авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Восстановление прочности изношенных судовых конструкций методом установки накладных листов

На правах рукописи

Мамонтов Андрей Игоревич

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПРОЧНОСТИ ИЗНОШЕННЫХ СУДОВЫХ

КОНСТРУКЦИЙ МЕТОДОМ УСТАНОВКИ НАКЛАДНЫХ ЛИСТОВ

05.08.04 - Технология судостроения, судоремонта и организация судострои-

тельного производства

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата

технических наук

Владивосток 2008 1

Работа выполнена в Дальневосточном государственном техническом уни верситете (ДВПИ им. В.В. Куйбышева)

Научный руководитель Заслуженный работник высшей школы РФ, доктор технических наук, до цент Аносов Анатолий Петрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент Москаленко Михаил Анатольевич кандидат технических наук, профессор Казанов Геннадий Тимофеевич

Ведущая организация: Дальневосточный научно-исследовательский, проектно-изыскательский и конструкторско технологический институт морского флота (ОАО «ДНИИМФ»), г. Владивосток

Защита диссертации состоится 1 октября 2008г. в 14. на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д.223.005.01 при Морском государственном университете имени адмирала Г.И. Невельского: 690059, г. Владивосток, ул. Верхнепортовая, 50а, ауд. УК 1, тел/факс +7 (4232) 414-

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УК 1 Морского государ ственного университета им. адм. Г.И. Невельского.

Автореферат разослан 22 августа 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Резник А.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы Проблема восстановления прочности корпусов судов и кораблей явля ется непреходяще актуальной. Ее решение осуществляется разными спосо бами, в том числе и при помощи накладных листов.

Необходимость подкрепления судовых пластин накладными листами возникает в процессе эксплуатации, т.к. листовые связи корпуса обладают разным уровнем прочности из-за различия в действии внешних нагрузок, износа, ошибок проектирования и т.д. Например, надводный борт, фальш борт и палубный стрингер в оконечностях не всегда выдерживают нагрузки при швартовках. Замена с восстановлением конструкций до построечных размеров там, где проявляются недостатки проектирования, экономически нецелесообразна. Районы корпуса судна, не обеспечивающие достаточной прочности в начале эксплуатации, следует подкрепить или модернизировать при ремонте.

Подкрепление накладными листами считается более эффективным, чем балками, т.к. оно обладает рядом прочностных и технологических дос тоинств. Благодаря опиранию по всему контуру или по большей его части, листы обладают высокой несущей способностью, т.к. под действием внеш ней нагрузки изгибаются в двух направлениях, и их сопротивление дефор мациям используется значительно эффективнее, чем в балках.

Подкрепление накладными листами является наиболее простым спо собом увеличения местной прочности судовых конструкций и эффективным средством повышения общей прочности корпусов судов, особенно в тех случаях, когда для продолжения эксплуатации судна необходимо незначи тельное увеличение момента сопротивления, т.к. требует меньших затрат труда и материалов, чем замена изношенных конструкций.

Задача увеличения прочности этим способом сопряжена с применени ем простых и удобных инструкций, позволяющих технологу судоремонтнику рассчитать параметры накладных листов. Такие инструк ции созданы, например, в 1989г. в ДВПИ им. В.В.Куйбышева «Методика комплексной оценки технического состояния и выбора способа ремонта из ношенно деформированных пластин наружной обшивки судов», в 1991г. в ЦНИИМФ «Технологическая инструкция по ремонту корпусных конструк ций с применением накладных листов ЯКУТ 24 – 004 – 90». В этих доку ментах остались незатронутыми некоторые вопросы, связанные с примене нием накладных листов.

Данная работа направлена на восполнение этого пробела и расшире ние диапазона применения накладных листов при ремонте и реконструкции судовых корпусов, ликвидацию неопределенности влияния процессов, взаи модействия пластины и накладного листа, на прочность и надежность.

В ходе исследования были рассмотрены следующие варианты поведе ния материала пластины с накладным листом.

1. Материал пластины с накладным листом - упругий Рассмотрено напряженно-деформированное состояние пластины с на кладным листом при действии поперечной нагрузки q 0 или сжимающих усилий Т.

Сначала рассматривалась длинная пластина с накладным листом (пла стина с накладным листом при отсутствии краевых эффектов от коротких сторон опорного контура), затем - квадратная пластина с накладным листом.

Поперечная нагрузка, при которой в системе возникает фибровая те кучесть, называется далее нагрузкой фибровой текучести q КР. Пластина с накладным листом обладает достаточной гибкостью, поэтому продольные сжимающие усилия вызывают фибровую текучесть при значительном де формировании, т.е. в области потери устойчивости. Усилия, вызывающие потерю устойчивости, названы эйлеровыми усилиями системы TЭ.

2. Материал пластины с накладным листом – жестко пластический Рассмотрено разрушение пластины с накладным листом в предельном состоянии при действии поперечной нагрузки. Нагрузка, вызывающая обра зование кинематического механизма, называется далее предельной.

Сначала рассмотрена квадратная пластина с накладным листом, затем - длинная (пластина с накладным листом при отсутствии краевых эффектов от коротких сторон опорного контура).



3. Материал пластины с накладным листом – упруго пластический Рассмотрено замерзание воды между поверхностями пластин. В зави симости от размеров пластины с накладным листом при замерзании воз можно как упругое, так и пластическое деформирование. Во втором случае несколько циклов «замерзания – оттаивания» могут привести к отрыву на кладного листа (разрушающее влияние распора). Определены размеры на кладного листа, очерчивающие границу этих состояний.

Цель работы – разработка основ методики применения накладных листов для повышения прочности поврежденных судовых пластин, позво ляющей снизить стоимость и трудоемкость судоремонта.

Достижение цели основано на изучении напряженно деформированного состояния пластины с накладным листом и определении размеров накладного листа, в которых его применение приводит к требуе мому результату.

