CC BY
48
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
УДК 621:623.4
DOI 10.21685/2072-3059-2018-1-11
А. С. Пензин, А. И. Богомолов, А. Ю. Муйземнек
РАСЧЕТ ВЕТРОВОЙ НАГРУЗКИ НА АРТИЛЛЕРИЙСКОЕ ВООРУЖЕНИЕ, ЭКСПЛУАТИРУЕМОЕ В АРКТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ
Аннотация.
Актуальность и цели. Применение различных образцов артиллерийского вооружения по назначению в арктических регионах может быть осложнено климатическими условиями, главными из которых являются скорость ветра и температура окружающей среды. Задача заключается в определении ветровой нагрузки на образцы артиллерийского вооружения с учетом указанных особенностей. В настоящее время существуют нормативные документы по расчету ветровой нагрузки только на строительные и крановые конструкции. Цель исследования -провести анализ существующих методов расчета ветровой нагрузки и предложить способ ее определения на основе компьютерного моделирования.
Материалы и методы. Для решения поставленной задачи использовались нормативные документы по расчету ветровой нагрузки: СНиП 2.01.07-85, ГОСТ 1451-77 и предлагаемый программный комплекс XFlow.
Результаты. Предложен способ расчета ветровой нагрузки на образцы артиллерийского вооружения на основе применения предложенного программного комплекса XFlow. Проведены сравнительные расчеты ветровой нагрузки по нормативным документам и XFlow.
Выводы. Определение ветровой нагрузки на образцы артиллерийского вооружения с использованием ЭВМ и программного комплекса XFlow позволяет учитывать климатические особенности арктического региона и геометрические формы конкретного объекта. Время выполнения расчетов существенно сокращается.
Ключевые слова: ветер, ветровая нагрузка, артиллерийское вооружение, факторы, температура, скорость ветра.
A. S. Penzin, A. I. Bogomolov, A. Yu. Muyzemnek
CALCULATION OF THE WIND LOAD ON THE ARTILLERY CANON IN ARCTIC CONDITIONS
Abstract.
Background. The use of different models of artillery armament on purpose in the Arctic regions can be complicated by climatic conditions, the main of which are the wind speed and ambient temperature. The task is to determine the wind load on the samples of artillery weapons with the light of these characteristics. Currently, there are normative documents on calculation of wind load only in the construction and
crane construction. The purpose of the study is to analyze the existing methods of calculating wind loads and to provide a method for its determination based on computer simulation.
Materials and methods. To solve the set tasks were used the regulations for the calculation of wind load: SNiP 2.01.07-85, state standart GOST 1451-77 and offer the software package XFlow.
Results. The proposed method of calculating the wind load on the samples of artillery weapons based on the application of the proposed software complex XFlow. Comparative calculations of wind load on the regulations and XFlow.
Conclusions. Identification of wind load applied on the samples of artillery weapons with the use of computers and software XFlow allows to take into account the climatic features of the Arctic region and the geometric shape of a particular object. The execution time of calculations is significantly reduced.
Key words: wind, wind load, artillery canon, factors, temperature, wind speed.
Введение
Одной из основных проблем эксплуатации различных образцов артиллерийского вооружения в арктических условиях являются климатические условия, а именно влияние низких отрицательных температур и сильного ветрового воздействия. Мера этого влияния определяется величиной ветровой нагрузки.
Ветровая нагрузка - это нагрузка, создаваемая давлением ветра на различных высотах. Ветер - движение воздуха относительно земной поверхности. Ветры классифицируют по масштабам, скорости, видам сил, которые их вызывают, местам распространения и воздействию на окружающую среду. Скорость и направление ветра всегда в большей или меньшей степени изменяются вследствие турбулентности воздушного потока [1]. В ряде научных публикаций [2-4] отмечено, что ветер, возникающий в атмосфере, представляет собой турбулентное движение среды, которое характеризуется чрезвычайно нерегулярным и беспорядочным изменением скорости во времени.
