CC BY
13В.Н. Блохин, В.М. Прохоров, П. С. Кальясов, А.К. Якимов, А.М. Крыжанов, А.В. Туманин...
Опыт применения суперкомпьютерных технологий для определения аэродинамических...
THE APPLICATION OF COMPUTER SIMULATION FOR THE ESTIMATION OF AERODYNAMIC
CHARACTERISTICS OF WIG ON CRUSING REGIME
V.N. Blokhin, V.M. Prokhorov, P.S. Kalyasov, A.K. Yakimov, A.M. Kryzhanov, A. V. Tumanin, V. V. Shabarov
The article explored the application of supercomputing technologies to determine the aerodynamic characteristics of WIGs. The technique presented of computer simulation, which based on direct solution of the averaged Navier-Stokes equations of turbulent motion of an incompressible fluid. The calculations performed of the flow WIG with a comparison of the results of aerodynamic characteristics with the results ofphysical experiments in a wind tunnel AT-2.
Keywords: aerodynamic characteristics, WIG, numerical experiment, ANSYS CFX
УДК 629.12.004.67
А.М. Борисов, доцент ФБОУ ВПО «ВГАВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, д. 5а
ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ УСИЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОНОМ КОРПУСА МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ДОКА
ПРОЕКТА Д600
В современных условиях значительное количество транспортных и стоечных судов, имеющих срок эксплуатации 40-50 лет и более нуждается в ремонте наиболее изношенной подводной части корпуса, ремонт которой может производиться традиционными в судоремонте методами на слипе с использованием судоподъемных средств или в доке. В результате длительной эксплуатации нуждаются в ремонте подводной части корпуса и металлические доки, ремонт которых также связан с использованием судоподъемных средств или доков больших размеров.
Для расширения судоремонтной базы и выполнения ремонта изношенной подводной части корпуса дока без использования судоподъемных средств на кафедре сопротивления материалов, конструкции корпуса и строительной механики корабля ФБОУ ВПО «ВГАВТ» разработана конструкция железобетонного усиления корпуса металлического дока проекта Д 600 грузоподъемностью 600 т на плаву при минимальных затратах материалов и средств, позволяющая продлить срок эксплуатации дока на 20 лет.
Актуальность проводимых на кафедре сопротивления материалов, конструкции корпуса и строительной механики корабля ФБОУ ВПО «ВГАВТ» исследований заключается в том, что в современных условиях значительное количество транспортных и стоечных судов имеют срок эксплуатации 40-50 и более лет и нуждается в ремонте наиболее изнашиваемой подводной части корпуса для продления их эксплуатации. Замена изношенных металлоконструкций подводной части корпуса на новые связана с большой трудоемкостью ремонтных работ, выполняемых в доке или на слипе с использованием судоподъемных средств, и требует значительных затрат материалов и средств.
В то же время в результате длительной эксплуатации нуждаются в ремонте подводной части корпуса и металлические доки, ремонт которых также связан с использованием судоподъемных средств или доков больших размеров. Кроме этого, при выводе металлических доков из эксплуатации для их ремонта сокращается судоремонт-
ная база отрасли вцелом, поскольку при этом занимаются дополнительные стапельные места.
Проведенные по заданию ОАО «ЛОРП» исследования показывают, что в результате усиления железобетоном (ЖБУ) внутренней поверхности изношенного корпуса металлического дока СМД-10 проекта Д 600 создается композитная сталежелезобе-тонная плита, позволяющая при минимальном расходе металла, стоимости и трудоемкости работ обеспечить необходимую прочность и водонепроницаемость корпуса дока без использования судоподъемных средств, как при выполнении самого ремонта, так и в последующей эксплуатации.
Металлический двухбашенный секционный док СМД-10 класса «*Р 1,2» построен по проекту Д 600 в 1972 году и к настоящему времени имеет возраст 40 лет. Док СМД-10 является стоечным судном, максимальная грузоподъемность - 600 т, предназначен для производства ремонта подводной части корпусов судов, ремонта движи-тельно-рулевого комплекса, а также дифферентования сухогрузных и нефтеналивных судов грузоподъемностью до 5000 т.
Корпус дока состоит из понтона и двух жестко связанных с ним башен (рис.), выполнен в виде прямоугольника в плане с плоским днищем, бортами и транцами, горизонтальной стапель-палубой, палубой безопасности, топ-палубой и имеет следующие главные размерения: Ь х В х Яб(Яп) х Тгр(Тп ) = 30,0 х 27,0 х 7,0(2,0) х 1,7(0,97) м; ширина стапель-палубы - 21,0 м, топ-палубы - 2,5 м; высота башен от стапель-палубы составляет 5,0 м; возвышение палубы безопасности от стапель-палубы - 1,5 м.