Для этого в работе решались следующие задачи:

1. Устанавливались величины эйлеровых усилий, нагрузки предель ной и фибровой текучести в зависимости от геометрических характеристик пластины, подкрепленной накладным листом, и соединяющих их сварных швов.

2. Выявлялся диапазон размеров накладного листа и изношенной пластины, в котором достигается увеличение прочности и замерзание воды в зазоре между ними не вызывает появления пластических деформаций.

3. Разрабатывались основы методики расчета размеров накладного листа для обеспечения эффективного подкрепления поврежденной пласти ны.

Объект исследования: изношенная судовая пластина с установлен ным на ней накладным листом.

Предмет исследования: зависимость прочностных характеристик конструкции от размеров изношенной пластины и накладного листа, с кото рым соединена первая, и элементов их соединения. К прочностным характе ристикам относили: эйлеровы усилия, нагрузку предельную и фибровой те кучести, размеры, при которых разрушающее влияние оказывает распор, возникающий при замерзании воды между изношенной пластиной и на кладным листом.

Методы исследования 1. Упругая модель материала - использован метод граничных эле ментов с пошаговым возрастанием поперечной нагрузки и сжимающих уси лий. Граничные элементы получены путем решения задачи Коши с приме нением метода В.З. Власова. При расчете на устойчивость применен асим птотический, а для проверки - статический метод.

2. Жестко – пластическая модель материала - использованы стати ческий и кинематический методы определения предельных нагрузок. Для их реализации применялись минимальное и максимальное свойства действи тельного поля скоростей.

3. Упруго – пластическая модель материала - использованы методы теории упругости и предельного равновесия.

Научная новизна и практическая ценность работы заключается в разработке основ инженерной методики выбора размеров накладного листа для восстановления прочности поврежденных пластин при различных экс плуатационных нагрузках и в обосновании возможности применения про стого и экономически выгодного метода ремонта поврежденных судовых пластин с помощью накладных листов.

На защиту выносятся следующие основные результаты работы:

1. Рекомендации по выбору размеров накладного листа и увеличению прочности длинной изношенной пластины при сжатии.

2. Рекомендации по выбору размеров накладного листа и увеличению прочности длинной изношенной пластины при действии поперечной на грузки.

3. Рекомендации по выбору размеров накладного листа и увеличению прочности квадратной изношенной пластины при сжатии.

4. Рекомендации по выбору размеров накладного листа и увеличению прочности квадратной изношенной пластины при действии поперечной на грузки.

5. Рекомендации по выбору размеров накладного листа и увеличению прочности квадратной изношенной пластины в пластической стадии при действии поперечной нагрузки.

6. Рекомендации по выбору размеров накладного листа и увеличению прочности длинной изношенной пластины в пластической стадии при дей ствии поперечной нагрузки.

7. Рекомендации по выбору размеров накладного листа, при которых отсутствуют повреждения при замерзании воды в зазоре между ним и по врежденной пластиной.

Достоверность научных положений и рекомендаций обоснована об щепринятыми апробированными исходными теоретическими положениями;

исследованиями на гранично-элементарной модели;

сравнением и соответ ствием результатов, полученных в работе, с результатами, базирующимися на альтернативных методах расчета.

Апробация работы Основные положения и результаты исследований доложены и обсуж дены на научно-технических конференциях в 2007 – 2008 гг. (Региональная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и научно-технический прогресс», г. Владивосток, апрель 2007 г., Всероссийская научно-техническая конференция «Приоритетные направле ния развития нуки и технологий» (доклады размещены на сайте www.semikonf.ru), июнь 2007 г.;

научно-техническая конференция по строи тельной механике корабля, посвященная памяти П.Ф. Папковича (г. Санкт Петербург), сентябрь 2007 г.;

научная конференция «Вологдинские чтения»

по естественным наукам, машиностроению, кораблестроению и океанотех нике, г. Владивосток, ноябрь 2007 г.

Получен акт от ОАО «Приморский завод» о внедрении научно исследовательской разработки.

Публикации По теме научно - квалификационной работы опубликовано 7 научных статей.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы научно квалификационной работы, формулируется предмет и направления исследо ваний, приводится общая характеристика и краткое содержание работы.

Общая схема работы представлена на рис. 1.

В первой главе «Анализ повреждений пластин и способов их устра нения» выполнены обзор работ, посвященных повреждениям листов обшив ки, и анализ причин появления таких повреждений.

Отмечается, что при плавании судов на волнении разрывы листов об шивки возникают, главным образом, в местах износа. При большом износе толщины обшивки оказываются недостаточными для сопротивления экс плуатационным нагрузкам и происходит их разрушение или деформирова ние. Массовые деформации связей корпусов при длительном действии пе ременных нагрузок являются причиной образования трещин в обшивке. На пример, по исследованиям Н.Ф. Ершова и О.И. Свечникова, водотечность являлась следствием сильного износа и больших деформаций, приводивших к образованию трещин. Значения толщин, при которых резко возрастало ко личество разрывов, составляло 3 – 4 мм, для морских - менее 5 мм. Сущест венную неопределенность в прогнозирование повреждений вносит процесс прогрессирования износа. Как правило, существует взаимное влияние изно са на деформации, трещинообразование и, наоборот.





Деформации и локальный износ, и связанные с ними замены листов не позволяют реализоваться общим износам, которые предусмотрены норма тивными документами на конец срока службы судна. В результате - неоп равданные затраты материалов и труда при постройке.

Далее в работе выполнен анализ нормативных документов, регламен тирующих предупреждение появления повреждений и способы их устране ния.

Восстановление поврежденных конструкций заменой их элементов иногда понижает надежность, ведет к большому объему сборочно – сварочных работ, к появлению сварочных напряжений и увеличению рас хода основных и сварочных материалов и энергии. В связи с тем, что кон троль внутренних дефектов сварных швов осуществляется выборочно, воз можен их частичный пропуск, что снижает усталостную прочность конст рукций. Таким образом, уменьшение объема сборочно – сварочных работ будет способствовать повышению работоспособности конструкций.

