Особенности деформирования боковых стенок рубок в районе групповых регулярных вырезов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.5.024

ОСОБЕННОСТИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ БОКОВЫХ СТЕНОК РУБОК В РАЙОНЕ ГРУППОВЫХ РЕГУЛЯРНЫХ ВЫРЕЗОВ

А.Г. Чесноков, канд. техн. наук, доцент

В статье изложена методика расчета напряженного состояния боковых стенок рубок в районе групповых регулярных вырезов. Исследовано влияние жесткости междуоконных перемычек на их напряженное состояние. Приведены рекомендации по конструктивному оформлению и методика проектирования междуоконных перемычек.

Рис. 9, библиогр. 8.

Пассажирские и круизные суда имеют развитые рубки, в которых предусмотрены помещения, требующие повышенной освещенности и комфортности (каюты класса «Люкс», рестораны, дискоклубы, кафе-бары). Конструкции таких рубок отличаются от обычных наличием в боковых стенках частых, регулярных оконных вырезов больших размеров, соединенных между собой узкими междуоконными перемычками.

Существующие требования по проектированию конструкций рубок в районах вырезов [1] основаны на рекомендациях, разработанных для вырезов в бортовой обшивке корпуса из условия обеспечения требуемой усталостной долговечности, характеризуемой допускаемым коэффициентом концентрации напряжений, и касаются регламентации радиуса скругления углов этих вырезов. Такой подход не учитывает особенности деформирования рубок в этих районах и на практике приводит к усталостным повреждениям междуоконных перемычек (рис. 1) [2]. Поэтому расчет прочности такой рубки представляет интерес с точки зрения оценки напряженного состояния ее перемычек.

Рис.1. Повреждения междуоконных перемычек пассажирских судов.

2 3

1 - трещина; 2 - боковая стенка рубки; 3 - оконный вырез.

Рассмотрим длинную, одноярусную, симметричную относительно мидель-шпангоута, повторяющую изгиб корпуса рубку (такая рубка работает как надстройка), боковые стенки которой ослаблены большим количеством регулярных оконных вырезов (рис. 2). В современных методах расчета [3], основанных на теориях прерывистых связей [4] и составных стержней [5], корпус совместно с надстройкой рассматривается как система двух стержней, соединенных между собой упругоподатливыми связями сдвига. В свою очередь, из-за малой жесткости междуоконных перемычек, находящихся в условиях изгиба и сдвига, и рубку можно представить как систему двух стержней (часть рубки, лежащая ниже нижней линии вырезов и часть рубки, лежащая выше верхней линии вырезов), связанных между собой упругим швом, роль которого играет система равноотстоящих друг от друга перемычек. Влиянием сплошных концевых участков стенок рубки на ее напряженность ввиду незначительности длин этих участков пренебрегаем.

Тогда расчетной схемой корпуса и рубки будет составной стержень, состоящий из трех стержней, по линиям соединения которых (упругим швам) действуют неизвестные погонные касательные усилия взаимодействия д1х и # (рис. 3).

Примем также, что внешний изгибающий момент М и перерезывающая сила N приложены к корпусу судна, сечения рубки и корпуса неизменны на их протяжении и рубка выполнена из того же материала, что и корпус.

Данная расчетная схема аналогична расчетной схеме двухъярусной надстройки, для которой уже имеется решение, приведенное в работе [3]. Поэтому неизвестное касательное усилие, действующее в горизонтальных сечениях междуоконных перемычек, можно определять по формуле:

42 x =

G1A1lp --Р1 C1N0—COS—

0 L

2n 2n

m

sKk1

l

р

x--

a

2

chXi — 1 2

• +

+

T't i в 2 ht 2n 2n

GjBjlp-T2 Cl No—cos— a k2 L m

shX'

+ C2 N0 sin

L

L

' Lл x +— m

x

2

chX 2 — 22

где Sj - напряжения в палубе корпуса, определенные без учета рубки

I

Рис. 2. Рубка пассажирского (круизного) судна.

1 - корпус; 2 - рубка.

Рис.3. Расчетная схема системы корпус-рубка.

1 - корпус; 2 - часть рубки, лежащая ниже нижней линии вырезов; 3 - часть рубки, лежащая выше верхней линии вырезов.

„ = М 0e1 .

О1 =Т“’

(2)

М0 - изгибающий момент, действующий на корпус судна в сечении, совпадающем с кормовой переборкой рубки; вх - отстояние верхней палубы от нейтральной оси сечения корпуса без рубки; I - момент инерции поперечного сечения корпуса относительно его

Ь_

нейтральной оси; I - длина рубки; Ь - длина судна; - отстояние кормовой переборки рубки от кормового перпендикуляра суд-

р т

. 2п

Nx = Nи sin— x 0 L

ґ

перерезывающей силы);

Лх, Бх - безразмерные коэффициенты:

• закон изменения перерезывающей силы вдоль длины рубки (^ - максимальное значение

A = a20 - a10a2 ,1

A1l р (а 2 - a1 ) е1

(З)

Б

(4)

Сх, С2, ар а2, Ьг,Ь2,1р 12, параметры, определяемые по формулам работы [3].

Следует остановиться на вопросе определения коэффициента жесткости второго шва, состоящего из системы междуоконных перемычек, соединяющих нижнюю часть рубки, лежащую ниже нижней линии вырезов, и верхнюю ее часть, лежащую выше верхней линии вырезов.

Под действием касательных усилий # междуоконная перемычка будет испытывать в плоскости стенки рубки изгиб и сдвиг. Расчетная схема определения жесткости перемычки, работающей как балка, приведена на рис. 4б. Тогда коэффициент жесткости шва, чем является система междуоконных перемычек, расположенных на равном расстоянии друг от друга, равен

к

12Ein

1

32

(lo + Со)Ь0 1 + 24(1 + V)i0 ’

(5)

где г'о - момент инерции поперечного сечения перемычки; Со - ширина перемычки; ^, Ьо - соответственно длина и высота одиночного выреза; п - коэффициент Пуассона; / - площадь связей сдвига поперечного сечения перемычки, Е - модуль Юнга 1-го рода.

F^.4. Fасчeтная схема междуоконной перемычки.

Если отношение высоты перемычки к ширине удовлетворяет условию Ь0/с0 > 6, то деформациями сдвига можно пренебречь. Коэффициент жесткости системы нижняя часть рубки - перемычки - верхняя часть рубки в этом случае можно найти из формулы

1 1

12 к32

(6)

где к - коэффициент жесткости связей сдвига части рубки, лежащей ниже нижней линии вырезов; к - коэффициент жесткости связей сдвига части рубки, лежащей выше верхней линии вырезов.

Параметр $20 в формулах (3) и (4) вычисляется с помощью выражения

a

е2

к ",

20 Е1г ’ (7)

где е2 = еПв + е22 + Ьо; (8)

1\ = I + + ?2; (9)

1Х, 12 - моменты инерций поперечных сечений нижней части рубки и верхней части рубки соответственно; вПв - отстояние нейтральной оси поперечного сечения нижней части рубки от нижней кромки вырезов; в22 - отстояние нейтральной оси поперечного сечения верхней части рубки от верхней кромки вырезов.

Напряженность междуоконной перемычки создается нормальными напряжениями от изгиба под действием касательных усилий # и растяжения (сжатия) в результате действия нормальных погонных усилий р. Слабыми ее районами являются места у начала скругления (рис.4а, точка А), в которых необходимо учитывать концентрацию напряжений.

Наиболее нагружены перемычки, расположенные вблизи концов рубок. В этих районах действуют максимальные касательные # и нормальные усилия р2т. Непосредственно у концов рубок действует вертикальная реакция ^, которая распределена вдоль концевой стенки и не создает высоких напряжений в этой стенке.

Интенсивность максимальных касательных усилий цЪп определяется по формуле (1) при х = 0 (при х = 1р значение этого усилия будет таким же, так как рубка симметрична относительно мидель-шпангоута).

Неизвестные реакция и нормальные усилия находятся по формулам работы [3]

^02 = 4.2т е22; (10)

Р -Э?2х е

Р2 х = Л е22 • (11)

дх

Значение р2т вычисляется по зависимости (11) при х = 0.

На основании вышеизложенного максимальные напряжения в перемычке, у начала скругления (рис. 4а, точка А), для расчетной схемы, приведенной на рис. 4в, равны

T2mb0 о = а и

^m ^u

Г 1/1/

2W)

1—2о

Ьо

0

+ а Pm

fo

где ац, ар - коэффициенты концентрации напряжений при изгибе и растяжении соответственно (порядок их определения приведен ниже); Го - радиус скругления угла выреза; ^, / - соответственно момент сопротивления и площадь поперечного сечения перемычки; 7^, Рт - соответственно поперечная и продольная опорные силы, вычисляемые по формулам (13) и (14).

Т2т = Я.2ш Но + С0 ); (13)

Р2т = р2т (10 + С0 )- (14)

В результате анализа напряженного состояния межлюковой перемычки [6,7] и подвижного соединения в виде прорези [8], имеющих

ги

Си

> 0,2

аналогичную междуоконной перемычке расчетную схему, для отношения коэффициенты концентрации напряжений можно

приближенно находить по выражению

а„ -а„ = 1 + 0,25

up \

Со

го

(15)

Определение напряжений в междуоконных перемычках представляет собой сложную задачу, так как силы 7^ и Р зависят от поперечной жесткости этой перемычки. В то же время уменьшение геометрических характеристик их поперечных сечений приводит к увеличению напряжений в них. Поэтому представляется интересным исследовать влияние жесткости междуоконной перемычки на ее напряженное состояние.

Для изучения этого влияния в работе были рассмотрены два варианта конструктивного оформления перемычки: обычное (рис. 5б) и коробчатое (усиленное) (рис. 5в). Расчеты были произведены для судна длиной Ь = 110м, имеющего одноярусную рубку протяженностью

0,5Ь. Размеры одного оконного выреза составляли I = 0,6м и Ьо = 0,8м. Толщина стенки рубки ?о = 8мм, ширина перемычки с варьировалась.

1

1

Рис. 5. Варианты конструктивного оформления междуоконных перемычек. а - перемычка; б - обычное сечение; в - коробчатое сечение.

На рис. 6 приведены графики изменения относительных значений сил Т2т и Р2т (в долях от тех же сил, определенных для случая

абсолютно жестких междуоконных перемычек) от относительного коэффициента жесткости упругого шва ^32 (в долях от коэффициента жесткости ^^, рассчитанного для случая абсолютно жестких междуоконных перемычек), построенные на основании результатов

вычислений по формулам (13) и (14).

Нетрудно заметить, что с уменьшением жесткости перемычек силы, приложенные к ним, уменьшаются, то есть происходит разгрузка этих перемычек.

О 2 4 6 8 к22

Рис.6. Изменения относительных значений сил T2ш (1) и ш (2)-

18 TRANSPORT BUSINESS IN RUSSIA

На рис. 7 приведена зависимость относительных напряжений Фщ , определенных по формуле (12) в долях от допускаемых напряжений, принятых равными 0,7$^ ^ = 305МПа - нормативный предел текучести материала рубки), от относительной ширины перемыч-

с = С0

ки 0 г для обоих конструктивных вариантов.

ьо

Из данных графиков следует, что при проектировании междуоконных перемычек их относительная ширина должна удовлетворять следующим условиям:

с0 > с2; (16)

С0 < С1, (17)

где Су , С2 - расчетные величины, определенные из условия прочности Ф щ = 1 •

Нетрудно заметить, что существует область недопустимых с точки зрения прочности значений ширины перемычек Су < Сд < С2 .

Рис. 7. Зависимость относительных напряжений от относительной ширины перемычки.

1 - обычное сечение; 2 - коробчатое сечение.

Необходимо отметить также, что на основании условия (16) прочность междуоконных перемычек можно обеспечить путем увеличения их поперечной жесткости (усиления), а на основании неравенства (17) - путем уменьшения их поперечной жесткости (ослабления) вплоть до исключения из работы с помощью подвижных соединений.

Из графиков рис. 7 следует, что поперечная жесткость перемычек существенно влияет на расчетное значение С2 , которое с увеличением коэффициента жесткости к32 уменьшается. Параметр Су при этом тоже уменьшается, но не в такой степени.

Анализ выполненного исследования позволяет сделать следующие выводы. При проектировании боковых стенок рубок в районе регулярных групповых вырезов ширина междуоконных перемычек определяется расчетом по приведенной выше методике в зависимости от варианта их конструктивного оформления. Ширина подкрепленных перемычек существенно меньше неподкрепленных, поэтому для узких междуоконных перемычек рекомендуется коробчатая конструкция (рис. 6в). Возможен вариант подкрепления перемычки ребрами жесткости в соответствии с рис. 8.

На основании условия (17) междуоконные перемычки можно не подкреплять, а исключать из работы, например, с помощью подвижных соединений. На рис. 9 приведена конструкция такого соединения.

Рис. 8. Вариант подкрепления междуоконной перемычки. 1 - перемычка; 2 - ребро жесткости.

Рис. 9. Подвижное соединение 1 - накладной лист;

2 - болтовое соединение.

Литература:

1. РД 5.1036-80 Вырезы в бортах и продольных переборках: Нормы и правила проектирования. - М.: Издательство стандартов, 1980.

2. Чесноков А. Г. Анализ повреждений надпалубных конструкций// Эксплуатационная и конструктивная прочность судовых конструкций: Тез. докл./ Науч.-техн. конф. «Бубновские чтения - 91». - Нижний Новгород: Нижегор. политехн. ин-т, 1991. - С. 87-88.

3. Сиверс Н. Л. Расчет и конструирование судовых надстроек. - Л.: Судостроение, 1966. - 300 c.

4. Шиманский Ю. А. Проектирование прерывистых связей судового корпуса. - Л.: Судпромгиз, 1949. - 160 с.

5. Ржаницын А. Р. Теория составных стержней строительных конструкций. - М.: Стройиздат, 1948.

6. Enomoto K., Koshikawa S., Tsujioka S., Maeda N. Stress distribution along hatch corner on container ship (на япон. яз.)// Мицуи дзосэн гихо. - 1974. - № 86. - С. 1-14.

7. Hapel K.-H., Just F. Der Spannungs kanzentrations faktor ebener lukenecken konstruktionen von Container schiffen (на нем. яз.)// Schiff und Hafen. - 1981. - № 3. - S. 99-106.

8. Чесноков А. Г. Расчетное проектирование судовых конструкций в районах жестких точек: Автореф. дис. канд. техн. наук/ Дальне-вост. политехн. ин-т. - Владивосток, 1987. - 22 с.