Содержание к диссертации
Введение
1. Надежность и риск эксплуатации корпусных конструкций 16
1.1 Показатели надежности судовых корпусныхконструкций 16
1.2 Риск эксплуатации судовых корпусных конструкций 29
2. Эксплуатационная надежность конструкций ледового пояса 34
2.1 Повреждаемость конструкций в области пластическогодеформирования 34
2.2 Методы и алгоритмы расчета эксплуатационной надежности 41
2.3 Выводы 55
3. Подходы к прогнозированию надежности проектируемых конструкций 57
3.1 Основные факторы, влияющие на случайность отклика конструкции 57
3.2 Разброс свойств судокорпусного материала 59
3.3 Выводы 65
4. Методы определения вероятностных параметров нагрузки 67
4.1 Имитационно-статистическое моделирование процессанагружения 67
4.2 Восстановление нагрузок по параметрам повреждений 78
4.3 Экспериментальные методы определения локальных нагрузок 85
4.3.1 Восстановление нагрузки при малом количестве датчиков 110
4.3.2 Восстановление нагрузки при большом количестве датчиков 125
4.3.3 Оптимизация расположения и ориентации датчиков на конструкции 159
4.4 Выводы 169
5. Критерии отказа конструкций, работающих в областипластического деформирования 172
5.1 Развитие критериев отказа при пластическом .Xдеформировании материала 172
5.2 Деформационный критерий отказа конструкцийработающих в области пластического деформирования и методві определения деформаций, 182
5.3 Многоуровневая процедура численного моделированияповедения конструкции в пластической области 212
5.4 Выводы 220
6 Прогнозирование показателей надежности пластическидеформируемых конструкций 223
6.1 Расчет показателей надежности в рамках концепции однократного максимального воздействия. 223
6.2 Расчет показателей надежности с учетом накопления остаточных пластических деформаций 246
6.2.1. Факторы, способствующие накоплению остаточных пластических деформаций. 248
6.2.2 Расчет показателей надежности с использованиемаппарата марковских процессов 272
6.2,3. Учет износа конструкции при прогнозированииеё ресурса 289
6.3 Выводы 299
Заключение 301
Список литературы 313
- Риск эксплуатации судовых корпусных конструкций
- Методы и алгоритмы расчета эксплуатационной надежности
- Разброс свойств судокорпусного материала
- Восстановление нагрузок по параметрам повреждений
Введение к работе
Отечественный транспортный флот накопил огромный опыт эксплуатации судов в суровых условиях Арктики. Максимальный объем перевозки грузов по Северному Морскому Пути (СМП) был достигнут в 1983 году и составил 15 млн. т в год. Начавшиеся в стране реформы и структурные преобразования экономики привели к значительному снижению потока грузов по СМП и его стабилизации начиная с 1995 года на уровне 1.1 - 1.5 млн. т год.
Одновременно с падением транспортной активности возрос интерес иностранных компаний к полезным ископаемым шельфа российских арктических морей и возможным использованием СМП как магистрали между Европой, Северной Америкой и быстро развивающимися странами Восточной Азии. Постепенный отход от военной конфронтации в Арктике [Белкин Ю.В., 2000] и заинтересованность Советского Союза, а затем Российской Федерации в западных инвестициях и западных технологиях освоения шельфовых месторождений была сформулирована в так называемой «Мурманской инициативе» 1987 года [Белкин Ю.В., 2000]. Ближайшие годы начала XXI века должны стать для морей Российской Арктики новым этапом в их освоении - разработке прежде всего шельфа Баренцева и Карского морей. Добыча и хранение нефти и газа, дальнейшая транспортировка нефтеуглеводородов и газа в условиях арктического шельфа требуют принципиально новых инженерных решений. Ряд публикаций последних лет свидетельствуют о серьезном внимании правительственных органов и российских исследовательских центров к проблемам освоения арктических месторождений: [Мурзин P.P., 2001], [Остистый Б.К., 2001], [Никитин П.Б. и др., 2001], [Долгунов К.А., Мартиросян В.Н., 2001]. Отечественные компании
5 активно включились в деятельность по освоению морских месторождений Баренцева и Карского морей, что подтверждается строительством морских арктических буровых платформ на заводах Северодвинска, спуском танкеров ледового плавания на верфях Санкт Петербурга. Предстоящая эксплуатация технических средств в арктических морях в новых экономических условиях требуют детальной и всесторонней оценки проектных решений в первую очередь с экономической точки зрения. Такую оценку можно сделать с помощью быстро развивающегося аппарата оценки риска, где под термином «риск» понимается вероятностная функция распределения финансовых потерь при эксплуатации технического объекта или его подсистемы в течение заданного срока. Таким образом, риск в количественном выражении эквивалентен «финансовой надежности» технического объекта или его подсистемы.
