Введение к работе
Актуальность темы. Среди современных проблем судостроения важное место занимают вопросы улучшения динамических и виброакустических характеристик как корпусов судов в целом, так и отдельных корпусных конструкций. Эти вопросы становятся все более актуальными по двум причинам. С одной стороны существующие тенденции в проектировании и строительстве судов, а именно, рост энерговооруженности, увеличение размеров, повышение скоростей хода при одновременном снижении металлоемкости корпусов судов и применении новых материалов, влекут за собой сближение спектров частот вынужденной ходовой вибрации и собственных частот основных корпусных конструкций, что создает потенциальную предрасположенность к повышенной вибрации. С другой стороны, требования к допустимым параметрам ходовой вибрации корпуса в целом и отдельных корпусных конструкций постоянно ужесточаются.
Успешное решение проблемы предупреждения повышенной вибрации корпусных конструкций современных судов требует системного подхода, одним из важнейших компонентов которого являются эффективные расчетные алгоритмы, позволяющие оценивать и оптимизировать параметры вибрации корпусных конструкций на ранней стадии их проектирования. Эти алгоритмы должны базироваться на относительно простых расчетных моделях, адекватных ранней стадии проектирования, но в то же время учитывать все основные деформационные взаимодействия и физические параметры конструкции, влияющие на ее динамическое поведение. Изложенное выше в полной мере относится и к рассматриваемым в диссертации конструкциям, расчетная схема которых представляет собой оболочку вращения, подкрепленную шпангоутами и поперечными переборками. При исследовании динамических и виброакустических характеристик таких конструкций важен возможно более точный учет подкреплений и их взаимодействия с оболочкой.
В методиках динамических расчетов для учета подкреплений долгое время применялась конструктивно-ортотропная модель. Но она весьма приближенна и поэтому в последние годы находит все более широкое применение дискретная модель; она
полнее отображает свойства моделируемого объекта и в ряде случаев, - что особенно важно, - позволяет обнаружить специфические особенности динамических свойств подкрепленных оболочек, которые невозможно выявить с помощью первой модели. Вместе с тем до сих пор еще недостаточно разработан такой подход к конструированию дискретной модели, который позволил бы достаточно точно и полно исследовать влияние параметров подкреплений и сравнивать результаты использования различных их вариантов.
Поскольку шпангоуты является одним из важнейших конструктивных элементов судовой оболочечной конструкции, то их значительное динамическое деформирование может привести к нарушению нормального, т.е. нерезонансного виброакустического режима всей конструкции с вытекающими отсюда неприятными последствиями. Поэтому строгое решение казалось бы частной задачи о взаимодействии ободочки вращения и круговых шпангоутов деформируемого поперечного сечения при их совместных вынужденных колебаниях, является достаточно актуальным.
Цель работы и задачи исследования. Основной целью диссертационной работы является разработка новых эффективных дискретных моделей, алгоритмов и методик численного исследования низкочастотного динамического взаимодействия оболочки вращения и подкрепляющих ее круговых шпангоутов деформируемого поперечного сечения при их совместных установившихся колебаниях.
Дня достижения цеди в работе поставлены и решены следующие задачи:
построение дискретной модели и алгоритма численного анализа динамического взаимодействия круговой цилиндрической оболочки и подкрепляющих ее круговых шпангоутов таврового профиля при осесимметричном нагружении;
построение дискретной модели и алгоритмов численного анализа динамического взаимодействия ободочки вращения и подкрепляющих ее круговых шпангоутов таврового профиля при неосесиыметричном нагружении;
создание и отладка программных средств для оценки и оптимизации динамических характеристик шпангоутов и системы "оболочка вращения-'шпангоуты'' на стадии проектирования судна;
- выполнение расчетов, демонстрирующих работоспособность и эффективность разработанных методик, алгоритмов и реализующих их программных средств.
Методика исследования. Основой исследования является отказ от общепринятой модели шпангоутов в виде кругового стержня с неизменяемым поперечшм сечением, а также учет дискретности их расположения на подкрепляемой оболочке.
В принятых моделях используются классические представления строительной механики корабля и теории тонких пластин и оболочек. Для материала корпуса и судовых конструкций предполагается справедливым закон Гука, но с дополнительным учетом неупругих сопротивлений при колебаниях. Учет влияния окружающей жидкости на динамические характеристики проводится с помощью присоединенных масс и внешних линейных сопротивлений. Ввиду малости деформаций и перемещений задача решается в геометрически линейной постановке. В окружном направлении (по параллелям оболочки) внешние нагрузки и искомые величины задачи (усилия и смещения) представляются в виде усеченных рядов Фурье. При разработке метода расчета применяются также квазистатическая аналогия, комплексные параметры и алгоритмы методов парциальных откликов и ортогональной прогонки.'
Для качественной оценки динамических характеристик шпангоутов и оболочки в работе широко используются понятия о матрицах их динамической жесткости или податливости в наиболее характерных сечениях.
Достоверность и работоспособность алгоритмов и программ подтверждена сопоставлениями полученных в работе числовых результатов с известными решениями частных задач.
Научная новизна диссертационной работы заключается в:
создании уточненной методики расчетной оценки влияния круговых шпангоутов с учетом деформируемости их поперечных сечений на динамические характеристики подкрепленной оболочки вращения;
разработке алгоритмов и программ, ориентированных на персональные компьютеры и обеспечивающих реагвдйацию созданной методики.
Практическая значимость и внедрение. Практическая ценность работы состоит в возможности уточненной оценки динамических характеристик круговых шпангоутов и подкрепленной ими
оболочки вращения на этапе проектирования, а также при модернизации и ремонте. Результаты диссертационной работы внедрены на Государственном предприятии "Адмиралтейские верфи" и были использованы при строительстве и модернизации судов по профшю предприятия.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на:
У Всесоюзной научно-технической конференции "Технические средства изучения и освоения океана" (Ленинград, 1985 г.);
ІУ Всесоюзной научно-технической конференции "Совер-иенствование эксплуатации и ремонта корпусов судов" (Калининград, 1986 г.);
Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы прочности и снижения металлоемкости корпусных конструкций перспективных транспортных судов и плавучих сооружений" (Ленинград, 1990 г.);
научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Ленинградского кораблестроительного института (1988, 1990, 1993 гг.).
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано семь печатных работ, из них четыре - в соавторстве.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографии из 126 наименований и приложения. Работа содержит 175 страниц машинописного текста, таблиц 35 , рисунков 44 . Приложение содержит 75 страниц машинописного текста.
На заяиту выносятся:
методика численного исследования динамического взаимодействия подкрепленной оболочки и подкрепляющих ее круго-шх шпангоутов в случаях осесиыметричного и неосесимметрнч-ного нагружения;
результаты расчета динамических характеристик,выбранных для анализа элементов судовых корпусных конструкций.