Ветровая нагрузка на образец вооружения зависит от скорости ветра и его порывистости, параметров конструкции, включая ее динамические характеристики, аэродинамических коэффициентов формы, размеров и положения конструкции относительно потока.
В настоящее время расчет ветровых нагрузок на различные объекты проводится по двум основным нормативным документам. Первый нормативный документ - СНиП 2.01.07-85 «Строительные нормы и правила. Нагрузки и воздействия» [5], он устанавливает требования по назначению нагрузок, воздействий и их сочетаний, учитываемых при расчетах зданий и сооружений по предельным состояниям. Второй нормативный документ - ГОСТ 1451-77 «Краны грузоподъемные. Нагрузка ветровая. Нормы и методы определения» [6], применяется для расчета ветровой нагрузки на строительные башенные краны.
Рассмотрим подробно порядок расчета по каждому нормативному документу.
1. Порядок расчета ветровой нагрузки по СНиП 2.01.07-85
Нормативное значение ветровой нагрузки w определяется как сумма средней wm и пульсационной wp составляющих:
™ = + •
Нормативное значение средней составляющей ветровой нагрузки wш в зависимости от эквивалентной высоты 2е над поверхностью земли определяется по зависимости
wш = Щ • к(гв ) •с ,
где Wo - нормативное значение ветрового давления, является табличным и зависит от ветрового режима выбранного района. Следует отметить, что карта районирования территории страны по интенсивности ветровой нагрузки не исключает необходимости уточнения этой нагрузки. Для этого привлекают данные метеостанций Росгидромета, расположенных вблизи предполагаемого места использования артиллерийского вооружения. В этом случае уточненное ветровое давление w0 следует определять по формуле
Wo = 0,43у2О,
2
где узо - давление ветра, соответствующее скорости ветра (м/с) на уровне 10 м над поверхностью земли, определяемой с 10-минутным интервалом осреднения и превышаемой в среднем один раз в 50 лет; £(гв) - коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления на высоте 2е, определяется по [5]. Промежуточные значения нагрузок следует определять линейной интерполяцией. Можно считать, что свойства потока в пределах 10-метрового воздушного слоя будут постоянными. Разницу в свойствах потока необходимо учитывать изменением чисел Рейнольдса; с - аэродинамический коэффициент. Его определение составляет основную трудность при вычислении ветровой нагрузки. Это вызвано тем, что существующие образцы артиллерийского вооружения имеют сложную геометрическую форму. Современное состояние аэродинамики позволяет теоретически исследовать обтекание тел различной формы, но до настоящего времени эти исследования для рассматриваемых объектов не проводились. Так как нормативные документы [5, 6] применяются при расчетах ветровой нагрузки на строительные объекты и башенные краны, которые имеют определенные геометрические формы и размеры, расчет аэродинамических коэффициентов приведен только для этих объектов. Часть из них приведена в [5, 6] и в других источниках. Для каждого нового по конфигурации элемента или нового пространственного сочетания элементов значения аэродинамического коэффициента необходимо определять путем испытаний моделей в аэродинамических трубах. Эти испытания технически сложны и трудоемки. Объем выполненных аэродинамических исследований пока недостаточен и позволяет произвести только некоторую качественную оценку применяемой методики [5].
Нормативное значение пульсационной составляющей ветровой нагрузки wp на эквивалентной высоте ze определяется по зависимости
wp = ^ ^) • у ,
где V - коэффициент пространственной корреляции пульсаций давления ветра. Определяется для расчетной поверхности сооружения или отдельной конструкции, для которой учитывается корреляция пульсаций.
Коэффициент, характеризующий пульсации давления ветра t,(ze). принимается по зависимости
) = Сю * (Ц' И
где £10 и а - табличные значения, принимаются в зависимости от типа местности (равнинная, горная, городские застройки), в которой располагается исследуемый объект.