Неотъемлемой частью аппарата оценки риска являются процедуры прогнозирования вероятности отказа подсистем технического объекта в течение заданного времени эксплуатации или, другими словами, прогнозирование показателей надежности.
Металлические конструкции судов и сооружений, эксплуатирующихся в ледовых условиях арктических морей, подвержены повреждениям в виде остаточных пластических деформаций. Ремонт таких конструкций - значительная доля расходов судовладельца. В случае ледостойких стационарных сооружений такой ремонт невозможен или связан с особенно высокими расходами. Разрушение металлических конструкций под действием экстремальных эксплуатационных нагрузок в арктических морях может вызвать серьезные негативные экологические последствия, ликвидация которых в Арктике многократно сложнее и дороже из-за низких температур, больших расстояний, высокой изменчивости ледовой и метеорологической обстановки.
Целью настоящей работы является разработка теоретического аппарата прогнозирования показателей надежности металлических конструкций ледового пояса судов и шельфовых сооружений как части более общего аппарата оценки риска эксплуатации металлического корпуса.
Работа носит комплексный характер, так как прогнозирование
параметров надежности требует рассмотрения совокупности проблем,
которые могут быть сформулированы как задачи исследования:
1.. Провести анализ условий эксплуатации судов и
сопутствующей повреждаемости корпусных конструкций с целью получения численных показателей характера эксплуатации, которые могут быть использованы для построения прогнозных оценок показателей надежности ледового пояса;
Изучить влияние разброса свойств судокорпусного материала на расчетные характеристики напряженно-деформированного состояния конструкции в области пластического деформирования и найти способ описания этого разброса при ограниченной доступности исходной информации по характеристикам материалов. Способ должен позволять учитывать разброс свойств материала в рамках процедуры прогнозирования надежности;
Сформулировать способы получения вероятностных характеристик эксплуатационных нагрузок. Разработать алгоритмы и методы получения вероятностных характеристик локальных ледовых нагрузок, оценить эффективность методов при различных возможностях исследователя.
Проанализировать методы адекватного прогнозирования напряженно - деформированного пластического состояния. Сформировать критерии отказа конструкции непротиворечащие
7 действующей нормативной базе по дефектации конструкций ледового
пояса;
5. Разработать методы расчета показателей надежности
конструкций ледового пояса, учитывающие случайный характер
нагружения, различную интенсивность нагружения в зависимости от
времени эксплуатации и возможное накопление остаточных
пластических деформаций в конструктивных элементах ледового
пояса.
Кроме введения и заключения работа состоит из шести глав, каждая
из которых посвящена определенному аспекту прогнозирования
надежности.
С учетом развивающегося освоения шельфа Российской
Арктики такая работа представляется вполне актуальной,
направленной на повышение эффективности проектных решений
отечественных судостроительных предприятий, повышение
рентабельности эксплуатации отечественных судов и добывающей
шельфовой техники, использование результатов при формировании
нормативной базы по проектированию судовых конструкций.
Процедура прогнозирования показателей надежности
рассматриваемых конструкций базируется на ряде положений и предварительных результатах, которые более подробно описываются в различных главах работы. Структурная схема работы приведена на рис. В.1.
Предлагаемая работа посвящена вопросам надежности особого вида судовых конструкций, для которых переход за упругое деформирование является естественным рабочим состоянием. К таким конструкциям относятся не только металлический ледовый пояс судов и шельфовых сооружений, но бортовые перекрытия судов, швартующихся в открытом море (прежде всего промысловый флот), настил грузовых палуб накатных судов, Переход на пластически
8 деформируемые конструкции, то есть когда работа за областью
упругости предполагается при проектировании, обусловлен
следующими причинами:
значительным объемом повреждений таких конструкций несмотря на усилия проектантов обеспечить их упругое деформирование во время эксплуатации;
стремлением проектантов использовать пластические резервы материала конструкции, что уменьшает массу корпуса по сравнению с массой конструкции, которая должна деформироваться только упруго. Допущение априори локальных пластических зон оказалось более выгодным экономически и для судовладельцев, поскольку оказалось дешевле регулярно ремонтировать наиболее нагруженные районы корпуса нежели эксплуатировать судно с завышенной массой корпуса.