По мнению Г.В. Бойцова, одной из причин, заставляющих увеличивать массу корпуса судна ледового плавания, является необходимость обеспече ния прочности при эксплуатации судов во льдах.

В работах В.А. Бабцева, Н.В. Барабанова, О.И. Братухина, В.А. Кулеша, Ю.Ф. Литвинова, Г.П. Шемендюка и др. отмечается, что с уче том случайности и локальности ледовых повреждений увеличения металло емкости можно избежать применением накладных листов в качестве «страхующего фактора». Их применение создает различный уровень надеж ности конструкций - от временной меры или «страхующего фактора» с по ниженной прочностью до уровня прочности замененной конструкции и вы ше.

Как отмечалось в работах А.А. Алексюка, В.А. Кулеша и Г.П. Шемендюка, недостаточные знания о степени эффективности способа ремонта, альтернативного замене конструкции - одна из основных причин ограниченного применения накладных листов. Значение проверки в натур ных условиях плавания трудно переоценить, однако, при современном раз витии методов расчета конструкций в области больших деформаций можно устранить многие препятствия для их применения.

Способ ремонта корпусных конструкций накладными листами облада ет многими технологическими преимуществами и при соответствующем обосновании имеет право на существование. Приведены положительные примеры применения накладных листов при ремонте судов, а также в ос новном положительное мнение представителей большинства инспекций Ре гистра судоходства по этому поводу.

Вторая глава «Восстановление прочности длинной изношенной пла стины при сжатии» посвящена решению задачи расчета прочности длинной пластины с накладным листом при отсутствии краевых эффектов и действии сжимающих усилий в плоскости изношенной пластины. За критерий проч ности принимались эйлеровы усилия T Э.

Для определенных (базовых) размеров опорного контура изношенной пластины рассчитаны зависимости TЭ от длины накладного листа L 2 с раз личными базовыми значениями его толщины h 2. Расчетная схема приведена на рис. 2, а результаты расчета для базовой толщины накладного листа, рав ной толщине изношенной пластины - на рис. 3 (свободная заделка).

Рис. 2. Длинная изношенная пластина с накладным листом: а – изометрия и выде ление среднего сечения;

б – принятые обозначения, действующие усилия и усло вия закрепления в случае жесткой заделки изношенной пластины;

в - условия за крепления в случае шарнирной опоры изношенной пластины Расчеты для различных базовых размеров подкрепляемой пластины и анализ их результатов позволили предложить пересчет полученных зависи мостей при помощи масштабных коэффициентов.

Масштабный коэффициент для пересчета зависимостей эйлеровых усилий TЭ от длины накладного листа L1 вдоль оси абсцисс L1 ( Y ) + L 3 ( Y ) kX =, (3) L1 ( X ) + L 3 ( X ) а вдоль оси ординат 2 L1 ( X ) + L 3 X ) h 1 ( Y ) kY = h, (4) L +L 3 (Y) 1 (X) 1 (Y) где Y - символ, обозначающий любой произвольный, существующий на практике размер;

X - символ, обозначающий исходный размер, для которого уже существуют построенные зависимости.

Пример 1.

Определить размеры накладного листа для верхней палубы с попереч ной системой набора при следующих исходных данных:

остаточная толщина настила к концу срока службы, h Н 4.0 мм;

запас на коррозию, h 2.0 мм;

допускаемая остаточная толщина, [s1 ] 5.8 мм;

шпация поперечного набора, а 700 мм;

23.5 кГс мм 2.

предел текучести материала, T Снижение погонной величины эйлеровых усилий за счет уменьшения толщины к концу срока службы h Н по сравнению с допускаемой [s1 ], равно 2 Е 2 ( [s1 ] h Н ) = 3 (5. 8 3 4 3 ) = T Э = 2 2 2 12 а (1 ) 12 700 (1 0.3 ) = 4.84 кГс мм.

При помощи масштабных коэффициентов пересчитывается график, рассчитанный для базовых размеров изношенной пластины и базовой толщи ны накладного листа. Так получен рис. 3, на котором толщина изношенной пластины и накладного листа 4 мм (равна h Н ). Для выбора длины накладно го листа применяется кривая зависимости T Э, показанная на этом же ри сунке.

Чтобы восполнить снижение эйлеровых усилий надо к значению T Э = 2.36кГс мм, соответствующему длинной пластине с размерами а h Н = 700 4 мм без накладного листа ( L1 = 0, рис. 3), прибавить T Э = 4.84 кГс мм. Получим 7.20 кГс мм. Этому значению на рис. 3 соот ветствует пластина 700 4 мм с накладным листом длиной 204 2 мм (ум ножение на 2 обусловлено симметрией схемы на рис. 2) и толщиной 4 мм. С учетом надбавки на износ и некоторого округления окончательно принима ем размеры накладного листа 410 6 мм.

Показано, что в случае отсутствия краевых эффектов от коротких сто рон опорного контура, потеря устойчивости изношенной пластины проис ходит с контактом между ней и накладным листом, поэтому значения уси лий потери устойчивости возрастают. Особенно явно контакт между ними проявляется, когда на нижнюю пластину действует поперечная нагрузка.

Рис. 3. Зависимость эйлеровых усилий от длины накладного листа при его толщи не 4 мм, полученная путем применения масштабных коэффициентов В результате расчета в соответствии со схемой, показанной на рис. 2, который выполнен с учетом равенства s 6 = s 9, физически представляющим жесткую связь между изношенной пластиной и накладным листом, показано, что контакт увеличивает усилия потери устойчивости в 1.5 – 2 раза (штрихо вая кривая, рис. 3).