2. Порядок расчета ветровой нагрузки по ГОСТ 1451-77
Ветровая нагрузка на конструкцию определяется как сумма статической и динамической составляющих. Сила давления ветра равна произведению распределенной ветровой нагрузки p на эффективную площадь A:
F = p ■ A .
Распределенная ветровая нагрузка p определяется по зависимости
p = q ■ к ■ c ■ n,
где к - коэффициент, учитывающий изменение динамического давления по высоте; c - коэффициент аэродинамической силы (табличное значение, принимается в зависимости от геометрических форм и размеров объекта [6]); n -коэффициент перегрузки (принимается равным n = 1,1); q - динамическое давление ветра, Па,
pv 2 q = —,
здесь р - плотность воздуха, кг/м3; v - скорость ветра, направленная параллельно поверхности земли, м/с.
Проведенный анализ методик расчета ветровой нагрузки показал, что при расчетах не учитывается температура окружающей среды, различные положения элементов артиллерийского вооружения в пространстве. В настоящее время отсутствует нормативная база по расчету ветровых нагрузок на артиллерийское вооружение. Существующие теоретические и экспериментальные исследования ветровых нагрузок и их взаимодействие с сооружениями разработаны в конце 1950-х - начале 1960-х гг. и с тех пор принципиально не изменились.
Отсюда следует вывод, что необходимо искать наиболее рациональные пути определения ветровой нагрузки, которые смогут позволить в короткие сроки и с максимальной точностью определять эти нагрузки. В настоящее время существует большое количество программных комплексов, которые могут быть использованы для решения задач по расчету ветровой нагрузки.
3. Расчет ветровой нагрузки в программном комплексе XFlow
Программный комплекс XFlow [7] разработан для моделирования течений вязких теплопроводных жидкостей и газов, позволяет осуществлять комплексное моделирование поведения ветрового потока с учетом пульсаций и
реальной окружающей среды. При решении используется метод решеточных уравнений Больцмана, известный в литературе как LBM-метод или Lattice Boltzmann Method. Суть метода заключается в том, что исследуемая область разбивается на конечное число прямоугольных ячеек с жидкими частицами, между которыми на каждом шаге по времени происходит перенос вещества в соответствии с заданным видом кинетического уравнения и интеграла столкновений.
С помощью этого программного комплекса проведено компьютерное моделирование ветровой нагрузки [8]. Для этого в среде ЗБ-моделирования SolidWorks разработана полномасштабная ЗБ-модель образца артиллерийского вооружения применительно к системе «Торнадо-Г» (рис. 1).
Рис. 1. ЗБ-модель «Торнадо-Г»
При моделировании ветровой нагрузки учитывались факторы:
- позиционирование корпуса автошасси и специальной части;
- метеоусловия области использования.
Факторы и интервалы их изменения приведены в табл. 1.
Таблица 1
Факторы и интервалы их изменения
Идентификатор Факторы Значения
хь град. Угол отклонения срединной продольной плоскости автошасси от плоскости ЪХ 0...288
х2, град. Угол горизонтального наведения специальной части 0...90
хз, град. Угол вертикального наведения специальной части 6 ... 54
х4, м/с Скорость ветра по оси Ъ в глобальной системе координат 5.25
х5, °С Температура окружающей среды -56.0
При исследовании применялась модель «серого» ящика [9], где разнообразия условий эксперимента представляют матрицей плана эксперимента с последующим построением регрессионной зависимости характеристик процесса. Число уровней для данного эксперимента выбрано равным 5 [9]. При этом появляется возможность оценить степень влияния независимых факторов процесса на характер его протекания.
Численный результат эксперимента, полученный при реализации плана эксперимента, называется функцией у, поскольку после математической обработки оказывается зависимым от уровней конкретного фактора х,.
В качестве примера результаты построения частных функций для корпуса автошасси приведены в табл. 2.