Риск эксплуатации судовых корпусных конструкций
В предыдущем разделе анализируется понятие надежности и обосновывается актуальность исследований по надежности конструкций. Одной из возможных областей применения аппарата, описываемого в следующих главах работы, может быть численное определение величины риска эксплуатации конструкции. Понятие «риск» соединяет в себе как экономические так и технические аспекты поведения технического средства. Риск можно определить как вероятностную функцию экономических потерь при отказе технического средства. Математическое описание риска или, точнее, математико - экономическое определение этого термина заимствовано из статистической теории принятия решений. [Математический энциклопедический словарь, 1988], [Айвазян С.А., Мхитарян B.C., 1998] предполагает, что риск (по Байесу) - это математическое ожидание случайной функции потерь. В статистической теории принятия решений описываются стратегии, минимизирующие риск.
В авиации и ядерной энергетики функцией риска называется величина H(t) случайного события, заключающегося в том, что на отрезке времени [0,t) ни разу не возникает аварийная ситуация.
Предложения по использованию функции риска по Байесу содержатся в работе [Лихоманов В.А. и др., 1996] применительно к подводной транспортной системе. Большое значение для создания современной нормативной базы, учитывающей интересы субъектов хозяйственной деятельности, имеющих отношение к эксплуатации судовых конструкций, имели работы Бойцова Г.В. [Бойцов Г.В., 1984], [Бойцов Г.В., 1992]. Некоторые алгоритмы экономической оценки принятия конструктивных решений приведены в [Любушин Н.П., 1982].
Прикладной величиной риска, используемой в страховой деятельности, в простейшем случае ([Абчук В.А., 1983], [Бреслав Л.Б. и др., 1997]) является произведение - вероятность безотказной работы конструкции, соответственно 2-R - вероятность отказа, С - стоимость потерь при отказе конструкции. S - величина риска, равная страховой ставки нулевой рентабельности при страховании технического средства. Если за отказ принять повреждение конструкции, то С - стоимость ремонта и связанной с ним упущенной прибыли. При этом страховым событием считается повреждение. Если страховым событием считать разрушение конструкции, то в этом случае С- стоимость ликвидации последствий такой аварии (ликвидация нефтяных разливов, компенсация потери биологических ресурсов на загрязненных территориях, стоимость потерянного груза, компенсация социальных последствий, страховое покрытие жизней людей в случае их гибели или потери трудоспособности). Классификационное общество по своей сути можно считать специализированной страховой компанией [Рогинский Б.Я. и др., 1993] и в рамках определения нормативной величины R можно исходить из баланса экономических интересов классификационного общества, судовладельца и государства.
Экономические изменения в Российской Федерации, произошедшие в последнее десятилетие, сделали необходимым более глубокое исследование понятия «риск» применительно к судовым корпусным конструкциям. Результаты таких теоретических исследований изложены в работах [Бойцов Г.В.,(а) 2001], [Бойцов Г.В.,(б) 2001], содержащих общие зависимости для функций риска эксплуатации судовых конструкций, обеспечивающих общую и местную прочность корпуса. К разряду теоретических можно отнести работу [Машин А.В., Портной А.С, 2001], в которой анализируются возможные варианты процедуры оценки риска эксплуатации судов и шельфовых сооружений.
Оценка риска эксплуатации судовых конструкций, основанная на применении методов математической статистики и доведенная до числового результата, приведена в работах Егорова Г.В.: [Егоров Г.В., Евенко В.И., 2001], [Егоров Г.В.,(а) 2001], [Егоров Г.В.,(б) 2001]. Следует отметить, что в упомянутых публикациях под термином «риск»понимается либо вероятность неблагоприятного события (повреждения, предельного состояния), либо риск анализируется с учетом дискретной шкалы тяжести последствий.
Результатом усилий международной научно-технической общественности по созданию алгоритмов оценки риска эксплуатации морских инженерных объектов можно считать совместную директиву № 829/335 Комитетов по Безопасности мореплавания и Защите окружающей среды Всемирной Морской организации [Interim guidelines for the application of formal safety assessment (FSA) to the TMO rule-making process, 1997]. Методика, изложенная в упомянутой директиве, нашла применение в отечественной практике (например, [Егоров Г.В., Евенко В.И., 2001],.: [Решетов Н.А., 1997]).