В третьей главе «Восстановление прочности длинной изношенной пластины при действии поперечной нагрузки» выполнен расчет прочности длинной пластины при отсутствии краевых эффектов с накладным листом (рис. 2) под действием поперечной равномерно распределенной нагрузки q 0. TB 0. Критерием прочности при этом являлась нагрузка q КР, соответ ствующая возникновению напряжений фибровой текучести в одном из эле ментов расчетной схемы. Напряжения фибровой текучести принимались равными 23.5 кГс мм 2 (сталь РСА).

Варьировались основные геометрические характеристики элементов пластины, подкрепленной накладным листом, тип ее заделки на опорном контуре и принцип выбора соединительного элемента, моделирующего сварное соединение - «в зависимости от того, что больше» и «в зависимости от того, что меньше» (толщина пластины или накладного листа).

Нагрузка, при которой между поверхностями пластин возникал кон такт, а разница прогиба верхней и нижней пластин была равна принятому зазору, обозначалась как q CONT.

Результаты расчета получены в виде графиков зависимостей q КР и q CONT от длины накладного листа L1 для базовых размеров изношенной пла стины. Зависимости q КР от длины накладного листа L1 показаны на рис. 4.

Выполненные расчеты для различных базовых размеров подкрепляемой пластины позволили проводить пересчет полученных зависимостей, как и ра нее, при помощи масштабных коэффициентов.

Рис. 4. Зависимости q КР от длины накладного листа для различных значений его толщины (штрихпунктирные – с учетом контакта). Зависимости получены из гра фиков, рассчитанных для базовых размеров, путем применения масштабных ко эффициентов (5) и (6) Масштабный коэффициент для пересчета зависимостей нагрузки фиб ровой текучести q КР от длины накладного листа L1 вдоль оси абсцисс равен L1 ( Y ) + L 3 ( Y ) kX =, (5) L1 ( X ) + L 3 ( X ) вдоль оси ординат 2 L1 ( X ) + L 3 X ) h1 ( Y ) kY =. (6) L1 ( Y ) + L 3 ( Y ) h1 ( X ) Масштабный коэффициент для пересчета зависимостей нагрузки, вы зывающей появление контакта между поверхностями пластин, q CONT от дли ны накладного листа L1 вдоль оси абсцисс определяется по формуле (5), а вдоль оси ординат по формуле 4 L1 ( X ) + L 3 ( X ) h 1 ( Y ) k Y _ CONT = h. (7) L +L 1 (Y) 3 (Y) 1 (X) Графики полученных зависимостей путем применения масштабных коэффициентов позволяют выбирать оптимальные размеры накладного лис та по критерию нагрузки фибровой текучести, исходя из конкретных усло вий заделки, типа соединения и конкретных размеров изношенной пласти ны.

Далее в главе рассмотрены принципы учета контактного взаимодейст вия при расчете пластины, подкрепленной накладным листом, по критерию нагрузки фибровой текучести.

Взаимодействие ее с накладным листом моделировалось переходом условия закрепления s 6 s 9 к условию s 6 = s 9 на рис. 2. При этом перехо де напряжения, достигнув определенного уровня, начинают изменяться по другому закону.

В работе разработаны принципы расчета смещения линий графиков, обусловленного предварительным закрытием зазора между подкрепляемой пластиной и накладным листом, и учет нелинейных эффектов при их расче те по критерию нагрузки, при которой возникают напряжения фибровой те кучести.

Пример 2. Определить размеры накладного листа для верхней палубы с поперечной системой набора при следующих исходных данных:

остаточная толщина настила к концу срока службы, h Н 3.0 мм;

запас на коррозию, h 2.0 мм;

допускаемая остаточная толщина, [s1 ] 6.0 мм;

шпация поперечного набора, а 700 мм;

23.5 кГс мм 2.

предел текучести материала, T Подкрепляемая длинная пластина имеет размеры 700 3.0 мм.

По приведенной в главе диаграмме определяется, что контакт между ней и накладным листом будет происходить по достижении нагрузкой фиб ровой текучести максимальных значений, поэтому расчет выполняется с учетом контактного взаимодействия.

Снижение нагрузки, при которой возникает фибровая текучесть за счет уменьшения толщины к концу срока службы h Н по сравнению с допус каемой [s1 ], равно 4 4 23. q КР = T (1 2 ) ([s1 ] h Н ) = 2 (1 0.32 ) (6.0 2 3.0 2 ) = 2 3a 3 = 1.57 10 3 кГс мм 2.

При помощи масштабных коэффициентов (5) и (6) пересчитывается график, рассчитанный в главе для базовых размеров изношенной пластины (длина 600 мм и толщина 10 мм) и различных базовых толщин накладного листа. Так получим графики, показанные на рис. 4, где штрихпунктирными линиями представлены зависимости нагрузки фибровой текучести q КР от длины накладного листа L1 с учетом жесткой связи между ним и подкреп ляемой пластиной с начала нагружения (сплошными – при ее отсутствии).

Масштабные коэффициенты (5) и (6) для пересчета зависимостей а вдоль осей абсцисс и ординат равны соответственно k X = = = 1.167, 600 2 2 2 h Н 600 3 kY = = = 0.066.

10 а 10 Для восполнения снижения нагрузки фибровой текучести следует к значению 5.24 10 4 кГс мм 2, соответствующему пластине с размерами а h Н = 700 3 мм без накладного листа, прибавить q КР = 1.57 10 3 кГс мм. Получим 2.09 10 3 кГс мм. Этому значению 2 на рис. 4 соответствует пластина 700 3 мм с накладным листом длиной 2 298 мм (умножение на 2 обусловлено симметрией схемы на рис. 2), тол щиной 6 и 9мм. Наметим для принятия 6 мм.