Таблица 2
Экспериментальные значения частных функций корпуса автошасси
Функция Уровень, Н Среднее значение функции
1 2 3 4 5
У1 9659,91 3670,53 6820,38 7489,26 3341,50 6196,32
У2 5687,11 5242,00 6972,87 6315,47 6764,13 6196,32
Уз 5448,42 6085,67 5219,90 6870,64 7356,95 6196,32
У4 1390,85 3423,38 5786,32 8316,86 12064,17 6196,32
У5 5423,74 5462,45 7183,28 6225,40 6686,72 6196,32
Для определения промежуточных значений функций отклика от варьируемых параметров проведена интерполяция каждой функции у,. Интерполяция проведена с использованием математического пакета MathCad [10]. Результаты интерполяции, а также уровни влияния независимых переменных
на функции отклика y, = fx,), представлены зависимостями:
y1 = -0,0031x3 + 1,3642x2 - 156,2148x + 9542,4329, (1)
y2 = -0,0153x3 + 2,3442x2 - 84,6658x + 6425,6061, (2)
y3 = 0,0087x3 + 0,2059x2 - 3,3334x + 5573,6142, (3)
y4 = 0,5909x3 - 16,3132x2 + 565,1091x - 1118,0387, (4)
y5 = 0,0076x3 - 0,0305x2 - 48,3613x + 5296,8429, (5)
где у - экспериментальные значения, а у, - их интерполяция. Графическое представление отображено на рис. 2-6.
О 72 144 216 288. град
я
Рис. 2. Уровень влияния угла поворота корпуса автошасси на его силовое нагружение
Приведенные зависимости и графики, в отличие от рассмотренных нормативных документов [5, 6], позволяют получать значения ветровой нагрузки при любом сочетании рассмотренных факторов в короткие промежутки времени.
Рис. 3. Уровень влияния угла горизонтального наведения специальной части на силовое нагружение корпуса автошасси
Рис. 4.Уровень влияния угла вертикального наведения специальной части на силовое нагружение корпуса автошасси
Рис. 5. Уровень влияния скорости ветра на силовое нагружение корпуса автошасси
Рис. 6. Уровень влияния температуры окружающей среды на силовое нагружение корпуса автошасси
4. Анализ результатов расчета ветровой нагрузки
Для проведения сравнительного анализа величины ветрового воздействия расчет по рассмотренным методикам проведен для следующих исходных данных:
- объект артиллерийского вооружения - реактивная система залпового огня типа «Торнадо-Г» на базе автомобиля УРАЛ-4320;
- высота исследуемой области г = 10 м от поверхности земли;
- район Арктика. Скорость ветра 20 м/с;
- температура окружающей среды -56 °С;
- направление потока воздуха перпендикулярно продольной оси корпуса пусковой установки;
- площадь обдуваемой поверхности А = 13,5 м2.
Расчет ветровой нагрузки с использованием СНиП 2.01.07-85.
Ветровая нагрузка на сооружение м определяется как сумма средней мт и пульсационной составляющих мр.
Средняя составляющая ветровой нагрузки на высоте г = 10 м:
м>т = к(ге )с = 55,4-1-1,4 = 775,6Н.
Пульсационная составляющая ветровой нагрузки мр:
= мт) = 775,6 - 0,76 - 0,85 = 501,03 Н.
Нормативное значение ветровой нагрузки:
м = мт + = 775,6 + 501,03 = 1276,6 Н.
Суммарная ветровая нагрузка на реактивную систему залпового огня составляет
Е = м - А = 1276,6 -13,5 = 17234,6 Н .
Расчет ветровой нагрузки по ГОСТ 1451-77.
Распределенная ветровая нагрузка определяется по зависимости
д = дкап = 270 -1 -1,2 -1,1 = 356,4 Н.
Статическая составляющая, действующая на объект: Е = д - А = 356,4 -13,5 = 4811,4 Н.
Для оценки влияния отрицательных температур воздуха расчет с использованием [7] проведен для «нормальной» температуры Х5 =+15 °С и для отрицательной Х5 = -56 °С.
Результаты расчета ветровой нагрузки.
Результаты расчета ветровой нагрузки с использованием [5, 6] и программного комплекса XFlow приведены в табл. 3.
Анализ данных табл. 3 показал, что результаты расчета по [5] и [7] близки между собой. Следует отметить, что значения расчетов ветровой нагрузки по [7] с учетом отрицательной температуры воздуха (-56 °С) значительно отличаются от результатов, которые получены без учета этого фактора. Это позволяет сделать вполне обоснованный вывод о том, что учет температуры воздуха при расчете ветровой нагрузки на артиллерийское вооружение обязателен.
Таблица 3
Результаты расчета ветровой нагрузки
Параметр СНиП 2.01.07-85 ГОСТ 1451-77 XFlow (при температуре воздуха +15 °С) XFlow (при температуре воздуха -56 °С)
Суммарная нагрузка на «Торнадо-Г», Н 17234,6 4811,4 17865,2 20187,9
Результаты расчета, полученные с использованием [6], значительно отличаются от остальных. Это объясняется тем, что при расчете ветровой нагрузки по этой методике пульсационная составляющая определяется по нормативно-технической документации на строительные башенные краны, и порядок ее расчета в [6] не приводится.
Заключение
Проведенный анализ расчета ветровой нагрузки по рассмотренным методикам позволяет сделать следующие выводы:
- в СНиП 2.01.07-85 и ГОСТ 1451-77 при расчетах используются табличные значения динамического давления ветра, которые напрямую зависят от скорости ветрового потока и принятых для расчета коэффициентов. Они определяются в соответствии с ветровыми районами предполагаемого нахождения объекта, при этом внешние факторы окружающей среды не учитываются. Также возникает необходимость в проведении большого числа вычислительных операций при изменении положений элементов объекта в пространстве;
- расчет аэродинамических коэффициентов в СНиП 2.01.07-85 и ГОСТ 1451-77 не проводится, так как они являются табличными и рассчитаны для строительных и крановых конструкций. Невозможно одновременно учесть различные пространственные положения элементов обдуваемого объекта;
- XFlow позволяет получать результаты расчета ветровой нагрузки в числовой и графической формах. Полученные данные по результатам моделирования можно использовать при расчете ветровой нагрузки при различных скоростях ветра, температуре воздуха и положениях объекта в пространстве. При этом расчет данной нагрузки будет занимать не более 10 с.
Библиографический список
1. Подобед, В. А. Математическое моделирование ветровых нагрузок на портовые портальные краны / В. А. Подобед // Вестник Мурманского государственного технического университета. - 2006. - Т. 9, № 2. - С. 318-331.
2. Руководство по расчету зданий и сооружений на действие ветра. - М. : Стройиз-дат, 1978. - 216 с.
3. Гандин, Л. С. Проблема ветровых нагрузок на строительные сооружения как задача прикладной метеорологии / Л. С. Гандин // Труды главной геофизической обсерватории им. А. И. Воейкова. - 1950. - № 23 (85).
4. Луговский, В. В. Динамика моря / В. В. Луговский. - Л. : Судостроение, 1976. - 200 с.
5. Строительные нормы и правила 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия. - М., 1985.
6. ГОСТ 1451-77. Межгосударственный стандарт. Краны грузоподъемные. Нагрузка ветровая. Нормы и метод определения. - М., 1977.
7. Программный комплекс XFlow.-ver. 2015.
8. Богомолов, А. И. Компьютерное моделирование ветровой нагрузки на РСЗО / А. И. Богомолов, Ю. А. Дьячков, А. С. Пензин // Научные труды 3 ЦНИИ МО РФ. Книга 42. - М. : Типография 3 ЦНИИ МО РФ, 2017.