Для работы дока в средней части корпуса принят постоянный сухой балласт в количестве 372 т и 8 т укреновочного балласта. Для погружения дока на максимальную глубину 5,5 м принимается жидкий балласт в количестве 1504 т. С учетом остаточного жидкого балласта после всплытия дока общее расчетное количество балласта составляет 782 т, что обеспечивает осадку дока «порожнем» Т= 0,97 м.
Система набора корпуса - поперечная, шпация по всему корпусу а = 600 мм, рамная шпация - А = 1200 мм. Понтон дока двумя продольными ступенчатыми и двумя поперечными водонепроницаемыми переборками разделен на девять водонепроницаемых отсеков (см. рис.), в плоскости рамных шпангоутов установлены поперечные раскосные фермы. В отсеке левого борта в средней части корпуса (шп.16-34) размещается насосное отделение, симметрично с правого борта размещается сухой отсек для приема сухого и укреновочного балласта. Остальные семь отсеков используются для приема жидкого балласта.
По результатам дефектации износы днищевой обшивки составляют около 13%, бортов и транцев - 20%, настила стапель-палубы и топ-палубы - 2,5%, переборок балластных отсеков - 10%, износ набора днища и палубы - 15%, борта балластных отсеков - 23%, борта сухих отсеков - 5%. Подводная часть наружной обшивки корпуса дока по всей площади имеет значительный язвенный коррозионный износ с глубиной язв обшивки днища в средней части (2,8-3,2) мм, днища у бортов - до 3,5 мм, обшивки борта и транцев - до 1,5 мм.
Для поддержания корпуса дока с оценкой техсостояния «годное» судовладельцу потребовалось бы выполнить значительный объем судоремонтных работ по корпусу традиционными в судоремонте методами, связанными с заменой изношенных металлоконструкций на новые с использованием судоподъемных средств.
Для обеспечения прочности и водонепроницаемости ЖБУ выполняется с внутренней стороны изношенной подводной наружной обшивки корпуса дока СМД-10 на площади 1038 м2 (см. рис.), включая днище на площади 810 м2, борта (120 м2) и транцы (108 м2) на высоте 2,0 м от ОП. Остальные связи корпуса находятся в удовлетворительном состоянии и их ремонт, при необходимости, может быть выполнен традиционными в судоремонте методами на плаву без использования судоподъемных средств.
Борисов А.М.
Обоснование конструкции усиления железобетоном корпуса металлического дока.
Рис. Размещение ЖБУ в корпусе дока: а - наружный борт; б - днище; в - поперечное сечение
Конструкция ЖБУ днища представляет собой композитную плиту, состоящую снаружи изношенной стальной обшивки средней толщиной 6,0 мм и с внутренней стороны - из монолитного армированного судостроительного бетона класса В 30 средней толщиной плиты днища, бортов и транцев - 95 мм, прочно связанных между собой и совместно работающих. При этом обшивка днища рассматривается как листовая арматура, защищающая бетон от повреждений. Поскольку утяжеление корпуса в результате устройства ЖБУ уменьшает прием постоянного сухого балласта на величину утяжеления (257 т) и не лимитирует осадку, то в проекте толщина ЖБУ (Н = 95 мм) принята с учетом омоноличивания холостого набора усиливаемой обшивки (1_75х75х7,1), работающего в качестве арматуры отрыва, с обеспечением требуе-
мого защитного слоя. Имеющиеся вмятины на усиливаемой поверхности днища, бортов и транцев допускается не устранять, поскольку ЖБУ в сжатой зоне обеспечивает достаточно высокую устойчивость связей корпуса.
Арматура ЖБУ выполняется в виде сеток, изготовленных в специальном кондукторе и доставленных в корпус через технологические вырезы в настиле стапель-палубы дока, установленных в пределах рамной шпации поверх холостого набора и приваренных к полкам уголков. В сетках применяется стержневая арматура периодического профиля класса А-11 (А300) или А-Ш (А400) диаметром 10 мм, установленная с шагом 100 мм и сваренная в пересечениях. Применение арматуры периодического профиля обеспечивает повышенное сцепление ее с бетоном, прочность и трещино-стойкость ЖБУ. Сетки могут собираться в специально изготовленном кондукторе или собираться «россыпью» на месте из отдельных стержней. По контуру рамного набора и переборок стержни сеток соединяются сваркой с монтажной арматурой (диаметром 10 мм или более), приваренной заранее к стенкам связей прерывистым швом.
В стенках рамного набора (флоров и кильсонов) до бетонирования днища для свободного перетекания попавшей в корпус жидкости и последующего ее удаления выполняются голубницы, расположение которых устанавливается с учетом толщины плиты ЖБУ.
Укладка бетона выполняется после очистки ремонтируемых поверхностей от остатков отслаивающейся краски и продуктов коррозии и последующего армирования усиливаемой обшивки. Для бетонирования бортов и транцев после бетонирования днища устанавливается опалубка с соблюдением защитного слоя арматуры. Выполнение каждого этапа по устройству ЖБУ корпуса фиксируется приемо-сдаточным актом.
При отсутствии у заказчика опыта ведения бетонных работ рекомендуется использовать бетон, приготовленный на ближайшем заводе железобетонных конструкций (ЖБК) в соответствии с разработанной в проекте дозировкой составляющих. При этом необходимо учитывать, что время начала схватывания приготовленного бетона -не более одного часа. Бетон должен быть уложен на место в течение не более двух часов после его приготовления. Специализированная лаборатория завода ЖБК должна обеспечить контроль качества приготовленного бетона, которое подтверждается соответствующим сертификатом на каждую партию отпускаемого бетона.
Для дока с ЖБУ корпуса в соответствии с действующими Правилами Российского Речного Регистра (ПРРР) выполнены расчеты общей продольной, общей поперечной и местной прочности с учетом износа связей. Оценка общей прочности выполнена расчетным методом по предельному моменту с определением коэффициента запаса прочности (К^ = Мпр/Мр) и сравнением его с нормативным. Предельный изгибающий момент Мпр, МНм, определяется после выполнения ремонта корпуса и в конце предполагаемого срока службы дока с использованием программ «^ГЫКАУЫиБ» и «МБ"^>, согласованных с Российским Речным Регистром. Расчетные изгибающие моменты определены алгебраическим сложением моментов на тихой воде с дополнительными волновыми моментами (с учетом возможной транспортировки дока) при общем продольном и общем поперечном изгибе корпуса для наиболее неблагоприятных состояний нагрузки дока в эксплуатации.
За расчетные состояния для дока при общем продольном изгибе приняты: док «порожнем» без балласта (М р = +5,16 МНм); при прогибе - док «порожнем» с сухим и остаточным жидким балластом (Мр = - 3,83 МНм).
При общем поперечном изгибе за расчетные состояния приняты: при перегибе -док «порожнем» с сухим и остаточным жидким балластом (Мр = +5,16 МНм); при прогибе - док «в грузу» с судном (2 = 600 т) с сухим и остаточным жидким балластом (Мр = - 3,83 МНм).
Результаты выполненных расчетов коэффициентов запаса прочности по предельному моменту для дока с ЖБУ при общем изгибе корпуса приведены в табл.
Борисов А.М.
Обоснование конструкции усиления железобетоном корпуса металлического дока...
Таблица
Значения коэффициентов запаса прочности по предельному моменту
Наименование Общий продольный изгиб Общий поперечный изгиб
прогиб перегиб прогиб перегиб
После выполнения ЖБУ корпуса 15,0 15,0 18,1 22,4
В конце предполагаемой эксплуатации дока 11,8 12,5 12,8 11,8
Полученные коэффициенты запаса прочности по предельному моменту после выполнения ЖБУ корпуса значительно превышают нормативное значение коэффициента для условно нового судна (k = 1,35) и в конце предполагаемой эксплуатации дока (К годн = 1,15). После усиления железобетоном корпус дока обладает большим запасом прочности. Поэтому по расчетам общей продольной прочности док может эскплуати-роваться в течении последующих 30 лет с оценкой техсостояния «годное».
Однако, фактические скорости износа связей корпуса в последующей эксплуатации могут быть меньше рекомендуемых ПРРР, что идет в запас прочности. Поэтому по истечении 20 лет эксплуатации дока после его ремонта железобетоном необходимо провести дефектацию корпуса с определением остаточных толщин связей, выполнением соответствующих расчетов прочности и принятии решения о возможности дальнейшей эксплуатации дока или выполнения ремонта изношенных связей в случае необходимости.
Расчеты местной прочности выполнены для композитной сталежелезобетонной обшивки днища, и включают расчеты плиты при перегибе и прогибе корпуса, а также расчеты по трещиностойкости для наиболее неблагоприятных состояний нагрузки дока при его эксплуатации. Проверка плиты на раскрытие трещин показала, что герметичность подводной части дока с ЖБУ корпуса обеспечивается.
Вывод: В результате выполненных расчетов общая и местная прочность дока с ЖБУ корпуса обеспечивается.
