Анализ взаимодействия конструкций наружного корпуса с гибкими связями Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

DOI: 10.24937/2542-2324-2019-1-S-I-123-129 УДК 629.5.024

С. В. Брателев, И.О. Розов

АО «Центральное конструкторское бюро морской техники «Рубин», Санкт-Петербург, Россия

АНАЛИЗ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОНСТРУКЦИЙ НАРУЖНОГО КОРПУСА С ГИБКИМИ СВЯЗЯМИ

В данной работе исследуется напряженно-деформированное состояние корпуса с продольно-поперечной системой набора, при обжатии гибкими связями (стропами). В архитектурном плане рассматривалось два варианта корпуса: прямоугольной формы с закруглением на скулах и цилиндрический формы. Задача решалась с использованием известных аналитических зависимостей, а для уточнения напряженно-деформированного состояния системы «корпус-строп» в зависимости от жесткости стропа и при наличии участков «неприлегания» стропа к обшивке применялись программные комплексы ANSYS и LS-DYNA. В результате получены: характер НДС обшивки при учете продольно-поперечной системы набора; характер нагружения отдельных элементов корпуса (пластина, ребро жесткости) в зависимости от жесткости стропа; характер нагружения отдельных элементов корпуса в случае «неприлегания» стропов на участках конечной длины.

Ключевые слова: судоподъем, прочность, корпусные конструкции, метод конечных элементов, Ansys, LS-DYNA.

Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.

DOI: 10.24937/2542-2324-2019-1-S-I-123-129 UDC 629.5.024

S.V. Bratelev, I.O. Rozov JSC CDB MT Rubin, St. Petersburg, Russia

INTERACTION OF OUTER HULL STRUCTURES WITH FLEXIBLE LINES

This paper investigates stress-strain state of hull with longitudinal and transverse stiffeners under compression due to flexible lines (straps). Architecturally, two hull variants have been studied: rectangular with roundings at bilges and cylindrical. The problem was solved as per well-known analytical expressions, whereas stress-strain parameters of "hull-strap" system, depending on strap stiffness and presence of "loose" contact with the strap and the plating, were updated in ANSYS and LS-DYNA software packages. The study yielded the following data: stress-strain parameters of plating taking into account longitudinal and transverse stiffeners; loading patterns for separate hull elements (plate, stiffener) depending on strap stiffness; and loading patterns for separate hull elements in case of "loose" contact with straps in the areas of finite length.

Keywords: salvage, strength, hull structures, finite-element method, ANSYS, LS-DYNA. Authors declare lack of the possible conflicts of interests.

В данной статье исследуется напряженно-деформированное состояние корпуса с продольно-поперечной системой набора, при обжатии гибкими связями (стропами). Исследуемые корпуса показаны на рис. 1.

На сегодняшний день имеется методика определения прочности только обшивки корпуса, но она

справедлива только для продольной системы набора, либо для поперечной системы набора.

Цель работы определить напряженно-деформированное состояние (НДС) элементов корпуса (обшивка, продольное ребро жесткости) и анализ взаимодействия системы «строп-корпус» при заданной архитектуре методом конечных элементов (МКЭ).

Для цитирования: Брателев С.В., Розов И.О. Анализ взаимодействия конструкций наружного корпуса с гибкими связями. Труды Крыловского государственного научного центра. 2019; Специальный выпуск 1: 123-129. For citations: Bratelev S.V., Rozov I.O. Interaction of outer hull structures with flexible lines. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2019; Special Edition 1: 123-129 (in Russian).

Рис. 1. Корпус с продольно-поперечной системой набора и корпус с продольно-поперечной системой набора с локальным вырезом

Особенностью работы является:

■ обшивка корпуса подкреплена по продольно-поперечной системе;

■ рассмотрен случай «неприлегания» стропов на участках конечной длины;

■ рассмотрено влияние жесткости стропов на характер нагружения корпуса.

Задача решалась в два этапа. На первом этапе с помощью аналитических зависимостей и разработанных КЭ моделей определяется НДС обшивки скулы прямоугольного корпуса обжатой сдвоенным стропом. Приняты следующие исходные данные: радиус скулы Я = = 1,5 м; толщина обшивки 5 = 14 мм; усилие в стропе Тс = 1320 кН.

Сжимающие напряжения, определенные с использованием функции Пузыревского составили:

Тс а0 ' 2s

' Фшах

1320 • 8,87 • 0,932 2 • 0,0014

= 390 МПа.

о2 = -0,773 (-0,227 )•

t

= -650(-190) МПа.