9. Малышев, В. П. Математическое планирование металлургического и химического эксперимента / В. П. Малышев. - Алма-Ата : Наука КазССр, 1977. - 37 с.
10. Кирьянов, Д. В. Mathcad 15/Mathcad Prime 1.0 / Д. В. Кирьянов. - СПб. : БХВ-Петербург, 2012. - 432 с.
References
1. Podobed V. A. Vestnik Murmanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Proceedings of Murmansk State Technical University]. 2006, vol. 9, no. 2, pp. 318-331.
2. Rukovodstvo po raschetu zdaniy i sooruzheniy na deystvie vetra [Guidelines on the calculation of buildings and structures to the effect of wind]. Moscow: Stroyiz-dat, 1978, 216 p.
3. Gandin L. S. Trudy glavnoy geofizicheskoy observatorii im. A. I. Voeykova [Proceedings of the Voeikov main geophysical observatory]. 1950, no. 23 (85).
4. Lugovskiy V. V. Dinamika morya [Sea dynamics]. Leningrad: Sudostroenie, 1976, 200 p.
5. Stroitel'nye normy i pravila 2.01.07-85. Nagruzki i vozdeystviya [Building regulations 2.01.07-85. Load and impact]. Moscow, 1985.
6. GOST 1451-77. Mezhgosudarstvennyy standart. Krany gruzopod"emnye. Nagruzka vetrovaya. Normy i metod opredeleniya [State standart GOST 1451-77. International standart. Lifting cranes. Wind load. Norms and method of determination]. Moscow, 1977.
7. Programmnyy kompleksXFlow.-ver. 2015 [Software packageXFlow.-version 2015].
8. Bogomolov A. I., D'yachkov Yu. A., Penzin A. S. Nauchnye trudy 3 TsNII MO RF. Kniga 42 [Proceedings of the Third Central Research Institute of Ministry of Defence of the Russian Federation]. Moscow : Tipografiya 3 TsNII MO RF, 2017.
9. Malyshev V. P. Matematicheskoe planirovanie metallurgicheskogo i khimicheskogo eksperimenta [Mathematical planning of metallurgical and chemical experiments]. Alma-Ata: Nauka KazSSr, 1977, 37 p.
10. Kir'yanov D. V. Mathcad 15/Mathcad Prime 1.0. Saint-Petersburg: BKhV-Peterburg, 2012, 432 p.
Пензин Алексей Сергеевич адъюнкт, кафедра № 1, Пензенский филиал Военной академии материально-технического обеспечения имени генерала армии А. В. Хрулева (Россия, г. Пенза-5)
E-mail: [email protected]
Богомолов Алексей Иванович доктор технических наук, профессор, кафедра № 1, Пензенский филиал Военной академии материально-технического обеспечения имени генерала армии А. В. Хрулева (Россия, г. Пенза-5)
E-mail: [email protected]
Penzin Aleksey Sergeevich Student, sub-department No. 1, Penza branch of the Military Academy of material logistics named after army general A. V. Khrulyov (Penza-5, Russia)
Bogomolov Aleksey Ivanovich Doctor of engineering sciences, professor, sub-department №1, Penza branch of the Military Academy of material logistics named after army general A. V. Khrulyov (Penza-5, Russia)
Муйземнек Александр Юрьевич доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой теоретической и прикладной механики и графики, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: [email protected]
Muyzemnek Aleksandr Yur'evich Doctor of engineering sciences, professor, head of sub-department of theoretical and applied mechanics and graphics, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
УДК 621:623.4 Пензин, А. С.
Расчет ветровой нагрузки на артиллерийское вооружение, эксплуатируемое в арктических условиях / А. С. Пензин, А. И. Богомолов, А. Ю. Муйземнек // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2017. - № 4 (44). - С. 134-144. - Б01 10.21685/20723059-2018-1-11.
