Введение к работе
Актуальность.
Морские перевозки остаются одним из наиболее популярных в мире видов транспортировки грузов, ввиду своей сравнительно невысокой стоимости и возможности перевозить большие объемы. Для судов, перевозящих опасные грузы, существуют специальные требования к конструкции корпуса. Согласно Европейскому соглашению о международной перевозке опасных грузов по внутренним водным путям (ВОПОГ), судно, перевозящее большинство видов токсичных грузов, должно быть построено как судно с двойным корпусом, иметь межбортовое пространство и двойное дно. Все эти меры направлены на недопущение нарушения герметичности грузового танка при возможных аварийных ситуациях, последствия от которых могут быть катастрофическими. Одним из наиболее опасных видов аварийной ситуации является столкновение с таранящим судном, которое может произойти в результате навигационных ошибок. К сожалению, из-за наличия так называемого «человеческого фактора» такие столкновения происходят регулярно, поэтому особую роль получает развитие расчетных методов проектирования наиболее эффективных конструкций с точки зрения ударопрочности.
В процессе столкновения судов за короткий промежуток времени кинетическая энергия ударяющего судна преобразуется, главным образом, в энергию пластических деформаций повреждаемых конструкций. Процесс деформирования сопровождается большими значениями прогибов и проходит в условиях глубокого пластического деформирования материала с эффектами нелинейной потери устойчивости. Эти и другие особенности значительно усложняют расчетное прогнозирование повреждений и оценку аварийной прочности конструкции. Используемые традиционные аналитические методы, основанные на опыте эксплуатации и натурных испытаниях конкретных типов конструкций, имеют ограниченную область применения.
В разное время многие исследователи по всему миру занимались проблемами аварийной прочности судов при столкновениях: В. Минорский, Ю. Акита, К.А. Реклинг, Ф. Спинелли, Г. Войсин, Л. Чеанг, П. Ембрисон, О. Китамура, Дж.В. Ли, Дж.К. Пайк, П.Т. Педерсен, Б.С. Симосен, Т. Виербсцки и др. Большой вклад в изучение сложных процессов определения ударной прочности судовых конструкций внесли отечественные ученые: Н.Н. Волков и СБ. Кадацкий, Ю.Ф. Лепп, М.В. Филиппео, А.Б. Нестеров, Е.М. Апполонов, Е.П. Бураковский, С.Н. Гирин и др.
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 аварийной прочности судов при столкновениях существенно снижает количество
допущений в расчетных моделях. Однако в настоящее время многие проблемы численного моделирования процессов ударного взаимодействия судов при столкновениях остаются нерешенными. Цель диссертационной работы.
Целью настоящей работы является исследование процессов деформирования корпусных конструкций при столкновении судов с помощью современных математических моделей, позволяющих с высокой степенью точности спрогнозировать параметры аварийной прочности. Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:
построить численные модели поведения конструкций на основе метода конечных элементов;
провести оценку достоверности расчетных моделей по результатам физического эксперимента;
выполнить анализ области применения некоторых аналитических моделей для задач столкновения судов;
исследовать параметры ударной прочности некоторых традиционных и перспективных типов судовых конструкций с использованием предлагаемых расчетных моделей;
оценить расширение возможностей численного моделирования процесса столкновения судов за счет учета внешней среды. Методы исследований.
Для решения задач, поставленных в диссертационной работе, использовались следующие методы:
теория упругости, теория пластичности и механика разрушения для решения задач упругопластического и глубокого пластического деформирования и разрушения конструкций при столкновении;
вычислительная механика и метод конечных элементов как основной аппарат математического моделирования динамических процессов, сопровождающих столкновения судов.
Научная новизна и основные научные результаты, выносимые на защиту.
Разработаны расчетные модели определения параметров ударопрочности при столкновении вплоть до полного разрушения конструкции.
Проведена оценка области применения существующих аналитических моделей определения параметров ударопрочности конструкций при столкновении судов.
Расширены возможности численного моделирования столкновения судов с учетом параметров внешней динамики таранящего судна путем прямого моделирования поведения внешней среды и ее взаимодействия с конструкцией корпуса на всех этапах столкновения. Практическая значимость работы.
Сформулированы основные положения методики проведения численного моделирования процесса столкновения судов, позволяющие с высокой степенью точности определять параметры ударопрочности конструкций при столкновении судов с учетом разрушения.
Предложены меры повышения сходимости численного моделирования процесса столкновения судов.
Проведен качественный и количественный сравнительный анализ традиционных и перспективных конструкций грузовых отсеков нефтеналивных судов с точки зрения ударопрочности при столкновении с различными таранящими объектами.
Получена оценка влияния учета внешней среды на результаты численного моделирования столкновения между судами.
Достоверность полученных результатов.
Достоверность результатов, полученных с помощью разработанных расчетных моделей, подтверждается обоснованностью используемых допущений, а также сравнением с экспериментальными результатами, полученными на базе Волжской Государственной Академии Водного Транспорта в процессе нагружения модели грузового отсека со стороны борта клинообразным телом, имитирующим форштевень таранящего судна.
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: 1) восьмая общероссийская конференция по морским интеллектуальным технологиям «МОРИНТЕХ-2011», СПб.: СПбГМТУ, сентябрь 2011г.; 2) XXIV Международная конференция Математическое моделирование в механике деформируемых тел и конструкций / Методы граничных и конечных элементов, BEM&FEM 2011, СПб.: СПбГАСУ, сентябрь 2011г.; 3) конференция по строительной механике корабля памяти академика Ю.А. Шиманского, СПб.: ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, декабрь 2011 г; 4) научно-техническая конференция по строительной механике корабля, посвященная памяти проф. П.Ф. Папковича, СПб.: ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, декабрь 2012г.; 5) научно-практическая конференция, посвященная 150-летию со дня рождения академика А.Н. Крылова, СПб.: СПбГМТУ, сентябрь 2013 г.; 6) XXV Международная конференция Математическое моделирование в механике деформируемых тел и конструкций / Методы граничных и конечных элементов, BEM&FEM 2013, СПб.: СПбГАСУ, сентябрь 2013 г. Результаты работы вошли в отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы. Государственный контракт от «01» декабря 2010 г. № 14.740.11.0842, шифр «2010-1.1-400-150-124».
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 8 работ. Из них 3 статьи и 5 тезисов докладов. Все работы выполнены в соавторстве (авторская доля от 30 до 50%). В ведущих лицензируемых научных журналах и изданиях опубликовано 2 статьи.
Структура и объем диссертации.
Диссертация содержит титульный лист, оглавление, введение, шесть глав основного текста, заключение, список литературы; изложена на 210 страницах машинописного текста, содержит 99 рисунков, 11 таблиц, список литературы из 121 наименования литературных источников.
Похожие диссертации на Численное моделирование процессов деформирования корпусных конструкций при столкновении судов
