Введение к работе
Актуальность.
Ужесточение условий эксплуатации судов, необходимость повышения экономической эффективности предъявляют повышенные требования к проектированию. Создание рациональных конструкций судового корпуса предполагает эффективное использование ресурса материала, как в упругой, так и в упругопластической области. Поэтому в последнее время при проектировании судов наметился переход от традиционного метода, основанного на допускаемых напряжениях, к методам, использующим предельные нагрузки, которые вызывают пластические деформации. Данная тенденция особенно характерна при проектировании судов ледового плавания.
В процессе пластического деформирования конструкция может существенно менять свое сопротивление, переходя от одной формы восприятия нагрузки к другой до полного исчерпания несущей способности. В связи с этим исследования процессов, сопровождающих глубокое пластическое деформирование, важно не только для эксплуатационных нагрузок, но и для решения проблем, связанных с обеспечением безопасности в аварийных ситуациях.
Изучением поведения судовых конструкций за пределом упругости начали заниматься еще основоположники строительной механики корабля И.Г. Бубнов, П.Ф. Папкович, Ю.А. Шиманский. Продолжателями этого направления явились Л.М.Беленький, И.Л. Дикович, В.В.Козляков, Г.В. Бойцов, О.М. Палий и др.
Последнее время характеризуется появлением большого числа работ, посвященных упругопластическому деформированию судовых конструкций, Среди них следует отметить таких отечественных ученых как Е.М. Апполонов, А.М. Бененсон, Е.П. Бураковский, В. А. Кулеш, А.Б. Нестеров, А.С. Федоров и др., и зарубежных J.K. Paik, E.T. Onat, P.T. Pedersen, R. Hill, Lee и др.
Трудами этих ученых и специалистов построены аналитические модели предельного поведения балок, пластин и подкрепленных панелей, усовершенствованы численные процедуры решения нелинейных задач.
Однако многие проблемы моделирования поведения сложных конструкций судового корпуса при средних и больших пластических деформациях вплоть до разрушения все еще остаются не решенными.
Цель диссертационной работы.
Целью настоящей работы является построение моделей для исследования процессов пластического деформирования и выявления форм предельных состояний судовых конструкий при нагружениях до полного исчерпания несущей способности. Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:
-
выявление характерных стадий с соответствующими формами деформирования во всем диапазоне процесса нагружения конструкции до разрушения;
-
развитие моделей метода конечных элементов для анализа процессов начального пластического деформирования;
-
построение численных алгоритмов расчетного анализа глубокого пластического деформирования и разрушения конструкций;
-
обоснование выбора моделей пластического деформирования материала применяемых для исследования поведения конструкций;
-
построение модели деформирования судовых конструкций в условиях многократного приложения нагрузок, вызывающих остаточные деформации;
-
разработка виртуальных моделей поведения судовых конструкций при нагрузках, приводящих к предельным состояниям;
-
совершенствование аналитических моделей для оперативной оценки несущей способности балок судовых конструкций с учетом распора.
Методы исследований.
Для решения задач, посталенных в диссертационной работе, использовались следующие методы:
- теория упругости и терия пластичности для решения задач упругопластического и глубокого пластического деформирования конструкций;
- теория предельного равновесия для решения геометрически нелинейной задачи определения предельных нагрузок и прогиба балок с учетом распора;
- явный и неявный методы интегрирования дифференциальных уравнений состояния для расчета судовых конструкций во всем диапазоне пластического деформирования вплоть до разрушения.
Научная новизна и основные научные результаты выносимые на защиту.
- Выявлены характерные состояния при деформировании конструкции в пластической области, которые соотнесены с нормируемыми предельными состояниями.
- Расширены возможности расчетного анализа задач потери несущей способности на основе развития моделей метода конечных элементов.
- Построена модель деформирования конструкций в пластической области, позволяющая учитывать накопление остаточных деформаций при многократном приложении нагрузки.
- Получены явные зависимости для предельных поверхностей двутавровых профилей общего вида в условиях изгиба с учетом осевой и перерезывающей сил.
- Развита аналитическая процедура расчета деформирования балок, с поперечным сечением в виде несимметричного двутавра, на всем диапазоне нагружения вплоть до полного исчерпания несущей способности.
Практическая значимость работы.
- Разработанные процедуры для определения типов предельных состояний позволяют охарактеризовать этапы деформирования конструкции, выявить критические точки, определить выработанный ресурс конструкции и сделать заключение о возможности дальнейшего ее эксплуатирования.
- Предлагаемые модели метода конечных элементов дают возможность для анализа всего процесса пластического деформирования конструкции вплоть до разрушения.
- Построенная модель деформирования при многократном приложении нагрузки, позволяет определить уровень накопления остаточных деформаций в процессе эксплуатации конструкции.
- Разработанная аналитическая процедура расчета деформирования балок совместно с полученными выражениями для предельных кривых двутавровых профилей, позволяет получить оценку несущей способности конструкции без сложных и трудоемких вычислений.
Достоверность полученных результатов.
Достоверность использования метода конечных элементов подтверждается сравнением с результатами экспериментов, выполненных другими авторами, в том числе и полученными на кафедре строительной механики корабля СПбГМТУ. Достоверность полученных аналитических зависимостей подтверждается корректностью математических выкладок, обоснованностью используемых допущений и сопоставлением с имеющимися экспериментальными данными.
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: 1) конференция «МОРИНТЕХ-ЮНИОР 2009», СПб.: СПбГМТУ, ноябрь 2009 г.;2) конференция по строительной механике корабля, посвященная памяти профессора П.Ф. Папковича, СПб.: ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, ноябрь 2009 г.; 3) конференция “Единение Науки и Практики”, СПб.: ОАО "ЦТСС", октябрь 2010 г.; 4) XXIV Международная конференция Математическое моделирование в механике деформируемых тел и конструкций/Методы граничныхи и конечных элементов, BEM&FEM 2011, СПб.: СПбГАСУ, сентябрь 2011 г.; 5) восьмая общероссийская конференция по морским интеллектуальным технологиям «МОРИНТЕХ-2011, СПб.: СПбГМТУ, сентябрь 2011 г.; 6) конференция по строительной механике корабля памяти академика Ю.А. Шиманского, СПб.: ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, декабрь 2011 г; 7) конференция «МОРИНТЕХ-ОКЕАНОТЕХНИКА 2012», СПб.: СПбГМТУ, март 2012 г.; 8) Всемирная морская технологическая конференция WMTC-2012, СПб.: май-июнь 2012 г.
Публикации.
Основные результаты исследований, выполненных по теме диссертационной работы, опубликованны в 9 научных статьях в соавторстве с научным руководителем (авторская доля 50%), из которых 6 опубликованы изданиях из Перечня ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит титульный лист, оглавление, введение, пять глав основного текста, заключение, список литературы; изложена на 194 страницах машинописного текста, содержит 96 рисунков, 18 таблиц, список литературы из 121 наименования литературных источников.
