авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< 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

Pages:   || 2 | 3 |

Методика назначения допускаемых напряжений для крыльевых устройств судов на подводных крыльях с учетом усталостных характеристик материала и условий эксплуатаци

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Бунтикова Алла Владимировна

МЕТОДИКА НАЗНАЧЕНИЯ ДОПУСКАЕМЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ДЛЯ КРЫЛЬЕВЫХ УСТРОЙСТВ СУДОВ

НА ПОДВОДНЫХ КРЫЛЬЯХ С УЧЕТОМ УСТАЛОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛА И УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Специальность 05.08.01 – Теория корабля и строительная механика

А в т о р е ф е р а т

диссертации

на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Нижний Новгород

2008

Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом университете

им. Р.Е. Алексеева

Научный руководитель – доктор технических наук,

профессор В.А. Васильев

Научный консультант - кандидат технических наук,

доцент Б.С. Перельман

Официальные оппоненты – доктор технических наук,

профессор В.Н. Савинов

доктор технических наук,

профессор Ю.Г. Коротких

Ведущая организация – ОАО «Судостроительный завод «Волга»

(г. Н. Новгород)

Защита состоится «17» апреля 2008г. в 12.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.165.08 в Нижегородском государственном техническом университете по адресу: 603950, г. Н. Новгород, ул. Минина, 24, ауд. 1258

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева

Ваш отзыв на автореферат (в 2-х экземплярах), заверенный печатью учреждения, просим направлять по адресу: 603950, г. Н. Новгород, ул. Минина, 24, НГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.165.08.

Автореферат разослан «____»____________2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук Е.М. Грамузов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Современные тенденции повышения скоростей водного транспорта привели в целом к бурному развитию судов с динамическими принципами поддержания, к каковым относятся и суда на подводных крыльях (СПК). Крыльевое устройство (КУ) данного типа судов представляет собой несущие поверхности, на которых при движении в воде судна создается гидродинамическая подъемная сила, способная поднять и стабильно удерживать идущее судно в надводном положении. От совершенства КУ СПК зависят такие важные характеристики судна как гидродинамическое качество, мореходность, устойчивость движения, а также технико-экономическая эффективность использования его в качестве транспортной машины.

Снижение объема строительства и эксплуатации СПК в 90-х годах прошлого и в начале нынешнего столетия можно объяснить рядом особенностей: повышенной стоимостью СПК по сравнению с другими скоростными судами за счет сложной конструкции подводных крыльев, необходимостью ремонта в течении навигационного периода дефектов для неотработанных конструкций и возникающих в основном за счет специфических условий эксплуатации (посадка на мель, соударения с плавающими предметами) и необходимостью очистки КУ от биообрастания.

В настоящее время целесообразно устранять недостатки СПК, другими словами, следует свести к минимуму, без ущерба для безопасности, затраты на строительство, ремонт и эксплуатацию данного типа судов в связи с положительным эффектом, получаемым от эксплуатации СПК (повышенная мореходность; более комфортные условия по качкам и вибрациям при движении на волнении; низкие, по сравнению с другими судами, энергетические затраты, как при движении на тихой воде, так и в штормовых условиях).





Цель и задачи исследования

Целью диссертационного исследования является разработка методики назначения допускаемых напряжений для крыльевых устройств судов на подводных крыльях с учетом усталостных характеристик материала и условий эксплуатации и доработка конструкции КУ СПК.

Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:

- проведено исследование современных конструкций КУ СПК; проанализированы свойства применяемых для их изготовления материалов, а также требования, предъявляемые как к конструкции КУ, так и к их материалам; показано перспективное направление в области создания новых материалов с целью снижения массы КУ СПК;

- проведен анализ опыта эксплуатации различных типов СПК, где показан усталостный характер повреждений КУ;

- выполнен анализ влияния обрастания на эксплуатационные качества СПК и способов защиты от него;

- проведен анализ прочности и работоспособности судовых конструкций и обоснована необходимость оценки эксплуатационного ресурса КУ СПК, в связи с чем выработаны требования по определению коэффициента надежности для расчета долговечности и требования к обеспечению безопасности плавания с учетом анализа «Норм летной годности гражданских самолетов»;

- проведено исследование возможности использования при расчете долговечности на ранних стадиях проектирования упрощенной диаграммы -N, для чего проанализированы способы построения диаграмм -N, выведена аналитическая зависимость lgN=(); проведена оценка точности получаемых с упрощенной диаграммы -N результатов;

- проведен анализ современных норм прочности в судостроении и обоснована необходимость учета усталостных характеристик материала в этих нормах, особенно для КУ СПК;

- разработан алгоритм определения ресурса КУ СПК с учетом усталостных характеристик материала, произведены примеры расчетов;

- разработана методика определения допускаемых напряжений для КУ СПК с учетом обеспечения заданного ресурса; выполнены примеры расчета допускаемых напряжений трех новых для КУ СПК материалов;

- разработаны конструкции КУ СПК для изготовления их из нетрадиционных материалов, позволяющих решить проблему прочности, коррозии и биообрастания, а также использовать термические процессы для повышения предела прочности и нанесения покрытий.

Методы исследования

В диссертационном исследовании основными методами исследования являются: анализ специальной, технической, справочной, научной литературы и опыта эксплуатации СПК, а также данных, полученных экспериментально, по исследуемой теме; обобщение и систематизация полученных результатов анализа и эксперимента; статистические методы; математическое моделирование.