С начала нагружения отсутствовала жесткая связь между изношенной пластиной и накладным листом, которая возникает после закрытия зазора, поэтому необходимо проверить понижение нагрузки фибровой текучести с учетом закрытия между ними зазора в процессе нагружения. Для этого ис пользуется формула, разработанная и приведенная в главе. Рассматривается линия графика, соответствующего толщине накладного листа 6.0 мм, и двум значениям его длины L 1 = 327 мм и L 1 = 338 мм. Подробный пример расче та приведен в заключительной главе диссертации. Результатом расчета яв ляется смещение линии для h 4 = 6.0 мм в точках L 1 = 327 мм и L 1 = 338 мм на 3.31 кГс мм 2 и 2.94 кГс мм 2 соответственно, которое отражено на рис. (смещенная линия).

Из рис. 4 следует, что при длине накладного листа 2 298 мм смещение линии зависимости q КР от длины L 1 не влияет на значение нагрузки фиб ровой текучести q KP = 2.09 10 3 кГс мм 2, поэтому оставляем выбранную длину накладного листа и его толщину. При большей длине накладного лис та значение q KP уменьшается в соответствии со смещенной линией. При большей длине накладного листа ( L1 около 350 мм) нагрузка фибровой теку чести менее 2.09 10 3 кГс мм 2, поэтому применять длинный накладной лист толщиной 6 мм не рекомендуется.

С учетом надбавки на износ и некоторого округления окончательно принимаем размеры накладного листа 600 8.0 мм.

Целью учета нелинейных эффектов в пластине, подкрепленной на кладным листом, являлось выявление ее размеров, при которых целесооб разно применять накладной лист с толщиной h 4 h 1, h 4 h 1 2 и h 4 h 1 3.

Результат представлен на рис. 5.

Сначала засматривалась шарнирная опора подкрепляемой пластины на контуре.

При размерах изношенной пластины, соответствующих попаданию в область над линией, описываемой зависимостью (8) на рис. 5, толщина на кладного листа может быть меньше половины ее толщины.

Рис. 5. Линии, вдоль которых толщина пластины, подкрепленной накладным лис том, должна быть: (8) - h 4 h 1 2 при шарнирной опоре;

(9) - h 4 h 1 при шарнир ной опоре и h 4 h 1 3 при жесткой заделке При размерах изношенной пластины, соответствующих попаданию в заштрихованную область, между линиями (8) и (9) толщина накладного лис та должна быть больше половины толщины изношенной пластины, но мо жет быть меньше ее толщины.

При размерах изношенной пластины, соответствующих попаданию в область ниже зависимости (9) толщина накладного листа должна быть боль ше ее толщины.

Далее рассматривалась жесткая заделка подкрепляемой пластины на опорном контуре.

При размерах изношенной пластины, соответствующих попаданию в область ниже зависимости (9) толщина накладного листа должна быть боль ше трети ее толщины.

Глава 4 «Восстановление прочности квадратной изношенной пласти ны при сжатии и действии поперечной нагрузки» посвящена исследованию квадратной пластины с целью оценки влияния краевых эффектов от кромок, параллельных линии действия сжимающих усилий, на значения эйлеровых усилий и нагрузки фибровой текучести.

В работе рассмотрена пластина, подкрепленная накладным листом, (рис. 6), которая в направлении оси OX шарнирно опирается по линиям z = 0 и z = B на жесткий квадратный контур размером B B, мм. В этом на правлении накладной лист имеет меньший размер, чем подкрепляемая пла стина, расположен симметрично относительно нее и соединен с ней по кромкам (приварен внахлест). Соединение (сварной шов) моделируется пла стиной с толщиной равной толщине подкрепляемой пластины или наклад ного листа и выбранной по принципу «в зависимости от того, что больше».

В направлении оси OX длина накладного листа и подкрепляемой пла стины равны.

Сначала рассматривался случай сжатия, когда на кромки подкрепляе мой пластины по линиям z = 0 и z = B в ее плоскости действует погонное сжимающее усилие T B, кГс мм, которое через швы (соединительный эле мент) частично передаются на накладной лист.

Рассмотрены два случая закрепления кромок изношенной пластины и накладного листа по линиям x = 0 и x = B - шарнирно опирающиеся на же сткий контур и жестко заделаные. Были рассчитаны усилия потери устойчи вости системы пластин T Э, кГс мм, в зависимости от ее размеров, которые представлены в виде графиков для каждого случая заделки кромок.

Расчетная схема пластины, подкрепленной накладным листом, составле на с учетом формы среднего сечения А – А (рис. 6, б).

Соединительные элементы 1 и 3 работают на кручение и, кроме того, являясь ребрами жесткости, создают эффект податливых опор. Этот эффект моделируется введением в матрицу расчетной схемы коэффициентов жест кости k zh.

При выполнении расчетов варьировались основные геометрические характеристики накладного листа и для фиксированных размеров строились графики зависимостей T B от перемещений в точках A, B, С, D, E, из кото рых A и E – точки внутри элементов (см. рис. 6, в). Усилия потери устойчи вости определялись по положению асимптот на графиках этих зависимо стей. Форма, по которой система пластин теряла устойчивость, определя лась по направлению перемещений, образующих асимптоты на этих графи ках.

Схематично возможные формы потери устойчивости показаны на рис. 6, в, где стрелками обозначены направления перемещений в области асимптоты. В работе описано влияние этих форм на значение усилий потери устойчивости.

Рис. 6. Квадратная изношенная пластина с накладным листом:

а – изометрия и выделение среднего сечения;

б – действующие усилия и условия закрепления;

в – 1;

в – 2;

в – 3;

в – 4 - формы потери устойчивости Если значения длины сторон опорного контура реальной квадратной пластины В( Y ) и h (Y ) не совпадают с теми, для которых выполнены числен ные расчеты, то возможен пересчет графиков этих зависимостей при помо щи масштабных коэффициентов. Коэффициенты для пересчета вдоль оси абсцисс и ординат равны соответственно:

3 h B B (Y ) ;

k Y = (X ) (Y ).

kX = h B B (X ) (Y ) (X ) Далее рассмотрен случай поперечного изгиба.