M

о, =±— = ±760 МПа, 1 W

где Mx=n = -

R 880000

4 а 4 8,87

=24800 H I

Напряжения от изгиба и напряжения сжатия для цилиндрической оболочки, нагруженной равномерно распределенной нагрузкой по окружности составили:

■ - напряжения от изгиба:

(а-а)-г

о, = ±0,908 - ^—= ±760 МПа; 1 г

■ - напряжения сжатия:

(а-а)

Напряжения от изгиба для балки-полоски бесконечной длины, загруженной сосредоточенной силой на сплошном упругом основании с использованием функции Клишевича составили:

11 5 3

Ш = --^-Л= --0,014 1-0,014 = 3,28 10-5 м3. 6 6

Аналогично предыдущему только для распределенной погонной нагрузки:

М 18040

о = — =-г = 550 МПа,

Ш 3,28-10-5

где Мх=0 =--ат - Ш| — | = 18040 Н - м;

х=0 2-а2 I 2

Ш\— | = Ш (0,58) = 0,21.

Далее определяется НДС обшивки численными методами. Данная задача была решена с помощью программного комплекса ANSYS и LS-DYNA. В расчетных моделях корпус моделировался в пластинчатой идеализации «shell» и в твердотельной «solid». Стропы моделировались в балочной идеализации «cable» и твердотельной «solid». Взаимодействие системы «строп-корпус» задавалось с помощью контактных алгоритмов. Также для верификации с аналитическим решением прикладывалась погонная нагрузка по линии скулы и распределенная нагрузка по скуле. На рис. 2 показан общий вид КЭМ. На рис. 3 и 4 фрагменты результатов расчетов. В табл. 1 приведено сопоставление результатов расчета МКЭ с аналитическими методами.

Выводы по первому этапу: ■ полученные результаты МКЭ показали, что значения напряжений в случае приложения

Таблица 1. Сопоставление результатов расчета МКЭ с аналитическими методами

Решение численными методами Решение по аналитическим зависимостям

Ansys Ansys (строп-solid) LS-DYNA (строп-cable) Справочник судоподъема Балка-полоска (нагр. по полосе) Балка-полоска (нагр. по линии)

Напряжения Нагр. по линии: ±760 ±440 ±500 ±550 ±760

в обшивке Oi, МПА Нагр. по полосе: ±540

Напряжения в обшивке O2, МПА -480 -385 -400 -390 - -420

Эквивалентные напряжение в обшивке, МПа 800 650 650 - - -

нагрузки по линии и по полосе совпадают с аналитическими результатами. Очевидно, что при приложении по линии как в КЭМ так и при аналитическом подходе уровень напряжений завышен по сравнению с тем когда нагрузка приложена по полосе.

■ вдоль линии контакта троса с корпусом образуется район с повышенным уровнем напряжений (~20 %). Это связанно с возникновением изгиба оболочки в двух направлениях в месте где строп отходит от корпуса.

201

----

св_______

§ 12 ;------

8 8,- --

К 11 --|

И-------

О л_______

ч 4-1 -—^ I--

се _______

св

« О1-------

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

Ширина пластины, м -• жесткий строп теоретическое давление -•- гибкий строп

Рис. 4. Эпюра давления на обшивку в зависимости от жесткости гибкой связи

■ расхождение в величинах максимальных напряжений в моделях ANSYS и LS-DYNA связано с тем, что в ANSYS строп моделируется как «solid», а в LS-DYNA как «cable» не

имеющий изгибной жесткости и контактирующий с корпусом по линии.

■ таким образом, принятые подходы в части создания моделей в ANSYS и LS-DYNA могут использоваться при дальнейшем анализе.

На втором этапе рассматривался корпус цилиндрической формы с продольно-поперечной системой набора обжимаемый парой стропов. Также рассматривался случай, когда вдоль линии прилегания стропов имеется участок без контакта стропа с корпусом. Архитектура исследуемых корпусов в соответствии с рис. 1.

В модели LS-DYNA стропы моделировались в одном случае специальными элементами «cable», работающими только на растяжение, в другом - элементами «beam». В модели ANSYS стропы моделировались элементами «solid». Для «solid» и «beam» стропов варьировалась изгибная жесткость посредством изменения модуля Юнга: 2103 и 2107 МПа. То есть по степени жесткости в данной работе рассматривалось два варианта стропа: гибкий и жесткий.

Варьирование типов элементов и характеристик жесткости при моделировании стропов позволит определить метод более точного расчета НДС корпуса.

В результате расчета КЭ моделей получены:

■ эпюра распределения давления от стропа на пластину обшивки в зависимости от жесткости стропа (эпюра приведена на рис. 4);

■ НДС в наборе (для двух вариантов в соответствии с рис. 5);

■ НДС в обшивке (для двух вариантов в соответствии с рис. 6 и 7);

Рис. 5. Интенсивность распределения касательных напряжений БУ7 в продольных ребрах жесткости

Жесткий строп

Гибкий строп

Л

Рис. 6. Интенсивность распределения эквивалентных напряжений в обшивке корпуса

Рис. 7. Интенсивность распределения эквивалентных напряжений в обшивке корпуса

■ определена степень нагружения продольного ребра жесткости в зависимости от жесткости стропа;

■ сопоставлена глобальная нагрузка, получаемая в КЭ моделях и с помощью графоаналитического способа (графоаналитический способ представлен на рис. 8).

