела с газообразной и жидкой средами. На базе математического аппарата
разработаны модели метода конечных элементов для объектов, участвующих в
динамическом процессе: модель деформируемого корпуса судна, модель
скалистого образования на дне, модель водо-воздушной среды.
10. Предложены специальные процедуры, направленные на снижения
вычислительных затрат и повышения эффективности вычислений, что позволяет
на существующих в настоящее время вычислительных комплексах выполнить
решение поставленной задачи.
11. В результате численного анализа получен большой объем необходимую
информации для исследования интегральных параметров динамического
процесса и локальных особенностей силового взаимодействия деформируемого
корпуса судна со скалистым образованием на дне.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В
СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ
Публикация в рецензируемых научных изданиях, входящих в перечень,
устанавливаемый Минобрнауки России:
1) Аунг Куи Мьинт, Родионов А.А. Моделирование процесса разрезания
стальной пластины. «Труды Крыловского государственного научного центра».
Вып.75 (359). СПб 2013. с.132-138; (авт. 50%)
2) Аунг Куи Мьинт, Родионов А.А. Численное моделирование аварийного
разрушения днищевого перекрытия при контакте с подводным камнем. «Труды
Крыловского государственного научного центра». Вып.82 (366). СПб 2014.
с.31-36. (авт. 50%)
Статьи в материалах конференций:
3) Аунг Куи Мьинт, Родионов А.А. Моделирование процесса разрезания
стальной пластины. Тезисы докладов конференции по строительной механике
корабля, посвященная памяти профессора П.Ф. Папковича, ФГУП «Крыловский
государственный научный центр», 17-18 декабря 2012 г., СПб, с. 72-74; (авт. 50%)
4) Аунг Куи Мьинт, Родионов А.А. Численное моделирование аварийного
разрушения днищевого перекрытия при контакте с подводным камнем. Тезисы
докладов конференции по строительной механике корабля, посвященная памяти
профессора Ю.А. Шиманского, ФГУП «Крыловский государственный научный
центр», 19-20 декабря 2013 г., СПб, с. 43-45; (авт. 50%)
21
5) Аунг Куи Мьинт, Пономарев Д.А., Родионов А. А. Моделирование
повреждения корпуса судна при столкновении с подводной скалой. Материалы
межвузовской научно-практической конференции студентов, аспирантов и
молодых специалистов «Балтийский экватор-3» 14-15 октября 2014 г.,
Санкт-Петербург, СПбГМТУ, с. 130-136; (авт. 33%)
6) Аунг Куи Мьинт, Родионов А. А. Исследование разрушения днищевого
перекрытия при столкновении с подводным камнем различной формы.
Материалы межвузовской научно-практической конференции студентов,
аспирантов и молодых специалистов «Балтийский экватор-3» 14-15 октября 2014
г., Санкт-Петербург, СПбГМТУ, с. 137-146; (авт. 50%)
7) Аунг Куи Мьинт, Коршунов В.А., Пономарев Д.А., Родионов А. А.
Исследование динамических параметров корпуса судна при навигационных
авариях. Материалы межвузовской научно-практической конференции студентов,
аспирантов и молодых специалистов «Балтийский экватор-3» 14-15 октября 2014
г., Санкт-Петербург, СПбГМТУ, с. 147-154. (авт. 25%)
22
Издательствово СПбГМТУ, Лоцманская, 10
Подписано в печать 24.11.2014 г. Зак. 4715. Тир.100. 1,1 печ. л.
23
24
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа