Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ повреждаемости и обоснование критериев прочности корпусов судов ледового плавания и ледоколов 18
1.1 Существующие подходы к определению ледовых нагрузок и
нормированию ледовой прочности 18
1.1.1 Методы определения ледовых нагрузок ; 18
1.1.2 Требования к прочности конструкций ледовых усилений 26
1.1.3 Кривые расчетных режимов и строительной прочности 26
1.2 Анализ данных о повреждениях судов ледового плавания 29
1.2.1 Повреждаемость в условиях продленной навигации в Арктике 29
1.2.2 Перспективы снижения повреждаемости судов ледового плавания 40
1.2.3 Основные типы ледовых повреждений. Отдельные (допустимые) и массовые (недопустимые) повреждения 41
1.3 Анализ факторов повторяемости и законы распределения ледовых нагрузок 43
1.3.1 Особенности работы конструкций за пределом упругости при многократном нагружении. Принцип однократного нагружения 43
1.3.2 Законы распределения ледовых нагрузок 46
1.3.3 Метод построения матриц весовых коэффициентов расчетных ледовых нагрузок 50
1.4. Критерии и методы оценки прочности. Расчётные ледовые нагрузки. Принципы регламентации режимов движения во льдах 53
1.4.1. Основные понятия и допущения. Структура расчётных критериев 53
1.4.2. Критерий предельной прочности. Расчётные методы и модели оценки предельной прочности 55
1.4.3. Критерий ограниченной пластической деформации. Определение ледовых нагрузок. Особенности расчетных моделей 58
1.4.4. Регламентация режимов движения во льдах 65
1.5 Выводы по главе 1 70
2. Методы расчета прочности конструкций ледовых усилений при глубоком пластическом деформировании 73
2.1. Принципы построения расчетных моделей , 73
2.2. Методы расчета прочности конструкций из жестко-пластического материала в геометрически нелинейной постановке 75
2.2.1 Основные положения теории предельного равновесия конечно-мерных систем 75
2.2.2 Учет геометрически нелинейных факторов при описании запредельного деформирования конструкций 84
2.2.3 Описание работы материала в шарнирах текучести 90
2.3. Деформирование локально загруженной пластин наружной обшивки при образовании бухтины 95
2.3.1. Модель запредельного деформирования пластины 95
2.3.2. Модель упруго-пластического деформирования пластины при активном нагружении и разгрузке 107
2.3.3. Корректировка и экспериментальная проверка модели деформирования пластины 115
2.4. Деформирование локально загруженной панели при образовании вмятины 122
2.4.1. Работа материала в пластических шарнирах 122
2.4.2. Запредельное деформирование изолированной балки 125
2.4.3 Запредельное деформирование балки со сдвиговым характером перехода в предельное состояние. Учет поддерживающего влияния поясков 130
2.4.4 Приближенная модель упруго-пластического и запредельного деформирования панели 137
2.4.5 Определение эмпирических коэффициентов и проверка модели деформирования локально загруженной панели 144
2.5. Деформирование локально загруженной листовой конструкции совместно с наружной обшивкой при образовании вмятины-выпучины 147
2.5.1. Расчетная схема системы листовая конструкция - наружная обшивка 147
2.5.2. Предельное состояние и запредельное деформирование изолированного листа 149
2.5.3. Запредельное деформирование системы листовой элемент - пластина наружной обшивки 153
2.5.4. Упруго-пластическое деформирование системы листовой элемент - пластина наружной обшивки 159
2.6 Практическое использование решений об упруго-пластическом и запредельном деформировании конструкций 162
- отдельные вмятины в бортовых конструкциях а/л «Сибирь» 164
3 Методология проектирования конструкций ледовых усилений по критерию предельной прочности 168
3.1 Проектирование балок основного набора и балочных систем (бортовых перекрытий) 168
3.1.1 Иерархический принцип построения расчетных моделей бортовых перекрытий 168
3.1.2 Обобщённый метод гибкого проектирования сложных бортовых перекрытий 173
3.2 Проектирование элементов поперечных сечений балочных конструкций по критериям предельной прочности и устойчивости 194
3.2.1 Основные положения. Номенклатура расчетных требований 194
3.2.2 Система расчетных требований к предельной прочности и устойчивости балочных конструкций. Конструктивно-технологические ограничения 195
3.2.3 Оптимальное проектирование балочных конструкций 196
3.2.4 Предельная прочность кничных соединений 201
3.3. Требования к предельной прочности наружной обшивки 213
3.3.1. Существующие требования и усовершенствованная модель локально загруженной пластины 213
3.3.2. Требования к толщине наружной обшивки 215
3.4 Проектирование листовых конструкций по критериям предельной прочности и устойчивости 217
3.4.1 Существующие требования к листовым конструкциям 217
3.4.2 Расчетные схемы (варианты) листовых конструкций, подлежащих расчетной регламентации 220
3.4.3 Нормирование расчетных нагрузок на листовые конструкции 221
3.4.4 Требования к предельной прочности и устойчивости листовых конструкций 226
3.4.5 Сопоставительный анализ новых и действовавших требований. Выводы 228
3.5 Выводы по главе 3 233
4 Совершенствование методов определения ледовых нагрузок 237
4.1 Концепция модификации гидродинамической модели 237
4.1.1 Гидродинамическая модель и экспериментальные данные 237
4.1.2 Состав экспериментальных исследований 238
4.2 Исследование особенностей динамического разрушения льда с помощью DBT 239
4.2.1 Описание DBT в проекте ARCDEV 239
4.2.2 Модификация ГДМ на основании результатов DBT 243
4.2.3 Статистический анализ результатов DBT 254
4.2.4 Оценка влияния температуры и солености 256
4.2.5 Оценка влияния скорости в момент удара 257
4.3 Модификация ГДМ при ударе корпуса о лед 260
4.3.1 Определение параметра пиковости и масштабного коэффициента 260
4.3.2 Экспериментальная проверка и практическое использование
модифицированной ГДМ 264
4.4 Модель динамического разрушения льда при местном смятии 267
4.4.1 Физическая картина динамического разрушения льда при местном смятии 267
4.4.2 Дифференциальное уравнение и основные допущения МДРЛ 271
4.5 Выводы по главе 4 275
5 Методология построения ледовой классификации и требований к ледовой прочности судов и ледоколов 277
5.1 Направления совершенствования методологии регламентации ледовой прочности 277
5.1.1 Единый подход к построению ледовой классификации 277
5.1.2 Развитие ледовой классификации и уточнение соотношений эквивалентности 279
5.2 Принципы нормирования ледовой прочности и регламентации допустимых условий ледового плавания 280
5.2.1 Характерные типы движения во льдах и сценарии взаимодействия корпуса со льдом .' 280
5.2.2 Диаграммы строительной прочности и расчетных режимов движения и их использование в практике нормирования 282
5.2.3 Системы базовых допустимых и опасных режимов движения - основа для нормирования ледовой прочности и регламентации допустимых условий плавания 286
5.3 Построение системы базовых опасных режимов движения 287
5.3.1 Определение расчетных значений характеристик прочности льда 287
5.3.2 Процедура построения базовых опасных режимов движения 290
5.4 Определение расчетных ледовых нагрузок на основании системы базовых опасных режимов движения 299
5.4.1 Расчетные ледовые нагрузки в районе носового заострения судов ледового плавания 299
5.4.2 Расчетные ледовые нагрузки в остальных районах ледовых усилений судов ледового плавания 306
5.4.3 Расчетные нагрузки для ледоколов 309
5.5 Регламентация допустимых условий ледового плавания 310
5.5.1 Общий подход к количественному описанию допустимых условий ледового плавания 310
5.5.2 Анализ статистических данных о толщинах и характеристиках прочности льда 311
5.5.3 Построение системы базовых допустимых режимов движения 317
5.5.4 Определение допустимых условий ледового плавания 322
5.6 Новые Ледовые Правила РМРС и Унифицированные Правила МАКО 324
5.6.1 Новые требования Правил РМРС 1999 г. издания к судам ледового плавания и ледоколам 324
5.6.2 Унифицированные Правила МАКО для полярных судов 325
5.7 Выводы по главе 5 327
Заключение 330
Список литературы 334
Приложения 353
- Анализ данных о повреждениях судов ледового плавания
- Методы расчета прочности конструкций из жестко-пластического материала в геометрически нелинейной постановке
- Проектирование листовых конструкций по критериям предельной прочности и устойчивости
- Исследование особенностей динамического разрушения льда с помощью DBT
Введение к работе
Северный морской путь (СМП), как транспортная артерия, соединяющая западный и восточный регионы, играет важную роль в экономике России. В общем комплексе задач, решаемых в процессе создания арктического флота, способного надежно эксплуатироваться на трассах СМП, одно из центральных мест занимает проблема обеспечения ледовой прочности корпусов судов ледового плавания и ледоколов, характеризуемая значительной степенью неопределенности внешних нагрузок, нетрадиционностью подходов к идеализации конструкций при построении расчётных моделей, неоднозначностью в выборе критериев прочности. Для российского ледового флота перечисленные трудности усугубляются существенным разнообразием и особой тяжестью ледовых условий, встречающихся на трассах СМП.
Основы концептуального подхода к описанию .силового взаимодействия корпуса судна со льдом создавались в 30-х - 50-х годах В.В.Давыдовым, Н.А.Заботкиным, А.И.Масловым, Л.М.Ногидом, Ю.А.Шиманским. В 60-е - 80-е годы методы определения ледовых нагрузок развивались К.Р.Абрамяном, А.Я.Бузуевым, В.А.Зуевым, В.И.Каштеляном, В.А.Курдюмовым, ВАЛихомановым, А.А.Оснячом, Ю.М.Поповым, А.Я.Рывлиным, И.В.Степановым, О.Я.Тимофеевым, В.Н.Тряскиным, О.В.Фадеевым, Д.Е.Хейсиным, А.А.Яковлевым и др. • Особенности нормирования и расчета прочности и вопросы повреждаемости корпусов судов ледового плавания и ледоколов рассматривались В.А.Бабцевым, Н.В.Барабановым, Л.М.Беленьким, А.М.Бененсоном, Г.В.Бойцовым, Н.Ф.Ершовым, М.П.Кочегаровым, С.Б.Каравановым, В.А.Кулешом, В.А.Курдюмовым, О.Е. Литоновым, В.Т.Луценко, А.Б.Нестеровым, О.М.Палием, Ю.Г.Рыбалкиным, О.Я.Тимофеевым, Б.Е.Топчим, В.Н.Тряскиным, О.В.Фадеевым, Д.Е.Хейсиным, Л.Г.Цоем, Г.П.Шемендюком и др. Характеристики ледового покрова, оказывающие основное влияние на уровень ледовых нагрузок, исследовались В.В.Богородским, В.П.Гаврило, М.Г.Гладковым, В.В.Лавровым, Г.А.Лебедевым, ВАЛихомановым, И.Г.Петровым, И.П.Романовым, А.Я.Рывлиным, Б.А.Федоровым, Д.Е.Хейсиным, Н.В.Черепановым и др.
В результате выполненных комплексных исследований к 80-85 гг. сложилась методология регламентации ледовой прочности корпусов судов, сыгравшая значительную роль в создании российского арктического флота. На ее основании были подготовлены соответствующие требования Правил Регистра 1981 года издания, спроектированы и построены до сих пор эксплуатирующиеся на трассах СМП суда активного ледового плавания типа «Дмитрий Донской», «Норильск» (СА-15), «Витус Беринг» и др., а также не имеющая аналогов в мире серия атомных ледоколов типа «Арктика».
Вместе с тем, данная методология была основана на опыте арктической эксплуатации в летне-осенний период, характеризуемой относительно невысоким уровнем повреждаемости и степенью изменчивости нагрузок. Поэтому в ее рамках широко использовался впервые обоснованный Ю.А.Шиманским (1938) метод «условных измерителей», позволяющий получать сравнительные оценки запасов прочности судов при относительно слабом изменении условий ледовой эксплуатации. Расчетные ледовые нагрузки в Правилах Регистра для различных ледовых категорий устанавливались в зависимости от условного параметра и не связывались непосредственно с характеристиками ледового покрова. Критерии и методы расчета прочности, а также подходы к идеализации конструкций были ориентированы на рассмотрение их работы в упругой области, что не соответствовало реализуемым в действительности отказам в виде глубоких пластических деформаций. Для описания допустимых ледовых условий в классификации Правил Регистра использовались приближенные формулировки качественного характера. Однако начавшийся на рубеже 70-х - 80-х годов переход на продленную, вплоть до круглогодичной, навигацию в Арктике, сопровождаемый расширением районов ледового плавания, привел к существенному изменению условий ледовой эксплуатации. Ужесточение ледовых условий в период продлённой навигации, особенно в восточном секторе Арктики, а также увеличение скоростей проводки судов новыми более мощными ледоколами обусловили значительное повышение степени изменчивости ледовых нагрузок и, соответственно, объема ледовых повреждений. Уже обобщение опыта первых продленных навигаций продемонстрировало увеличение уровня повреждаемости • в 2-3 раза. При таком характере эксплуатации приближенная качественная характеристика допустимых ледовых условий не обеспечивала возможностей обоснованного выбора ледовой категории судна, а установление необходимого уровня прочности наиболее повреждаемых районов корпуса на основании условных критериев и методов расчета приводила к нерациональному «размазыванию» материала по районам ледовых усилений. Отмеченные обстоятельства предопределили необходимость кардинального совершенствования сложившейся практики нормирования, оценки прочности и проектирования конструкций ледовых усилений и пересмотра ряда концептуальных положений существовавшей методологии обеспечения ледовой прочности корпусов судов.
Целью работы является создание прогрессивной методологии обеспечения ледовой прочности корпусов судов ледового плавания и ледоколов нового поколения, способных с необходимой надёжностью эксплуатироваться на трассах СМП в сложных ледовых условиях круглогодичной навигации.
Для достижения поставленной цели должны решаться следующие задачи:
1. Определение допустимого уровня ледовой повреждаемости на основе комплексного анализа опыта эксплуатации арктического флота.
2. Обоснование опасных состояний и критериев прочности, учитывающих резервы пластического деформирования материала и действительные формы повреждений (отказов) конструкций ледовых усилений.
3. Разработка методов расчета прочности конструкций ледовых усилений при упруго-пластическом и глубоком пластическом деформировании, полноценно учитывающих основные особенности их работы - локальный характер нагружения, повышенную жесткость конструктивных эементов, взаимодействие наружной обшивки с балками основного набора и листовыми конструкциями.
4. Разработка ориентированной на использование в Правилах Регистра методологии проектирования конструкций ледовых усилений по критерию предельной прочности, обеспечивающей повышение надежности за счет рационального распределения материала между различными элементами конструкций.
5. Совершенствование моделей силового взаимодействия корпуса со льдом и методов определения ледовых нагрузок на основании обобщения современных экспериментов по разрушению льда и статистического анализа данных о параметрах ледового покрова арктических морей.
6. Разработка комплексной методологии построения новых Ледовых Правил, обеспечивающей для судов различных типов и размерений равные гарантии безопасности в рамках каждой ледовой категории и включающей количественное описание допустимых условий ледового плавания при круглогодичной эксплуатации в Арктике.
Структурная схема работы, иллюстрирующая взаимозависимость между ее отдельными блоками, представлена на рис. В.1. Работа состоит из введения, 5-ти глав и заключения, содержит 326 страниц основного текста (включая 21 таблицу и 95 рисунков), 6 страниц оглавления, список литературы из 237 названий. Приложения 1-3 имеют объем 28 страниц.
В первой главе представлен обзор существующих методов определения ледовых нагрузок и нормирования ледовой прочности. Показано, что сложившаяся на момент начала исследований, представленных в настоящей работе, методология обеспечения ледовой прочности широко использует метод «условных измерителей», позволяющий получать сравнительные оценки запасов прочности судов при относительно слабом изменении условий ледовой эксплуатации, а для обеспечения перехода на круглогодичную арктическую навигацию необходимо ее кардинальное совершенствование. Выполнен статистический анализ данных о повреждаемости судов ледового плавания и сделан вывод, что установление уровня увеличения прочности наиболее повреждаемых районов корпуса возможно только на основании подходов, учитывающих на уровне расчетных моделей и критериев прочности действительные формы ледовых повреждений. Дано разделение ледовых повреждений на массовые (распространяющиеся на относительно больших площадях) и отдельные (локализующиеся в пределах 1-3 шпаций основного набора). Получена функция распределения ледовых нагрузок, проведен анализ повторяемости ледовых воздействий и установлено, что появление фиксированных повреждений может рассматриваться как результат однократного воздействия нагрузки, превышающей теоретическую предельную. Разработан новый метод корректировки расчетных ледовых нагрузок на районы ледовых усилений из условия обеспечения одинакового уровня их повреждаемости, использующий в качестве методической основы полученную функцию распределения ледовых нагрузок. Обоснованы подходы к назначению опасных состояний и критериев прочности. Показано, что требования к размерам конструкций, гарантирующие исключение массовых повреждений, устанавливаются критерием предельной прочности. Установлен нормативный уровень реализации отдельных повреждений и введен гарантирующий его удовлетворение критерий ограниченной пластической деформации. Определен набор специализированных расчётных моделей и методов, учитывающих специфические особенности конструкций ледовых усилений, которые необходимы для практического внедрения введенных критериев.
Вторая глава посвящена разработке расчетных методов, описывающих процесс образования в конструкциях ледовых усилений отдельных повреждений в виде бухтин, вмятин и вмятин-выпучин от момента начала упруго-пластического деформирования до развития глубоких пластических деформаций, учитывающих фактор геометрической нелинейности, локальный характер нагружения, особенности взаимодействия деформируемой конструкции с окружающими ее неповрежденными участками перекрытия, повышенную жесткость конструкций, нелинейное взаимовлияние изгибающих моментов, продольных и перерезывающих сил в изгибно-продольно-сдвиговых пластических шарнирах, эффекты разнесения нагрузки и поддерживающего влияния наружной обшивки. Дана количественная оценка ряда новых эффектов, выявленных в процессе построения решений, и представлено их экспериментальное подтверждение. Отмечено, что полученные в главе решения и основанные на них расчетные программы обеспечивают возможности регламентации требований к прочности конструкций ледовых усилений по критерию ограниченной пластической деформации и соответствующих ему отказах в виде основных типов ледовых повреждений, обусловленных воздействием интенсивных локальных ледовых нагрузок. Рассмотрены вопросы практического применения решений как для проектируемых, так и для эксплуатирующихся судов ледового плавания и ледоколов.
В третьей главе разрабатываются методы и расчетные модели, в совокупности составляющие комплексную методологию проектирования конструкций ледовых усилений на основании критериев предельной прочности и устойчивости, ориентированную на использование в требованиях Правил и других нормативно-методических документах Регистра. Описывается метод проектирования сложных балочных систем (перекрытий) по критерию предельной прочности, основанный на иерархическом подходе к идеализации конструкции и установлении в рамках принципа равнопрочности соответствия между иерархическими уровнями балок и типами пластических механизмов, описывающих переход в предельное состояние отдельных частей перекрытия. Расчетный алгоритм метода включает процедуру гибкого проектирования, позволяющую: осуществлять вариацию соотношения между изгибными и сдвиговыми геометрическими характеристиками балок и учитывать избыточные запасы материала, образующиеся при проектировании поперечных сечений балок различных иерархических уровней. Приводится система дополнительных требований к предельной прочности и устойчивости, основанная на оригинальных расчетных моделях перехода в предельное состояние балочных конструкций при заваливании профиля и совместном смятии и изгибе стенки и полноценно учитывающая специфику конструкций ледовых усилений. Обосновывается постановка задачи об оптимизации размеров перекрытия как экстремальной задачи с ограничениями типа неравенств и излагается алгоритм оптимального проектирования балочных конструкций ледовых усилений при различных видах целевой фунции. Выполняется исследование особенностей предельного равновесия балочных конструкций с кничными соединениями в опорных сечениях, включающее построение оригинального решения о предельном равновесии изолированной кницы, и обосновываются подходы к назначению расчетных длин пролета балочных конструкций с кницами и определению допустимых остаточных прогибов поврежденных кничных соединений. Устанавливаются расчетные требования к толщине наружной обшивки, основанные на уточненной расчетной модели, описывающей предельное состояние локально загруженной пластины. Разрабатываются расчетные модели, описывающие переход листовых конструкций в предельное состояние с учетом особенностей деформирования совместно с наружной обшивкой, подкрепляющими ребрами жесткости и балками основного набора.