Формальная оценка безопасности по IMO ставит целью сравнительную оценку риска в качестве инструмента принятия решений. В этом случае под величиной риска понимается «комбинация вероятности события и тяжести его последствий». Методика IMO предлагает использовать матрицу риска, которая является по сути двумерной областью в координатах {вероятность события, тяжесть последствий события}. В этой области выделяются три зоны: - {малая вероятность, незначительная тяжесть последствий}: IMO рекомендует пренебрегать этой зоной при учете риска; - {учитываемая вероятность, средняя степень тяжести последствий}: IMO рекомендует при управлении риском достигать как можно на практике меньшего попадания в эту область; - (значительная вероятность, тяжелые последствия событий}: управление риском не должно приводить к попаданию события в опасную зону.
IMO считает целесообразным принимать во внимание все доступные источники информации: статистику повреждений, аварий и катастроф, физическое и стохастическое моделирование, дополнительное исследование физики взаимодействия морского технического объекта, экспертные оценки, учет человеческого фактора и экономических механизмов при анализе риска, политических последствий принимаемых решений,
Процедура IMO предусматривает возможность управления (контроля) риском и оценку эффективности управления в терминах экономических потерь и экономической прибыли, содержит рекомендации по принятию решения об эффективности вносимых изменений в нормативные и рекомендательные документы IMO, оговаривает форму представления результатов формальной оценки безопасности.
Настоящая работа посвящена определению технической компоненты величины риска, а именно определению величины R для конструкций ледового пояса. Анализ стоимостной компоненты С требует привлечения экономических подходов, . экологических исследований и т.д., которые могут быть условно разделены на два этапа: 1. Определение сценариев развития аварийных ситуаций и вероятностей их реализации; 2. .Определение стоимости ликвидации и компенсации аварий при различных сценариях.
Методы и алгоритмы расчета эксплуатационной надежности
В предыдущей главе подробно рассматривается цель исследования надежности конструкции как составляющей более общих задач - оценки технического риска транспортных операций, оценки безопасности мореплавания и оценки экологического риска.
Числовая оценка эксплуатационной надежности на основе фактической информации - сложная методологическая задача, требующая значительных организационных усилий при ее решении. Для успешного прогнозирования- надежности необходимо выполнение следующих условий: - наличие системы регистрации и хранения данных о пространственно - временных параметрах рейсов судов в пароходствах или офисах мелких частных судовладельцев. Под пространственно - временными параметрами понимается следующий набор характеристик: название судна, дата выхода из порта и географические координаты отправного порта, время прохода и географические координаты значимых точек на маршруте, время прихода в порт назначения и его географические координаты. Географические координаты оконечных и промежуточных точек маршрута позволяют вычислить пройденное расстояние и среднюю скорость движения судна на отдельных участках, а также привязать к рейсу природные условия плавания. - функционирование системы мониторинга гидрометеообстановки на маршрутах плавания судов. Цель мониторинга - сбор данных о ветре, волнении, течениях, температуре воды, воздуха, ледовой обстановке. Мониторинг может осуществляться с помощвго специальных наблюдений авиационными средствами (самолеты, вертолеты) или попутными наблюдениями с судов, Наиболее современными способами получения информации по ледовой обстановке является использование снимков с искусственных спутников Земли (ИСЗ). Широкое распространение снимков с ИСЗ ограничивает высокая стоимость такого рода информации и сложная процедура дешифровки. Более подробно структура данных по ледовой обстановке будет рассмотрена ниже. - работа системы регистрации и сохранения информации о повреждениях корпусов судов. До 90 - х годов информацию о повреждениях централизовано собирало Главное управление
.Регистра СССР. Наиболее полно результаты обработки данных о повреждаемости содержаться в [Гаврилов М.Н.", Брикер А.С, Эпштейн М.Н., 1978]. В последнее десятилетие отсутствует централизованная система сбора данных по повреждаемости. Каждый судовладелец ведет (или не ведет) сбор и хранение данных по повреждаемости по собственному усмотрению. По мнению автора наиболее действенный сбор информации по аварийным случаям и повреждаемости осуществляется в Северном Морском пароходстве (СМП) (Архангельск). Кроме того автор .имеет опыт сбора и анализа обсуждаемой информации в Мурманском Морском пароходстве (ММП) и Приморском пароходстве (Находка).
Рассмотрим все три компонентві информационной базы оценки эксплуатационной на примере судов ММП для следующих вариантов: - одно судно ледового плавания за пятилетний срок эксплуатации, что позволило оценить относительное время плавания во льдах в автономном режиме и при сопровождении ледоколом. В качестве тестового судна выбран балкер «Иван Сусанин» (головное судно «Дмитрий Донской», ледовая категория УЛ), рейсы 1981-1986 годов; - большинство судов ледового плавания ММП в период навигации одного года 1983/84. Общее количество " судов, оцениваемых для навигации 1983/84 годов - 24; . - суда ММП и СМП во время навигаций 1994 - 1998 годов, рейсы только в арктических районах. Общее количество судо-рейсов, занесенных в базу данных: для балкера «Иван Сусанин» - 59 (при общем количестве рейсов за этот период - 155). База данных содержит для навигации судов ММП 1983/84 г. 150 записей, для судов ММП и СМП за 1994 - 1998 годы -739 записей.
Источником информации о рейсах, а также основных участках маршрута, служили финансовые документы пароходства, отчеты о перевозках, оперативные диспетчерские сводки и бортовые журналы судов. Пример записей базы данных по второму блоку информации показан в таблице 2.1. Информация, касающаяся рейсов балкера «Иван Сусанин», имеет структуру аналогичную таблице 2.1
Анализ информации по рейсам позволяет оценить время эксплуатации судов различных ледовых категорий в арктических регионах ta (таблица 2.3). На рис. 2.5 показаны гистограммы случайной величины ta для судов ледовых категорий У Л и УЛА. Как следует из таблицы 2.3 статистические характеристики количества ходовых суток в Арктике зависят от ледовой категории.
Плавание в Арктике не означает постоянное взаимодействие с ледяным покровом. По различным оценкам [ Бузуев А.Я., 1981] суда различных ледовых категорий некоторую часть ходового времени эксплуатируются на чистой воде, что значительно сокращает сроки перевозки грузов при квалифицированном гидрометеорологическом обеспечении арктических рейсов, позволяющем использовать полыньи, разрывы в ледяном покрове и т.д. Часть базы данных, посвященная ледовым условиям плавания, использует архивные данные результатов многолетнего мониторинга ледовой обстановки в Арктических морях. Основой формализации описания ледовой обстановки служит система кодирования Всемирной Метеорологической Организации (ВМО) [Международная символика ..., 1984], которая позволяет включить в запись основные параметры ледяного покрова. В разработанной базе данных используются следующие параметры ледяного покрова
Разброс свойств судокорпусного материала
На необходимость учета вероятностной природы свойств материала указано в [Чувиковский B.C., Палий О.М., 1965], [Палий О.М., 1987]. Однако авторы рассматривают только одну характеристику материала - предел текучести, что обусловлено анализом показателей надежности конструкции только в упругой области. Прогнозирование поведения конструкции в области пластического деформирования с использованием современных численных методов требует привлечения полной диаграммы деформирования материала (рис. 3.1). Различают [Быков В.А., 1985] следующие основные участки диаграммы: 1 - упругое деформирование металла, которое происходит до напряжение предела текучести ау и деформаций #, II - площадка текучести, которая может отсутствовать у низколегированных и легированных сталей, III - участок пластического упрочнения от площадки текучести до высшей точки диаграммы, где напряжения достигают значений временного сопротивления (предела прочности) ju, а деформации значений (предельные деформации).
Для дальнейших исследований необходимо рассмотреть влияние аппроксимации участков II и III диаграммы прямой линией, то есть замену реальной диаграммы ее билинейным аналогом. Сравнение результатов исследования поведения конструкции целесообразно провести на примере типичного конструктивного участка ледового пояса. На рис. 3.2 показана конечно-элементная модель панели перекрытия ледового пояса танкера ледового плавания финской постройки, для которой по результатам расчета построена зависимость максимальных эквивалентных деформаций ,пах от давления р, которое приложено в центре панели на пятне контакта составляющего треть площади панели (рис. 3.3). Расчеты проводились в диапазоне деформаций до =0.10, что примерно соответствует состоянию повреждения (см. главу 5). Сравнение двух кривых єтах(р) показывает, что замена диаграммы о(є) ее билинейным аналогом при расчетах в пластической области вполне обоснована.