При двух указанных выше вариантах закрепления кромок, пластина, подкрепленная накладным листом, загружена равномерно распределенной нагрузкой. При варьировании размеров накладного листа были определены значения действующей нагрузки, при которых хотя бы в одном из элементов расчетной схемы (рис. 6, б) возникают напряжения фибровой текучести.

В случае поперечного изгиба, как и в случае сжатия, усилия, возни кающие и за счет сжатия изношенной пластины под накладным листом, ока зывают существенное влияние на деформационную способность всей сис темы.

Пример расчета пластины с размерами 700 700 3 мм для различных толщин накладного листа h 2 иллюстрируется рис. 7, где каждый тип линий (сплошная, штрихпунктирная) обозначает возникновение напряжений фиб ровой текучести в различных точках расчетной схемы.

Здесь также возможен пересчет с помощью масштабных коэффициен тов от базовых размеров к произвольным.

На основании полученных результатов сделаны следующие выводы:

• Если значения длин сторон опорного контура реальной квадратной пластины В( Y ) и h (Y ) не совпадают с теми, для которых выполнены числен ные расчеты, то возможен пересчет графиков этих зависимостей при помо щи масштабных коэффициентов вида (5) и (6).

Пример 3. Определить размеры накладного листа для верхней палубы с клетчатой системой набора, если опорный контур изношенной пластины – квадрат.

Исходные данные принимаются такие же, как в примере 2.

Подкрепляемая квадратная пластина имеет размеры 700 700 3.0 мм.

Снижение нагрузки, при которой возникает фибровая текучесть за счет уменьшения толщины к концу срока службы h Н по сравнению с допус каемой [s1 ], определим по формуле строительной механики, как для балки – полоски, но с учетом шарнирной опоры на всех кромках:

4 T 4 23. q КР = 2.61 2 (1 2 ) ( [s1 ] h Н ) = 2. 2 (1 0.32 ) 3a 3 (6.0 2 3.0 2 ) = 4.10 10 3 кГс мм 2.

Преобразуем графики зависимостей, построенных для изношенной пластины с базовой длиной сторон опорного контура 600 мм и базовой толщиной 10 мм, при помощи масштабных коэффициентов (5) и (6).

Масштабные коэффициенты (5) и (6) для пересчета зависимостей:

2 2 h Н 600 а kX = = = 1.167 - вдоль оси абсцисс и k Y = = 10 а 600 = 0.066 - вдоль оси ординат.

В результате для выбора размеров накладного листа применяются гра фики, показанные на рис. 7.

Рис. 7. Зависимости q КР от длины накладного листа для различных значений его толщины, полученные путем применения масштабных коэффициентов (5) и (6).

Размеры изношенной пластины 700 700 3.0. h 2 - толщина накладного листа Для восполнения снижения нагрузки фибровой текучести надо к зна чению 1.36 103 кГс мм 2, соответствующему пластине с размерами а а h Н = 700 700 3 мм без накладного листа, прибавить q КР = 4.10 10 3 кГс мм. Получим 5.46 10 3 кГс мм. Этому значению 2 на рис. 7 соответствует пластина 700 700 3 мм с накладным листом дли ной 158 мм, толщиной 9 мм. С учетом надбавки на износ и некоторого ок ругления окончательно принимаем размеры накладного листа 700 160 11.0 мм. Толщина накладного листа согласно ГОСТ 5521-93.

В рассмотренном примере не учитывалось возникновение контакта между накладным листом и изношенной пластиной.

• Расчеты, выполненные в главе в широком диапазоне базовых разме ров изношенной пластины, позволили предложить диаграмму, представлен ную на рис. 8. По этой диаграмме контакт между пластинами возникает в следующих случаях:

1. При размерах изношенной пластины, соответствующих попаданию под линию зависимости (1), и толщине накладного листа не больше трех толщин изношенной пластины.

2. При размерах изношенной пластины, соответствующих попаданию между линиями зависимости (1) и (2), и толщине накладного листа больше толщины изношенной пластины.

3. При размерах изношенной пластины, соответствующих попаданию в район выше линии (2), и толщине накладного листа меньше толщины из ношенной пластины.

Рис. 8. Диаграмма для выбора толщины накладного листа по условию возникно вения контакта между ним и изношенной платиной при поперечном изгибе Глава 5 «Восстановление прочности изношенной пластины при дейст вии поперечной нагрузки с учетом пластического деформирования» посвя щена разработке рекомендаций по выбору размеров накладного листа при действии поперечной нагрузки с учетом пластического деформирования.

Расчеты, основаны на применении экстремальных принципов теории предельного равновесия, которым посвящены работы Л.М. Беленького, М.И.

Ерхова, Л.М. Качанова, В.В. Козлякова, В.А. Кулеша и др.

Для исследования особенностей поведения пластины с участком на хлеста, работающей в жестко-пластической стадии, были выполнены расче ты ее предельной нагрузки p, кГс мм 2.

Установлено, что зависимость предельной нагрузки p от длины участ ка нахлеста N (рис. 9), рассчитанные для базового отношения толщины уча стка нахлеста к толщине участка изношенной пластины (h N h 0 ), обратно пропорциональна квадрату длин сторон опорного контура пластины В1 В и прямо пропорциональна квадрату толщины участка изношенной пластины h0.

Рис. 9. Пластина с участком нахлеста, образующаяся при подкреплении обшивки корпуса накладными листами: B1, B 2 - размеры опорного контура пласти ны;

N - длина участка нахлеста Имея ряд зависимостей p от N для различных базовых значений от ношения h N h 0 и размеров изношенной пластины, можно получить зависи мости для любых других размеров изношенной пластины. Пример расчета для h N h 0 = 2.0, h 0 = 4.0, В1 В 2 = 700 700 проиллюстрирован на рис. 10.

Было выделено 2 опасных механизма разрушения пластины, для кото рых линии пересечения пластических шарниров совпадают с границей пере хода участка нахлеста в участок подкрепляемой пластины. Области их реа лизации показаны на рис. 11 (квадратная пластина).

Установлено, что положение точек перехода одного механизма в дру гой зависит от величин h N h 0 и N B1 (N B1 = N B 2 - для квадратной пластины).

Приведенные результаты получены для пластины, у которой участок на хлеста являлся монолитным, т.е. без разделения пластину и накладной лист. В работе показан принцип перехода от монолитного участка к участку, состоя щему из пластины и накладного листа. Принцип основан на приведении тол щины монолитного участка к эквивалентной толщине пластины с накладным листом.

Пример 4. Определить параметры (длину и толщину) накладного листа для изношенной пластины, если ее опорный контур квадратный. Исходные данные:

остаточная толщина настила к концу срока службы, h Н 4.0 мм;

запас на коррозию, h 2.0 мм;

допускаемая остаточная толщина, [s1 ] 7.0 мм;

шпация поперечного набора, а 700 мм;

23.5 кГс мм 2.

предел текучести материала, T Подкрепляемая пластина имеет размеры 700 700 4.0 мм.

Снижение предельной нагрузки за счет уменьшения толщины к концу срока службы h Н по сравнению с допускаемой [s1 ], определим по формуле для пластины с учетом жесткой заделки на всех кромках:

([s1 ] h Н ) 2 (7.0 2 4.0 2 ) = 1.90 10 2 кГс мм 2.

p = 12 T = 12 23. 2 a Преобразуется график зависимости, рассчитанный для базовых разме ров изношенной пластины (длина сторон опорного контура 600 мм и толщи на основного участка 10 мм) и базовой толщины участка нахлеста 20 мм, в соответствии с квадратичными зависимостями. Таким образом, получены Рис. 10. Зависимость предельной нагрузки р от длины участка нахлеста N.

Длина сторон опорного контура изношенной пластины B1 B 2 = 700 700 мм ;

толщина участка нахлеста 8 мм графики, показанные рис. 10, которые позволяют выбирать длину накладного листа.

Масштабные коэффициенты для пересчета вдоль координатных осей:

2 2 2 h Н 600 4 а kX = = = 1.167 и k Y = = = 0.118.

10 а 10 600 На рис. 10 толщина участка нахлеста умножена на 0.4 и равна 8.0 мм, т.к. при пересчете сохраняется отношение толщины этого участка к толщине изношенной пластины.

Для восполнения снижения предельной нагрузки надо к значению 0.92 10 2 кГс мм, соответствующему пластине с размерами а а h Н = 700 700 4 мм без участка нахлеста, следует прибавить p = 1.90 10 2 кГс мм. Получим 2.82 10 2 кГс мм. Этому значению на 2 рис. 10 соответствует пластина 700 700 4 мм с участком нахлеста длиной 574 мм и толщиной 8 мм.

Графики на рис. 10 рассчитаны для случая, когда участок нахлеста представляет собой монолитную пластину увеличенной толщины. По усло вию задачи надо определить размеры накладного листа. Для этого рассчи тывается толщина накладного листа, которая вместе с толщиной изношен ной пластины образует эквивалентную толщину.

При расчете по формуле, приведенной в главе 5, она равна 6.93 мм. С учетом надбавки на износ и некоторого округления окончательно принима ем толщину накладного листа 7+2=9 мм.

Пример 5. Определить находятся ли пластические шарниры в приме ре 4 на линии перехода участка нахлеста в участок пластины.

Для решения используем рис. 11.

Рис. 11. Зависимости безразмерной величины N B от безразмерной величины h N h 0 : - области реализации опасных меха низмов В примере 4 отношения h N h 0 = 8 4 = 2.0, N B 2 = 574 700 = 0.82.

Точка с этими координатами лежит на границе области реализации опасного механизма. Для того, чтобы предотвратить возможность реализации этого механизма увеличим длину накладного листа на 5 мм, сделав отношение N B 2 0.82, т.е. N B 2 = 590 700 = 0.84. Окончательно выбираем размеры накладного листа 590 9 мм.

Далее в главе исследовано влияние размеров накладного листа на воз никновение повреждений, возникающих от расширения воды при замерза нии в зазоре между ним и пластиной.

При эксплуатации судна возможно попадание воды в пространство между пластиной и накладным листом. Вода в зазоре, замерзая, расширяет ся, что вызывает появление пластических деформаций, увеличивая, тем са мым, объем полости. Далее возможно оттаивание, а при очередных после дующих циклах замерзания и оттаивания проявится прогрессирующее раз витие пластических деформаций. Многократное повторение таких циклов может привести к отрыву накладного листа, после исчерпания пластичности или вследствие малоцикловой усталости.

На рис. 12 показаны зоны, ограниченные кривыми зависимости, полу ченными для равнопрочных изношенной пластины и накладного листа и для случая, когда один из этих элементов намного прочнее второго.

Рис. 12. Зоны размеров накладного листа, попадание в которые соответствует воз никновению остаточных деформаций при замерзании воды в зазоре:

- равнопрочные пластина и накладной лист;

- повышенная проч ность первой или второго За пределами этих зон деформирование пластины и накладного листа упругое, т.е. развития повреждений не наблюдается.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Р а з р а б о т а н ы основы методики выбора размеров накладного листа для восстановления прочности изношенных пластин. Рассмотрены стадии упругого и пластического деформирования и возможность исключе ния повреждений, возникающих при замерзании воды в зазоре.

2. П р е д л о ж е н о при ремонте корпусных конструкций наклад ными листами осуществлять выбор их размеров по критерию эйлеровых усилий, нагрузки фибровой текучести и предельной нагрузки на основе за висимостей, полученных для базовых значений размеров изношенной пла стины.

При отличии размеров изношенной пластины от базовых зависимости не изменяются качественно, а количественно пересчитываются с примене нием масштабных коэффициентов.

3. П о к а з а н о, что при увеличении длины накладного листа про исходит падение значения эйлеровых усилий, свидетельствующее о раз дельной работе его и подкрепляемой пластины в рассматриваемом диапазо не. Однако раздельная работа приводит к их контакту, наличие которого по вышает значение эйлеровых усилий в 1.5 – 2.0 раза.

4. П о к а з а н о, что учет краевых эффектов для квадратной пласти ны может осуществляться путем использования зависимостей, полученных для базовых значений размеров изношенной пластины, и масштабных ко эффициентов.

5. В ы п о л н е н ы расчеты напряжений, возникающих при совме стном действии сжимающих усилий и поперечной нагрузки.

6. П о к а з а н о влияние размеров изношенной пластины и наклад ного листа на снижение несущей способности системы при поперечном из гибе, вызванное ее сжатием.

7. У с т а н о в л е н о, что увеличение их толщины нивелирует па дение несущей способности, обусловленное сжатием изношенной пластины при растяжении накладного листа.

8. О б о с н о в а н о прогнозирование снижения несущей способно сти путем выделения областей размеров изношенной пластины при соответ ствующей толщине накладного листа с учетом отсутствия краевых эффек тов.

9. У с т а н о в л е н о, что у квадратной пластины при малой длине накладного листа соединительные элементы (сварочные швы) обеспечивают наличие своеобразного рычага, который способствует ее растяжению под накладным листом. Это обстоятельство и действие краевых эффектов суще ственно повышают нагрузку фибровой текучести, нивелируя эффект сжатия подкрепляемой квадратной пластины.

10. У с т а н о в л е н ы области размеров подкрепляемой пластины, при которых происходит контактное взаимодействие между ней и наклад ным листом в случае поперечного изгиба.

11. В ы п о л н е н ы расчеты пластины с накладным листом в пла стической стадии, которые позволили:

• Построить границы реализации каждого из опасных, сточки зрения локализации пластических деформаций, механизмов.

• Установить, что граница реализации каждого из механизмов опре деляется отношением размера участка пластины к размеру участка нахлеста.

• Установить, что предельная нагрузка изменяется обратно пропор ционально квадрату длины и прямо пропорционально квадрату толщины изношенной пластины.

12. Полученные результаты в совокупности п о з в о л я ю т целена правленно и обоснованно выбирать размеры накладных листов, исходя из параметров подкрепленной листовой конструкции, характера повреждений и условий ее эксплуатации.

Автор выражает благодарность Заслуженному работнику Высшей школы, д.т.н., проф. Луценко В.Т. за ценные советы и замечания и помощь при редактировании диссертации и автореферата.

Основные положения проведенного исследования нашли отражение в следующих публикациях Публикация в издании перечня ВАК 1. Мамонтов, А.И. Усилия потери устойчивости квадратной двух слойной пластины / А.И. Мамонтов, А.П. Аносов // Журнал научных публи каций для аспирантов и докторантов, № 11. – 2007. – С. 132-134.

Публикация в сборнике трудов ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова 2. Мамонтов, А.И. Методика проектирования квадратной двухслой ной пластины в упругой и пластической стадиях. Влияние краевых эффек тов на напряженное состояние двухслойной квадратной пластины в упругой стадии / А.И. Мамонтов, А.П. Аносов // Сб. тр. ЦНИИ им. акад.

А.Н. Крылова. № 42 (325). – СПб., 2008. – С. 128 – 141.

Статьи в сборниках научных трудов:

3. Мамонтов, А.И. Расчет устойчивости пластины ступенчато – пере менной толщины, / А.И. Мамонтов, А.В. Житников, М.В. Скопцов // Моло дежь и научно-технический прогресс: сб. тез. докл. регион. науч. -технич.

конф. В 2 ч. Ч. 1. – Владивосток, 2007. – С. 206-208.

4. Мамонтов, А.И. Нормирование прочности сильно вытянутой двух слойной пластины / А.П. Аносов, А.И. Мамонтов // Конф. по строительной механике корабля памяти проф. П.Ф. Папковича. – СПб., ЦНИИ им. акад.

А.Н. Крылова, 2007. – С. 87-88.

5. Мамонтов, А.И. К вопросу о нормировании прочности сильно вы тянутой двухслойной пластины / А.И. Мамонтов, А.П. Аносов // Вологдин ские чтения. Естественные науки. Машиностроение. Кораблестроение и океанотехника. – Владивосток: ДВГТУ, 2007. – С. 85-88.

6. Мамонтов, А.И. Сходимость итерационного процесса при расчете стержневой системы методом граничных элементов / А.И. Мамонтов, А.П. Аносов, П.П. Карпов // Приоритетные направления развития науки и технологий: докл. Всероссийской науч.-техн. конф. – Тула : Изд-во ТулГу, 2007. – С. 173-175 (размещена на сайте www.semikonf.ru).

7. Мамонтов, А.И. Проектирование квадратной двухслойной пласти ны в упругой и пластической стадиях. Влияние краевых эффектов на напря женное состояние двухслойной квадратной пластины в упругой стадии / А.И. Мамонтов, А.В. Подгорнов // Механика микронеоднородных материа лов и разрушение. – Екатеринбург, 2008. – С. 173.

Мамонтов Андрей Игоревич ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПРОЧНОСТИ ИЗНОШЕННЫХ СУДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ МЕТОДОМ УСТАНОВКИ НАКЛАДНЫХ ЛИСТОВ Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Усл. печ. л. 1.75 Кораблестроительный Формат 6084 1 ираж 100 экз. институт Заказ №

 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.