Четвертая глава посвящена описанию комплекса экспериментально-теоретических исследований, направленных на совершенствование моделей разрушения льда и методов определения ледовых нагрузок. Установлено, что принятая в отечественном судостроении гидродинамическая модель удара твердого тела о лед не учитывает действительного пикового характера эпюры ледовых давлений и намечена программа оригинальных экспериментально-теоретических исследований, направленных на модификацию гидродинамической модели и разработку новых подходов к моделированию динамического разрушения льда. Описан входящий в эту программу уникальный эксперимент по изучению динамической прочности натурного арктического льда, осуществленный в рамках проекта ARCDEV. Представлен способ модификации гидродинамической модели, основанный на учете эффекта пиковости эпюры ледовой нагрузки с помощью новой физической константы - параметра пиковости. Исследовано влияние свойств льда на величину параметра пиковости. Обоснован способ задания расчетных значений параметров динамической прочности льда и пиковости нагрузки в модифицированной гидродинамической модели. Выполнены сопоставления с результатами натурных и лабораторных исследований и продемонстрирована достоверность модифицированной гидродинамической модели. В качестве перспективного направления дальнейших исследований представлена новая модель динамического разрушения льда при местном смятии, адекватно описывающая наблюдаемые в экспериментах физические явления и обеспечивающая сохранение определенной преемственности с хорошо апробированной в отечественном ледовом судостроении гидродинамической моделью и с популярной на западе эмпирической моделью pressure-area curve.
В пятой главе разрабатывается прогрессивная методология построения ледовой классификации и обеспечения ледовой прочности, изначально ориентированная на последующее использование в новых Ледовых Правилах Регистра. Показывается, что включение в Правила Регистра количественной информации о допустимых условиях ледового плавания позволяет связать в едином комплексе подходы к построению ледовой классификации, методы определения расчетных ледовых нагрузок и нормирования расчетных параметров ледовых условий, методы оценки предельной прочности конструкций и данные о ледовой повреждаемости корпусов судов. Обосновываются основополагающие принципы построения методологии, обеспечивающие равенство допустимых условий ледового плавания в рамках каждой ледовой категории независимо от типа, размерений и формы обводов корпуса судна (принцип единого стандарта безопасности) и наличие стабильного гарантированного запаса допустимых условий плавания во льдах по отношению к опасным, приводящим к ледовым повреждениям корпусов (принцип гарантии безопасности). Описывается алгоритм комплексного анализа, выполняемого при построении новых Ледовых Правил, включающий уточнение способов задания расчетных характеристик прочности льда, построение нормативной основы для определения уровней новых ледовых категорий в виде системы базовых опасных режимов, определение расчетных ледовых нагрузок при движении судна по базовому опасному режиму, построение системы базовых допустимых режимов движения и ледовой классификации с количественным описанием допустимых условий ледового плавания. Разрабатывается комплексная расчетная процедура построения системы базовых опасных режимов движения, обеспечивающая обоснованную экстраполяцию положительного опыта проектирования и эксплуатации судов ледового плавания. Обосновывается рациональный состав системы базовых опасных режимов и соответствующих им ледовых категорий для судов ледового плавания и ледоколов. Формируются 3 информационных блока для количественного описания допустимых условий ледового плавания: система базовых допустимых режимов движения; статистические данные о законах распределения толщин льда по российским арктическим морям; функциональные зависимости, описывающие влияние на характеристики прочности льда параметров ледового покрова и периода плавания. Отмечается, что на основании разработанной прогрессивной методологии построения ледовой классификации и обеспечения ледовой прочности, а также изложенных в главах 1 - 3 физически обоснованных критериев и методов проектирования конструкций ледовых усилений подготовлены требования Правил Регистра 1999 г. издания к судам ледового плавания и ледоколам, а также, после представительной международной проверки, разделы проекта Унифицированных Правил МАКО для полярных судов.
В заключении представлены основные научные выводы и результаты.
По теме диссертации опубликованщ 29 научно-технических статей и выпущено 36 научно-технических отчетов.
Основные положения и результаты диссертации обсуждались на Всесоюзной конференции «Проблемы прочности и снижения металлоемкости корпусных конструкций перспективных транспортных судов и плавучих сооружений» (Ленинрад, 1982), на 10-й Дальневосточной конференции «Повреждения и эксплуатационная надежность судовых конструкций» (Владивосток, 1987), на Всесоюзной конференции «Совершенствование технической эксплуатации судов» (Калининград, 1989), на Всесоюзной конференции «Проблемы прочности и снижение металлоемкости корпусных конструкций перспективных транспортных судов и плавучих сооружений» (Ленинрад, 1990), на конференции «Эксплуатационная и конструктивная прочность судовых конструкций», Девятые «Бубновские чтения» (Нижний Новгород, 1991), на конференции по строительной механике корабля, посвященной памяти академика Ю.А. Шиманского (С.-Петербург, 1999), на конференции по строительной механике корабля памяти профессора П.Ф. Папковича (С.Петербург, 2000), на международных конференциях "The Centenary the Krylov SRI" (St.Petersburg, 1994), POAC 95 (Murmansk, 1995), POLARTECH 96 (St.Petersburg,1996), 13th Int. Ship and Offshore Structure Congress (Trondheim, 1997), Second International Shipbuilding Conference ISC 98 (St.Petersburg, 1998), POAC 99 (Helsinki, 1999), ICETECH 2000 (St.Petersburg,2000), POAC 01 (Ottawa, 2001), Third International Shipbuilding Conference ISC2002 (St.Petersburg, 2002).