В результате устройства ЖБУ корпус дока получит утяжеление около 257 т, что приводит к увеличению осадки судна «порожнем» на 0,32 м. Для нормальной работы дока в отсеки средней части корпуса понтона без ЖБУ принимается постоянный сухой (372 т) и укреновочный балласт (8 т). При выполнении ЖБУ количество постоянного сухого балласта уменьшается на величину утяжеления, и количество принимаемого постоянного сухого балласта составит 115 т. При этом осадки и водоизмещение дока при его эксплуатации не изменяются. Величина приема жидкого балласта и последовательность заполнения отсеков дока при его погружении и всплытии сохраняется, как и в проектной документации судна без ЖБУ. Остойчивость дока с ЖБУ улучшается вследствие некоторого понижения центра тяжести корпуса.
Рассчитанные технико-экономические показатели предполагаемого метода ремонта показывают, что при выполнении ЖБУ корпуса дока по сравнению с традиционной заменой изношенных металлоконструкций новыми существенно уменьшается расход металла, трудоемкость и стоимость работ. Ожидаемые трудоемкость и стоимость ремонта корпуса дока проекта Д 600 железобетоном составят около 5,89 тыс. чел. ч. и 2525,0 тыс. руб. соответственно.
JUSTIFICATION OF THE STRUCTURE OF REINFORCED CONCRETE STRENGTHENING THE Д600 METAL DOCK BODY
A.M. Borisov
Under present circumstances a considerable number of carrier ships and bunkering vessels
with an operating life of40-50 years and more need overhaul of the most worn-out underwa-
ter body which can be repaired by conventional techniques on a slipway using ship-liftfacili-ties or in a dock. As a result of continuous service metal docks also need repairs of the underwater body, their reparations involving the utilization of ship-lift facilities or large-sized docks as well. For the purpose of expanding the ship repair park and performing overhaul of the worn-out underwater body without using ship's lifts the Department of Structural Resistance, Hull Design and Ship Structural Mechanics of FSEIHPE VSAWT has created a structure of concrete strengthening the ff600 metal dock body with a lifting capacity of 600 tons afloat with minimum material costs which enables the dock operating life to be extended by 20 more years.
УДК 629.356
С.Н. Гирин, к.т.н., профессор ФБОУВПО «ВГАВТ». С.Д. Гордлеев, аспирант, ФБОУ ВПО «ВГАВТ». 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5А.
АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ АВТОМОБИЛЬНОЙ ЦИСТЕРНЫ ДЛЯ ПЕРЕВОЗКИ ЖИДКИХ ГРУЗОВ ПРИ КВАЗИСТАТИЧЕСКИХ НАГРУЖЕНИЯХ
В данной статье рассматриваются результаты расчетов автомобильной цистерны, предназначенной для перевозки жидкого топлива, выполненные с использованием метода конечных элементов на нагрузки, нормируемые ГОСТ. Показано, что выявленные зоны концентрации напряжений хорошо коррелируют с местами появления усталостных трещин в процессе эксплуатации.
В статье [1] авторов, помещенной в настоящем сборнике, показано, что при эксплуатации автомобильных цистерн, предназначенных для перевозки жидкого топлива на отечественных дорогах, возникают трещины во многих элементах корпусной конструкции. Одной из причин возникновения трещин является повышенный уровень напряжений в районах конструктивных концентраторов напряжений. Цистерна обладает достаточно сложной конструкцией, поэтому ее расчет с учетом всех особенностей конструкции возможен только с использованием метода конечных элементов. Для выполнения такого расчета авторами выбран отечественный программный комплекс «ИСПА», который неоднократно использовался авторами ранее. Геометрическая модель построена с помощью программного комплекса «Autodesk inventor» по чертежам, предоставленным ООО «Машиностроительный инжиниринговый центр».
Расчет выполнялся на нагрузки, регламентированные ГОСТ 50913-96). При этом рассмотрены следующие случаи:
1. Равномерный надув изнутри давлением равным удвоенному статическому давлению налитой в цистерну воды.
2. Расчет на ускорение, равное 2g (g - ускорение свободного падения) в направлении противоположном движению цистерны (при торможении).
3. Расчет на ускорение, равное 2g в направлении сверху вниз.
4. Расчет на ускорение, равное 1g в направлении снизу вверх.
5. Расчет на ускорение, равное 1g в направлении перпендикулярном направлению движению.
При разработке конечно-элементной модели конструкции авторы старались учесть все особенности конструкции. Одной из особенностей конструкции цистерны является то, что имеется значительное число усилений в виде наварных листов. В данной модели такие конструктивные элементы имеют совместные узлы по сварным