Данные по параметрам закона распределения ау можно найти в открытой печати. Для некоторых марок стали возможно также определить значения є0} аи, S (например [Петинов СВ., 1990]. Тем не менее, следует помнить, что сама функция а(є) для калсдой из марок материала является случайной функцией. Построение процедуры прогнозирования показателей надежности конструкций, работающих в области пластического деформирования, требует формирования способа учета разброса не только упругих, но и пластических параметров материала. Такого способ должен учитывать доступность информации только по вероятностным распределениям упругих параметров материала, в частности предела текучести. По этой причине при разработке способа учета разброса упругих и пластических свойств материала автор считает возможным и обоснованным сделать следующие предположения: 1. Случайными параметрами материала являются ту и аи. 2. Деформации Єо и 5 постоянны (точнее, имеют разброс, которым можно пренебречь). 3. Если известна функция распределения fJ.G\h т0 введем коэффициент ка - случайная величина, закон распределения которой аналогичен fadory), Оу - нормативный предел текучести (предел текучести определенной обеспеченности). Временное сопротивление вычисляется как Ои - нормативное временное сопротивление.
Таким образом, случайная билинейная диаграмма деформирования материала в рамках принятой рабочей гипотезы может быть описана четырьмя константами ау\ а, , % S и функцией распределения случайной величины f kj. Физически такое предположение означает, что изменения диаграммы деформирования пропорциональны изменениям ту (рис. 3.4), 4. Свойства материала одинаковы по всему объему конструктивных элементов, изготовленных из заданной марки стали. На рис. 3.5 показана гистограмма коэффициента ка для стали категории D36, полученная по испытаниям 408 образцов. Закон распределения коэффициента ка в этом случае выглядит следующим образом:
В рамках классической теории предельного равновесия (см. главу 5) не учитывается значение аи и диаграмма считается жестко -пластической или идеально упругопластической. При использовании в качестве основного расчетного метода нелинейного метода конечных элементов необходимо рассмотреть влияние тц на деформационные характеристики нагруженной конструкции. Это можно сделать расчетом типичной конструкции ледового пояса в пластической области для ряда фиксированных значений аи при постоянном (Ту. Нарис. 3.6 показаны кривые emiJp) при различных (ти, по которым можно сделать вывод о необходимости учета временного сопротивления при анализе работы конструкции в области пластических деформаций, так как влияние аи на значение деформаций и перемещений существенно.
Таким образом, изменение временного сопротивления в билинейной диаграмме деформирования материала на несколько процентов ведет к примерно аналогичному приращению с В главе 3: 1. Автором выделены три основных группы факторов, влияющих на НДС конструкций ледового пояса: технологические факторы, разброс свойств судокорпусного материала, случайность параметров нагружения. В дальнейшем в работе технологические факторы исключены из рассмотрения по причине объёмности задачи. 2, Обосновано представление диаграммы деформирования материала для дальнейшего нелинейного анализа конструкции в виде билинейной аппроксимации с существенным влиянием величины временного сопротивления на результирующие параметры напряженно-деформированного состояния конструкции. 3. Предложен способ описания вероятностной природы свойств су до корпусно го материала, базирующийся на использовании информации о функция распределения предела текучести материала.