Автор относит начало своих исследований по сформулированной в работе проблеме к первой половине 80-х годов. Он участвовал в подготовке проекта Норм прочности судов ледового плавания, осуществлявшейся под руководством В.А.Курдюмова (Курдюмов и др., 1985). В 1989 г. автором совместно с В.А.Курдюмовым подготовлен проект требований Правил Регистра к ледовым усилениям судов, в котором впервые реализована разработанная автором оригинальная методика проектирования конструкций ледовых усилений на основании физически обоснованного критерия предельной прочности (Апполонов и Курдюмов, 1988). В 1996 г. под руководством автора разработана новая редакция Правил Регистра для судов ледового плавания и ледоколов (Апполонов и Нестеров, 1996), включающая: новую ледовую классификацию, основанную на принципах гарантии безопасности и единого стандарта безопасности и содержавшую количественное описание допустимых условий ледового плавания на трассах СМП, а также усовершенствованные критерии и методы оценки прочности конструкций ледовых усилений, адекватные действительным формам ледовых повреждений. Данный проект в 1998 г. был издан для апробации в сборнике Нормативно-методических материалов Регистра (РМРС, 1998), а позже вошел в редакцию Правил Регистра 1999 г. издания (РМРС, 1999).
Разработанные автором расчетные методы и нормативные документы широко использовались при проектировании перспективных судов ледового плавания и ледоколов, в частности: ледокола-буксира-снабженца для ледостойких платформ (пр. 11040 ЦКБ «Айсберг»), плавучей атомной электростанции для отдаленных районов севера (пр.20870 ЦКБ «Айсберг»), ледового танкера (пр. 20070 ЦКБ «Балтсудопроект») и др., а также при разработке в ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова технико-экономического обоснования для месторождения Приразломное в части определения оптимальных ледовых категорий танкеров и необходимого ледокольного обеспечения и формирования дополнительных требований к ледовой прочности крупнотоннажных арктических танкеров. Другим важным направлением применения новой методологии обеспечения ледовой прочности являлось обоснование возможностей повышения эксплуатационной надежности и продления срока службы существующего ледового флота. В его рамках выполнена комплексная работа по повышению эксплуатационной надежности а/л типа «Арктика» (по заказу Мурманского Морского пароходства), обоснованию возможностей продления срока службы ледоколов «Ермак» и «Семен Дежнев», судна ледового плавания «Михаил Кутузов» (по заказу ЦКБ «Айсберг») и др.
Существенную роль новая методология обеспечения ледовой прочности и разработанные на ее основе Правила Регистра сыграли при разработке Унифицированных Правил Международной Ассоциации Классификационных Обществ (МАКО) для полярных судов. Использованные в методологии концептуальные подходы и расчетные методы прошли экспертизу ведущих зарубежных научных центров, занимающихся ледовыми проблемами, и экспертов классификационных обществ, входивших в рабочую группу МАКО по подготовке Унифицированных Правил, и после определенной адаптации органично использованы в Правилах.
Анализ данных о повреждениях судов ледового плавания
Эксплуатация судов в арктических морях сопровождается повышенной повреждаемостью корпусных конструкций. К настоящему времени в результате работ В.Н. Авдюкова (1976, 1977,1979, 1980, 1981, 1982), СВ. Зельманова (1984), А.Б. Цегельнюка (1984), СБ. Караванова и Л.Г. Цоя (1985, 1988, 1991), А.Г. Колесова (1985), Н.В. Барабанова, В.А. Бабцева, В.А. Кулеша и Г.П. Шемендюка (1982, 1983, 1984, 1985, 1986, 1987, 1990) накоплена обширная информация по повреждениям судовых конструкций, взаимодействующих со льдом.
Согласно данным (Барабанов и др., 1987) хрупких повреждений, а также повреждений усталостного характера на судах ледового плавания практически не наблюдается. Основным видом повреждений конструкций является изменение первоначальной геометрической формы в результате пластического деформирования под действием усилий со стороны льда. Этот вид повреждений, называемых в дальнейшем ледовыми, и является предметом настоящего анализа. Нормативными документами Регистра по оценке технического состояния и дефектации корпусов морских транспортных судов (РД 31.28.30-88, 1988; Инструкция, 2000) рассматриваются следующие типы повреждений в виде изменения геометрической формы (остаточных деформаций): а). Бухтины - остаточные прогибы ограниченных участков листов в пределах одной шпации между балками набора без деформаций последних. б). Гофрировки - остаточные прогибы листов между несколькими смежными балками набора без деформации последних. в). Вмятины - остаточные прогибы обшивки или настилов совместно с подкрепляющим набором. г). Выпучины - местные остаточные деформации стенок набора в районе вмятины.
Во второй половине 70-х годов, с появлением в составе арктического флота новых мощных ледоколов, в том числе а/л типа «Арктика», и судов ледового плавания высших ледовых категорий (типа СА-15, «Самотлор», «Витус Беринг» и др.), начался переход к продленной (вплоть до круглогодичной) навигации на трассах СМП. Ужесточение ледовых условий, соответствующих зимне-весеннему периоду навигации, а также увеличение скоростей проводки судов мощными ледоколами привели к значительному увеличению повреждений корпусов судов арктического флота. По данным Л.Г. Цоя (1988) уже в 80-82г.г. средний уровень повреждаемости превысил соответствующий уровень 70-75 г.г. в 2-2.5 раза. В наиболее тяжелую за весь период эксплуатации осенне-зимнюю навигацию 1983 г. объем полученных повреждений в 3.7 раза превысил суммарные показатели 1981-1982 г.г. Относительно тяжелыми были также навигации 1979 и 1987 г.г. К началу 90-х годов тенденции к заметному снижению уровня повреждаемости не наблюдается.
Анализируя повреждаемость судов ледового плавания, целесообразно отдельно рассмотреть «старые» суда (типа «Пионер», «Повенец», «Сибирьлес», «Амгуэма» и др.), срок эксплуатации которых на момент перехода к продленной навигации составлял 15-20 лет, и упомянутые выше «новые» суда, проектирование которых осуществлялось на основе современной методологии, отраженной в Правилах Регистра СССР (Регистр, 1981, 1986, 1990).
Основная масса ледовых повреждений приходится на «старые» суда, конструкции которых имели значительные износы, а заложенные в них запасы прочности не были рассчитаны на существенное ужесточение ледовых условий. Поэтому повреждаемость «старых» судов носит интенсивный характер: имеет место значительный объем гофрировки наружной обшивки во всех поясьях, взаимодействующих со льдом (борт, скула, днище); вмятины имеют значительную протяженность - характерная длина вмятин колеблется в пределах 2-Ю шпаций.
Представительная обработка данных о повреждениях «старых» судов выполнена в (Барабанов иБабцев, 1983,1984). Рассмотрены следующие типы судов: «Повенец», 17 судов, построены в ГДР, 63-67 г.г.; «Беломорсклес», 43 судна, построены в ПНР, 63-68 г.г.; «Сибирьлес», 19 судов, построены в СССР, 64-68 г.г.; «Крымск», 14 судов, (вторая серия судов типа «Сибирьлес»), построены в Румынии в 68-70 г.г.; «Пионер», 18 судов, построены в ГДР, 68-70 г.г.