В табл. 2 представлены сводные результаты расчета.

Примечание. Величина теоретического давления от стропа на корпус:

Pp =

T 1320 103

г ■ c

1,5 ■ 0,105

= 8,4 МПа,

где с = 105 мм - принятая ширина контакта стропа с корпусом соответствует 1,5- d; d - диаметр стропа.

Также на втором этапе рассматривался корпус с продольно-поперечной системой набора, в соответствии с рис. 1, загруженный давлением в соответствии с эпюрой, представленной на рис. 4.

Схема загрузки и результаты расчета показаны на рис. 9 и 10, а в табл. 3 представлено сопоставление результатов по МКЭ с аналитическим решением.

Выводы

1. Подход создания КЭМ (тип контактного взаимодействия, КЭ, материалов) может использоваться для определения точного НДС отдельных элементов корпусов различной архитектуры.

2. Для цилиндрической обшивки без продольного набора помимо проверки максимальных сжимающих напряжений с2, необходимо также проверять напряжения изгиба о1.

3. В районах начала и конца касания стропов корпуса необходимо учитывать появление изгиба обшивки и соответствующее увеличение напряжений о2 (как минимум на 20 %). При наличии поперечного набора этот эффект локализуется.

4. При наличии продольного набора НДС обшивки характеризуется в большей степени напряжениями изгиба о1.

5. Величина напряжений в обшивке обратно пропорциональна изгибной жесткости стропа.

6. Величина напряжений в продольном наборе прямо пропорциональна изгибной жесткости стропа (для жестких оболочек).

Рис. 8. Графоаналитический способ определения загрузки продольного ребра и шпангоутов в предположении отсутствии обшивки

Давление по полосе

Рис. 9. Общий вид модели, загруженной давлением

Рис. 10. Интенсивность распределения эквивалентных напряжений в обшивке корпуса

7. Решение оболочки с набором и приложением нагрузки от стропов в виде равномерного давления по полосе при помощи МКЭ позволяет оперативно с ошибкой в безопасную сторону определить порядок напряжений в обшивке.

Таблица 2. Сводные результаты расчета по второму этапу

Корпус без выреза Корпус с локальным вырезом

Тип конечного элемента Solid Cable Веат Solid Beam Solid Cable

Тип жесткости Гибкий Гибкий Жесткий Жесткий Жесткий Жесткий Гибкий

Касательные напряжения в продольном ребре, МПа 100,0 93,8 178,6 178,4 399,5 330,4 348,1

Приведенная площадь продольного ребра жесткости, м2 6,5-10 4

Нагрузка на ребро, кН 130,2 122,2 232,5 232,3 534,5 441,5 465,8

Максимальная нагрузка на ребро (графоаналитический способ), кН 519,2 519,2 519,2 519,2 785,0 785,0 785,0

Загрузка ребра относительно аналитического значения, % 25 24 45 45 68 56 60

Максимальные напряжения в обшивке, МПа 540 450 360 400 - - -

Глобальная вертикальная реакция (на один шпангоут), МН 1,14 1,16 1,12 1,14 1,11 1,14 1,08

Среда моделирования Ansys LS-DYNA LS-DYNA Ansys LS-DYNA Ansys LS-DYNA

Таблица 3. Сопоставление результатов расчета обшивки корпуса МКЭ с аналитическими зависимостями

Решение численными методами Решение по аналитическим зависимостям

Нагрузка -давление по полосе Моделирование стропа (жесткий) Моделирование стропа (гибкий) Для арки Для изолированных пластин

Напряжения в обшивке, МПа 700 400/360 540/450 230 1000

Библиографический список

1. Hallquist J.O., 2013, LS-DYNA: Theoritical Manual. Livermore Software Technology Corporation.

2. Справочник по расчетам при судоподъеме. 2005, Москва, Военное издательство.

3. Биргер И.А., Пановко Я.Г. Прочность. Устойчивость. Колебания. Том 2. 1968. Изд. «Машиностроение», Москва.

4. Методика расчетов прочности аварийного судна при проведении аварийно-спасательных операций и судоподъеме. РД 31.72.03-85, 1986. Мортехин-формреклама, Москва.

5. Бойцов Г. В., Палий О. М, 1982. Справочник по строительной механике корабля. Том 1. Л.: Судостроение.

Сведения об авторах

Брателев Сергей Васильевич, начальник сектора акционерного общества «Центральное конструкторское бюро морской техники «Рубин». Адрес: 191119, г. Санкт-Петербург, ул. Марата, д. 90. Телефон: +7 (904) 634-28-99. E-mail: [email protected].

Розов Игорь Олегович, инженер акционерного общества «Центральное конструкторское бюро морской техники «Рубин». Адрес: 191119, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Марата, д. 90. Телефон: +7 (921) 923-64-91. E-mail: [email protected]

Поступила / Received: 06.03.19 Принята в печать / Accepted: 09.04.19 © Коллектив авторов, 2019