Восстановление нагрузок по параметрам повреждений
Большой объем материала в отечественной и зарубежной технической литературе посвящен анализу повреждаемости конструкции ледового пояса и бортовых перекрытий рыболовных судов, конструкций, подверженных гидродинамическим ударам при слеминге (например [Барабанов Ы.В. и др., 1989]. Повреждаемость конструкций ледового пояса отечественных судов ледового плавания и ледоколов проанализирована в работах Караванова СБ. (например [Караванов СБ., 1987], [Karavanov S.B., 1993]). Большинство таких исследований можно разделить на две группы: - анализ параметров повреждений по типам (вмятины, бухтины, гофрировки, трещины, потеря устойчивости элементов набора в пластической области и т.д.), положению их на растяжке наружной обшивки, параметрам повреждений (остаточные пробоины и т.д.). Результатами такого анализа, как правило, являются обобщенное описание повреждений и вероятностные функции распределения упомянутых параметров повреждений. - восстановление нагрузки по параметрам повреждений для наиболее тяжелых и типичных случаев. Последняя группа работ базируется на ряде предположений, которые несколько отличаются у разных авторов. Общим является предположение о том, что повреждение было получено в результате однократного максимального внешнего воздействия (т.е. действует концепция однократного максимального воздействия). Восстановление нагрузки по. параметрам повреждений возможно тремя способами: - с использованием аналитических зависимостей, полученных согласно теории упругопластического деформирования (например [Беленький Л.М., 1983]). Достоинство такого способа - простота использования, недостатком является ограничение по сложности конструкции и идеализация пятна нагружения. - экспериментальным, на специально изготавливаемых моделях конструктивных элементов в натуральную величину (например [Барабанов Н.В. и др., 1989], [Беленький Л.М., 1973]). Возможности такого способа ограничены большими затратами на изготовление моделей и проведение эксперимента. - численными расчетами конструкции в упругопластической области [Курдюмов В.А., Тряскин В.Н., 1979]. Такой подход наиболее эффективен при использовании современного программного обеспечения, основанного на методе конечных элементов. Рассмотрим последний способ наиболее подробно для восстановления нагрузок по повреждениям наружной обшивки. Предложенная идеализация наружной обшивки (рис 4.3) позволяет избежать неопределенности в граничных условия для отдельных пластин при получении зависимости нагрузка - остаточный прогиб. Многие авторы ([Барабанов Н.В. и др., 1989], [Архангородский А.Г. и др., 1.982]) отмечают, что при модельных экспериментах над панелями наружной обшивки зона пластического деформирования локализуется в области по форме близкой к пятну контакта. Это позволяет принять форму пятна контакта прямоугольной с размерами равными размерам повреждений. Соответствующая конечно -элементная модель легко перестраивается под любые значения размеров пластин /, а и толщины обшивки t с помощью операций масштабирования и замены параметров конечных элементов (рис 4.3). Функция нагрузка-остаточный прогиб вычислялась серией шагов нагрузки и разгрузки, в который учитывалась геометрическая нелинейность при пластическом деформировании. Остаточный прогиб рассчитывался для днищевых пластин носовой оконечности судов типа «Беломорсклес» (длина 123.8 м, ширина 16.74 м, высота борта 8.40 м, осадка 7.40 м, ледовый класс Л1). Исследуемый район показан нарис. 4.5. Толщина наружной обшивки в этом районе 16мм, размеры панели обшивки 650ммх700мм. Функция давление -остаточный прогиб показана на рис. 4.4. Вычисленная функция давление - остаточный прогиб сравнивалась с данными БарабановаН.В., полученными по результатам полунатурных испытаний пластин наружной обшивки и последующего численного анализа. В [Барабанов Н.В. и др., 1989] приведена серия графиков, позволяющая получать давление на пластину по величине остаточного прогиба.
Необходимо отметить, что полученная зависимость wpar(p) предполагает, что параметры материала являются нормативными, то есть практически минимально возможными. Отсюда следует, что нагрузки полученные путем решения уравнения wpet(p)=Wi завышены, где Wj - стрелки остаточного прогиба, которые, как правило, снимаются с прилагающейся к протоколу докового осмотра растяжки наружной обшивки. На рис. 4.5 показана растяжка наружной обшивки судна типа «Беломорсклес» с типичными повреждениями в виде бухтин наружной обшивки. Данные взяты из базы данных, рассмотренной в главе 2. На рис. 4.6 показаны гистограммы случайных величин w и соответствующих значений давления р вместе с аппроксимациями гистограмм логнормальным законом распределения.
Рассматриваемый подход применим не только к восстановлению нагрузок на листовые элементы, но и для более сложных конструкций. На рис 4.7.а показана конечно-элементная модель района наружного борта в средней части танкера ледового плавания «Самотлор». Одно из повреждений в виде вмятины в этом районе имело размеры 2.0 мхЗ.О м со стрелкой остаточного прогиба 60 мм. На рис. 4.7.6 показана кривая остаточный прогиб - ледовое давление, из которой следует, что такое повреждение может бать получено при ледовом давлении 1.1 МПа, если размеры пятна контакта близки к размерам повреждения. Для уточнения размеров пятна контакта необходимо обладать дополнительной информацией по обстоятельствам получения повреждения (ледовое сжатие, отраженный удар, толщина льда и т.д.). Рассматриваемый в этом разделе способ определения ледовой нагрузки может быть рекомендован как вспомогательный при достаточном объеме информации по повреждениям конструкций и обстоятельствам их получения.