Все суда проектировались на категорию УЛ, однако, по Правилам 1981 г. (Регистр, 1981) удовлетворяют (не полностью) категории Л1. Анализ данных (Барабанов и Бабцев, 1983, 1984) показывает значительное разнообразие форм распределения ледовых повреждений по поясьям: на судах типа «Пионер» и «Сибирьлес» имеется равномерное распределение повреждений между бортами, скулой и днищем, на судах типа «Повенец» и «Беломорсклес» преобладают повреждения в борту, на судах типа «Крымск» - в днище, суда типов «Сибирьлес» и «Крымск», построенные по одному проекту, имеют взаимообратное распределение повреждений. Для всех типов судов характерным является преобладание повреждений в носовой оконечности и быстрое уменьшение их количества от миделя в корму (рис. 1.2.1).
Суда типа «Амгуэма» (отечественной постройки, категория УЛА) отличались повышенной прочностью конструкций. Поэтому их повреждения характеризовались определенными положительными тенденциями: уменьшенной длиной вмятин (в среднем порядка 2-6 шпаций), равномерным распределением вмятин по поясьям и уменьшением объема гофрировки бортовой обшивки.
В (Барабанов и Бабцев, 1984) представлены данные В.Г.Луценко об объемах замены наружной обшивки на «старых» судах, полученные на основании анализа ремонтных ведомостей. После осреднения они приведены к величине площади замены наружной обшивки на одном судне за год У3(м2/год). Значения V3 для 4-х типов судов, представленные в таблице 1.2.1, характеризуются достаточной стабильностью (V3=10-12 м2/год).
По величине V3 определяется суммарная площадь замены наружной обшивки на одном судне за нормативный срок эксплуатации Тн=25 лет: В величину F3 входят в качестве основных составляющих замены по причине ледовых повреждений (Бзл) и износа наружной обшивки (F3„): где Fjj - площадь поверхности корпуса, подверженной воздействию ледовых нагрузок. В качестве величины я в общем случае можно рассматривать площадь подводной части корпуса Frm- Однако, более строгим является способ определения F„, при котором из площади Бпч исключается площадь тех районов по длине корпуса, где ледовых повреждений не наблюдается. Предложенное уточнение Fn осуществимо с помощью гистограмм повреждений обшивки и набора по длине судна, которые для рассматриваемых типов судов содержатся в (Барабанов и Бабцев, 1983), а для судов типа «Пионер» представлены на рис. Результаты определения к3 представлены в таблице 1.2.1. Значение к3 характеризует меру вероятности повреждения корпусных конструкций, требующих замены наружной обшивки, за нормативный срок службы судна.
Аналогичной обработке целесообразно подвергнуть данные о повреждаемости набора «старых» судов. Из анализа работы (Барабанов и Бабцев, 1983) может быть получена следующая информация по каждому типу судов: Nc - число судов; Т - средний срок эксплуатации судов; Ne - число повреждений набора; Fq, - средняя площадь одной вмятины. Коэффициент kg, характеризующий меру вероятности повреждения набора на одном судне за нормативный срок эксплуатации Тн=25 лет, определится из соотношения: Значения перечисленных параметров и результаты определения величин кб представлены в таблице 1.2.2. Значения кб имеют больший разброс по сравнению с величинами к3, что, по-видимому, вполне объяснимо известной долей субъективизма при фиксации количества повреждений набора. Тем не менее, среднее значение ксбр является достаточно объективной характеристикой. Структура соотношения для его определения вполне очевидна. После подстановки соответствующих значений получим:
Методы расчета прочности конструкций из жестко-пластического материала в геометрически нелинейной постановке
Высокая пластичность применяемых в судостроении сталей, а также наличие у большинства из них развитой площадки текучести обуславливают возможности использования для анализа работы корпусных конструкций за пределом упругости аппарата теории идеальной пластичности, базирующейся на гипотезе об идеальном жестко-пластическом материале (рис. 2.2.1а). В качестве прикладной стороны теории пластичности широкое распространение получила теория предельного равновесия (в дальнейшем - ТПР). В первых работах по ТПР, относящихся к началу века (Kazinchy, 1914; Kist, 1917), описывались процессы перераспределения внутренних усилий (изгибающих моментов) в неразрезных балках. Строгое обоснование экстремальных теорем ТПР (статической, кинематической и теоремы единственности) было впервые представлено А.А.Гвоздевым (1938). Данная работа, а также ряд последующих исследований А.А.Гвоздева (1948, 1949) долгое время оставались неизвестными за рубежом. Поэтому основные принципы ТПР в дальнейшем независимо развивались в работах D. Drucker (1957, 1958), В.Прагера (1956), Ф.Ходжа (1963), Р.Хилла (1956) и др. Среди отечественных ученых заметный вклад в развитие ТПР внесли А.Р.Ржаницын (1954, 1983), Б.М.Броуде (1953), А.И.Стрельбицкая (1958), Д.ДИвлев (1966), Ю.Н.Работнов (1979) и др. Среди работ, посвященных применению аппарата линейного программирования для анализа предельного равновесия сложных конструкций можно отметить исследования A. Charnes (Charnes и др. 1951, 1959), А.А.Чираса (1964), А.Р.Ржаницына (1983), W.Prager (1965), А.М.Проценко (1982). Вопросами применения ТПР к расчетам судокорпусных конструкций занимались Л.М.Беленький (1973, 1983), В.В.Козляков (1966, 1979), Н.Ф.Ершов и О.И.Свечнинов (1969), И.Л.Дикович (1967), В.А.Курдюмов и А.М.Бененсон (1984) и др.
Рассмотрим основные положения ТПР с позиций сформулированной в разделе 2.1 задачи построения методов расчета прочности конструкций из жестко-пластического материала в геометрически нелинейной постановке.
В ТПР в качестве предельного рассматривается такое состояние конструкции, при котором впервые с момента нагружения становится возможным возрастание пластических деформаций при постоянной внешней нагрузке. Такое состояние было названо А.А.Гвоздевым пластическим механизмом в виду определенной аналогии с кинематическими механизмами, рассматриваемыми в теоретической механике. Возникновение пластического механизма обуславливается образованием в конструкции необходимого числа пластических шарниров (шарниров текучести), соединенных жесткими элементами. Поэтому деформируемую таким образом конструкцию можно рассматривать как конечномерную систему, характеризуемую следующими свойствами: - система находится в состоянии равновесия, а усилия в пластических шарнирах не превосходят некоторых предельных величин; - система может деформироваться без изменения внешних и внутренних сил; - деформации системы настолько малы, что не нарушают ее конфигурации и геометрических связей.
Дадим теперь более строгие определения, характеризующие предельное состояние, часть из которых используется и в теоретической механике, но в применении к конечномерным деформируемым системам имеет определенную специфику.
Будем считать, что все составляющие внешней нагрузки, приложенной к конечномерной системе, изменяются пропорционально одному параметру, то есть реализуется условно простое нагружение.
В конечномерной системе может образовываться конечное число пластических механизмов. Минимальное число п линейно независимых параметров Ui, ..., un, с помощью которых могут быть описаны состояния всех пластических механизмов, будем называть числом степеней свободы статического деформирования системы, а сами параметры Ui (і = 1, ..., n) - обобщенными перемещениями.
Деформируемая система может иметь m в общем случае нежестких связей, перемещения вдоль которых будем называть внутренними обобщенными деформациями 01 , ..., 0m. Отметим, что в данном случае термин обобщенный следует трактовать в том смысле, что под деформациями понимаются конечно-локальные (интегральные) физические величины - угол слома оси балки в пластическом шарнире, удлинение оси в шарнире и т.п. Из обобщенных деформаций 0 j (j = 1,..., m) всегда можно выделить п независимых (n т), которые выше названы обобщенными перемещениями U;, а остальные определить как их функции:
В рамках представлений теоретической механики, оперирующей с жесткими связями, при условно простом нагружении каждый отдельный пластический механизм имеет одну степень свободы (n = 1) и, соответственно, одно обобщенное перемещение. У деформируемой системы, в которой, как будет показано ниже, возможно изменение длин связей, для описания состояния механизма может потребоваться введение нескольких обобщенных перемещений. Зависимость между обобщенными усилиями и деформациями устанавливается диаграммой деформирования идеального жестко-пластического материала, в которой вместо напряжений и деформаций фигурируют их обобщенные величины (рис. 2.2.1,в). Согласно данной зависимости обобщенные деформации равняются нулю, если обобщенные силы меньше некоторых предельных значений, и обобщенные деформации не ограничены, если обобщенные силы равны предельным значениям. Обобщенные силы не могут быть больше предельных.
Пусть конечномерная система имеет с пластических шарниров, соединяющих между собой жесткие части. Для каждого пластического шарнира может быть задано уравнение пластичности, описывающее поверхность, на которой обобщенные силы, действующие в шарнире, принимают предельные значения:
Проектирование листовых конструкций по критериям предельной прочности и устойчивости
Под листовыми конструкциями понимаются прилегающие к наружной обшивке участки настилов палуб, платформ, второго дна, обшивки поперечных переборок, стенок рамных связей (рамных шпангоутов, стрингеров, вертикального киля, сплошных и облегченных флоров, скуловых бракет). Понимание о необходимости четкой регламентации требований к листовым конструкциям сформировалось во второй половине 80-х годов в связи с их повышенной повреждаемостью в условиях круглогодичной эксплуатации в Арктике (см. раздел 1.2). До этого в Правилах Регистра (1981, 1985) существовали отдельные достаточно условные требования к настилам палуб и переборок. В проекте Правил 1988 г. (Апполонов и Курдюмов, 1988) В.А. Курдюмовым были сформированы классификация и требования к конструктивному оформлению листовых конструкций, а автором разработаны модели и методы их проектирования по критерию предельной прочности. Параллельно В.А. Курдюмовым были разработаны и включены в Правила Регистра 1990 г. (Регистр, 1990) требования к прочности листовых конструкций, основанные, как и остальные разделы Правил 90, на критерии фибровой текучести. Данные требования давали практически неприемлемые результаты и при подготовке Правил Регистра 1995 г. (РМРС, 1995) подверглись определенному редактированию, проводившемуся специалистами Регистра при консультационном участии автора. Данное редактирование, однако, объективно не могло снять всех присущих им недостатков, обусловленных положенными в их основу моделями.
Поэтому автором в работе (Апполонов, 1994) было продолжено совершенствование методов проектирования листовых конструкций по критерию предельной прочности. Одновременно были систематизированы и согласованы с новой ледовой классификацией положения Правил 90, касавшиеся классификации и конструктивного оформления листовых конструкций.
Как уже отмечалось, регламентация расчетных нагрузок на листовые конструкции и их размеров в Правилах 90 отличалась большой условностью. Положенные в их основу подходы ориентировались на рассмотрение изолированной листовой конструкции, к кромке которой приложена расчетная погонная нагрузка, равная: Не говоря о том, что по борту может иметь место продольная система набора, для которой способ определения параметра а неясен, обратим внимание на следующее. Задание расчетной погонной нагрузки q \ соответствует представлению о возможности следующей вариации параметров ледовой нагрузки
т.е. величина q[ задается в предположении, что зона приложения ледовой нагрузки может заметно сужаться и при этом значение погонной нагрузки не заменяется. Только при таком подходе величина q может считаться полностью передаваемой на кромку листовой конструкции. Однако возможности аналогичной локализации нагрузки qj,2 не учитываются. Требование к приведенной толщине (с размазанными подкрепляющими ребрами жесткости) листовой конструкции задается на основании условной модели, рассматривающей ее изолированную работу, без учета поддерживающего влияния наружной обшивки и/или балок основного набора: К= 1,5-для ледоколов ЛЛЗ, К= 1,2-для ледоколов ЛЛ2, К= 1,15-для ледоколов ЛЛ1. При этом имеющийся существенный разброс в величинах коэффициента запаса К = 3,0+1,15 можно рассматривать как дополнительное подтверждение условности расчетных подходов.
Количественный анализ требований Правил 90 к листовым конструкциям, приводимый ниже, наряду с условностями расчетных подходов выявил также наличие существенных отклонений в требуемых толщинах палуб от сложившейся практики (см. п. 3.4.6). Не обсуждая причин указанных отклонений, отметим, что данные требования в предшествующих изданиях Правил (Регистр, 1981; 1985) отсутствовали. Поэтому нельзя считать, что они прошли практическую апробацию и устанавливаемый ими уровень толщин листовых конструкций палуб отвечает накопленному опыту эксплуатации судов во льдах.
В связи с изложенным целесорбразно рассмотреть также требования к толщинам листовых конструкций (палуб и переборок), регламентируемых (Регистр СССР, 1981). Толщины настилов ледовых палуб и платформ вычисляются по формулам: S = 1.57 pna2bn -для судов, S = 1.19 pna2bnK1cosP - для ледоколов (3.4.3) где а - расстояние между бимсами; р - угол наклона шпангоута; Ki = 0,86. Для толщин обшивки переборок устанавливаются следующие соотношения: S не менее толщины стенки шпангоута - для УЛА, 8 = 0.8арЛ/о7 - дляУЛ, Л1, (3.4.4) S - не менее толщины стенки рамного шпангоута - для ледоколов, где ар - расстояние между ребрами, установленными нормально к борту. Как видно из представленных соотношений, данные требования имеют еще более условный характер. Требования к палубам не зависят от предела текучести материала, требования к переборкам - от параметров ледовой нагрузки. Тем не менее можно говорить о том, что данные требования в определенной мере соответствуют сложившейся практике обеспечения прочности листовых конструкций палуб, платформ и переборок и, в связи с этим, представляют несомненный интерес для сопоставлений. Изложенные сведения позволяют констатировать, что требования Правил к листовым конструкциям нуждаются в значительном совершенствовании, включающем: - классификацию листовых конструкций; - обоснование нормативных подходов к назначению расчетных нагрузок на листовые конструкции; - разработку расчетных моделей, описывающих переход листовых конструкций в предельное состояние с учетом особенностей деформирования совместно с наружной обшивкой, подкрепляющими ребрами жесткости и балками основного набора. 3.4.2 Расчетные схемы (варианты) листовых конструкций, подлежащих расчетной регламентации В число листовых конструкций-, применительно к которым должны устанавливаться расчетные нагрузки и разрабатываться расчетные модели, входят следующие: - настилы палуб, платформ и второго дна, стенки днищевых стрингеров и вертикального киля; - обшивка поперечных переборок, стенки флоров, скуловые бракеты.
Исследование особенностей динамического разрушения льда с помощью DBT
Идея изучения прочности льда при динамическом (ударном) взаимодействии с помощью Drop Ball Test (DBT) была впервые реализована в цикле исследований (Хейсин и Черепанов, 1970; Лихоманов и Хейсин, 1971; Хейсин и Лихоманов, 1973), выполнявшихся в ААНИИ в период 1967-1969 г.г. В дальнейшем на основе этих экспериментальных исследований была разработана гидродинамическая модель удара твердого тела о лед (в дальнейшем - ГДМ) (Курдюмов и Хейсин, 1976), положенная в основу российской
методологии определения ледовых нагрузок на корпус судна. В ходе отмеченных тестов осуществлялись замеры ускорения падающего тела и глубина его проникновения в лед. В 1990-1993 г.г. в Канаде были проведены серии DBT в лабораторных условиях (Timko и Frederking, 1990; 1993), в которых наряду с ускорением и внедрением замерялись давления в зоне контакта. В целом проведенные DBT в большей степени использовались для анализа качественной картины разрушения льда, чем для определения уровня динамической прочности конкретного натурного льда.
Для проведения DBT в натурных условиях в ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова была спроектирована и изготовлена специальная передвижная установка (рис. 4.2.1). В проектировании и изготовлении установки принимали активное участие Н.В. Твердюков, Ю.А.Зимницкий, К.В. Городецкий, О.Н. Беззубик. DBT в период арктического рейса проводились под руководством К.Е.Сазонова и при участии А.В.Александрова и А.В.Симановича.
Во время проведения испытаний в рамках программы ARCDEV установка была укомплектована двумя полусферами диаметрами 498 и 350 мм соответственно. Они могли сбрасываться с любой высоты в диапазоне от 100 до 1500 мм, что обеспечивало изменение скорости соударения в пределах от 1 до 5 м/с. Масса полусфер могла изменяться с помощью специальных съемных грузов с шагом 20 кг в пределах: от 70 до 250 кг - для полусферы с диаметром 490 мм; от 40 до 140 кг - для полусферы с диаметром 350 мм.
В процессе проведения испытаний DBT выполнялись измерения следующих физических величин: - контактных давлений, возникающих при взаимодействии полусферы со льдом; - ускорений и скоростей, характеризующих движение полусферы в процессе еевзаимодействия со льдом; - глубины внедрения полусферы в лед.
Контактные давления, возникающие при взаимодействии полусферы со льдом, измерялись с помощью 7-ми специальных съемных тензометрических датчиков давления, которые располагались в пределах предполагаемой зоны контакта полусферы со льдом. Измерение ускорений, действующих на полусферу в процессе ее взаимодействия со льдом, выполнялось с помощью специального пьезоэлектрического акселерометра.
В процессе арктического рейса DBT проводились в период конца апреля - начала мая 1998 г. на 4-х станциях (30.04, 3.05, 5.05, 10.05). Всего было осуществлено более 100 тестов, из которых для дальнейшего статистического анализа отобран 91 тест. Рис. 4.2.1. Проведение DBT на натурном арктическом льду (проект ARCDEV). Использовались следующие способы вариации условий проведения DBT. і Варьирование высоты сбрасывания (Н) согласно таблице 4.2.1 (h - индекс вариации высоты сбрасывания).
В результате получена следующая иерархическая структура DBT 23 серии h - броски с одной и той же высоты одной и той же сферы на один и тот же лед (пь - число бросков в серии h), т.е. при условии h = const, s = const, d = const. 8 серий s - броски одной и той же сферы на один и тот же лед (ns - число бросков в серии s), т.е. при условии s = const, d = const 5 серий d - броски на один и тот же лед (па - число бросков в серии d), т.е. при условии d= const.
По каждому отдельному тесту для дальнейшего анализа представлялась следующая информация (индекс "е" указывает на экспериментальный характер процесса или параметра): р Т), і = 1.7, ае(Т) - записи процессов изменения во времени (Т) давлений по 7-ми датчикам (МПа) и ускорения (м/сек2); р , а - максимальные значения давления (МПа) и ускорения (м/сек); ет - максимальная глубина внедрения сферы в лед (м); Tte -продолжительность удара (сек); V0e - скорость падения груза в момент удара, м/сек.
Величины V0e,p ,a ,Tte, по всему эксперименту (91 DBT) в соответствии с предложенной иерархией представлены в таблице 4.2.4, а пример записи процессов р,е(Г) и ае(Т) - на рис. 4.2.2. В полном объеме записи процессов представлены в работе (Appolonov, 1999b).
Полученные данные полностью подтвердили наличие зафиксированного ранее эффекта пиковости эпюры давлений. Способы модификации ГДМ с цель учета эффекта пиковости рассматриваются ниже.
ГДМ дает следующее выражение для эпюры давлений в зоне контакта груза сферической формы со льдом где р - давление; а 1 - параметр динамической прочности льда (ПДПЛ); V - скорость движения; го - радиус зоны контакта сферы со льдом; г = 1 - безразмерная т0/а координата; г - отстояние от центра зоны контакта (радиус); а = 1.05-И.08 - численный коэффициент, учитывающий наличие сколов по краям зоны контакта, наблюдаемое при DBT. Следует подчеркнуть, что введение коэффициента а не изменяет форму эпюры давлений, но ограничивает площадь силового контакта тела со льдом. Действительно, (4.2.1) можно представить в следующем виде