Научная новизна работы

Научная новизна работы заключается в:

- предложенной методике определения допускаемых напряжений для КУ СПК с учетом заданной долговечности;

- обоснованной возможности использования при расчете ресурса упрощенной диаграммы -N на ранних стадиях проектирования;

- обоснованной необходимости учета усталостных характеристик материала в нормах прочности для КУ СПК;

- разработанном алгоритме определения ресурса КУ СПК с учетом усталостных характеристик материала и условий эксплуатации;

- усовершенствованных конструкциях КУ СПК решающих проблему их коррозии и биообрастания, и позволяющих использовать термические процессы для повышения предела прочности и нанесения покрытий, применения композиционных материалов.

Практическая значимость исследования заключается в следующем: на ранних стадиях проектирования при использовании упрощенной диаграммы -N и выведенной аналитической зависимости lgN=(), используя предложенную методику назначения допускаемых напряжений для КУ СПК, появляется реальная возможность снижения массы КУ за счет применения для их изготовления нетрадиционных материалов или увеличения ресурса КУ СПК. Применение нетрадиционных материалов в свою очередь дает возможность применять для изготовления КУ СПК высокопрочные коррозионные материалы, защищаемые от коррозии (путем нанесения защитных покрытий) и от обрастания в морской воде. До настоящего времени все конструкции КУ СПК выполнялись сварными, что ограничивало возможность применения высокопрочных несвариваемых материалов, материалов подвергающихся термической и термохимической обработке, композиционных материалов, металлизации поверхностей. Предложенные конструкции КУ СПК лишены вышеперечисленных недостатков. Достигается это тем, что КУ собирается из плоских элементов, имеющих концевые устройства для соединения между собой с помощью болтов или заклепок (на данную конструкцию получен патент РФ на полезную модель).

Степень обоснованности

Степень обоснованности научных положений, выводов и рекомендаций обуславливается применением современных методов исследования, статистической обработкой с помощью ЭВМ результатов экспериментальных работ, реализацией научных разработок в производстве, а их достоверность подтверждается опытом эксплуатации судов данного типа.

На защиту выносятся:

  1. предложение по использованию на ранних стадиях проектирования упрощенной зависимости -N и оценка точности получаемых с нее результатов;
  2. алгоритм определения ресурса конструкции КУ СПК в зависимости от усталостных характеристик материала, района плавания, характеристик волнения и примеры расчета ресурса для трех марок материалов: 12Х18Н10Т, 09Х17Н7Ю и АМг61;
  3. методика определения допускаемых напряжений для КУ СПК с учетом усталостных характеристик материала, мореходности и заданного ресурса, позволяющая использовать для изготовления КУ СПК нетрадиционные материалы и снизить его массу и примеры применения данной методики для трех марок материалов: титанового сплава ПТ3В, бронзового сплава БрОФ6,5-0,15 и аустенитной стали 05Х22АГ14Н7М;
  4. разработанные конструкции КУ СПК с оценкой возможного снижения массы данной конструкции по сравнению с классическим вариантом КУ СПК.

Апробация работы

Результаты исследований докладывались, обсуждались и (или) публиковались на:

- XXIV Российской школе по проблемам науки и технологий, посвященной 80-летию со дня рождения акад. В.П. Макеева (г. Миасс Челябинской области, 2004 г.);

- на научно-методической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и специалистов ВГАВТа (г. Н. Новгород, 2005 г.);

- на VI Международной конференции «Научно-технические проблемы надежности и долговечности конструкций и методы их решения» (Санкт-Петербургский политехнический университет, Санкт-Петербург, 2005 г.);

- на 4 и 5-й Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» (НГТУ, г. Н. Новгород, 2005, 2006 гг.);

- на Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии в кораблестроительном и энергетическом образовании, науке и производстве» (НГТУ, г. Н. Новгород, 2006 г.);

- на IX Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (г. Н. Новгород, 2006 г.);

Внедрение результатов исследования

Разработанная в диссертации методика назначения допускаемых напряжений с учетом усталостных характеристик материала используется на ранних стадиях проектирования ОАО «ЦКБ по СПК им. Р.Е. Алексеева» (акт внедрения прилагается).

Публикации

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 10 печатных публикациях, одна из которых представлена в журнале «Морской вестник» №1 (2007), входящем (до 1 января 2007г.) в перечень, рекомендуемый ВАК Министерства образования и науки РФ. На разработанную в работе конструкцию КУ СПК получен патент РФ на полезную модель. Разработанная методика назначения допускаемых напряжений будет направлена в Регистр морского судоходства для получения рецензии и возможности использования ее в разрабатываемых нормах прочности Регистра.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, общих выводов и списка литературы из 115 наименований, приложений; изложена на 128 страницах, включая 15 таблиц и 48 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы направления исследований, обоснована их актуальность и правомерность избрания в качестве темы диссертации.

В первой главе рассмотрены конструкции крыльевых устройств судов на подводных крыльях, материалы из которых они изготавливаются и опыт их эксплуатации.

В данной главе показано, что при проектировании СПК большое значение имеет снижение массы конструкций, которое позволит увеличить долю полезной нагрузки. Снижение массы конструкций при одновременном обеспечении их прочности в эксплуатационных условиях может быть достигнуто путем применения конструкционных материалов, обладающих высокими прочностными характеристиками при удовлетворительных усталостных свойствах. Здесь же отмечается, что большая повторяемость нагрузок в условиях эксплуатации СПК предъявляет к основному материалу и соединениям требование удовлетворительной сопротивляемости воздействию повторно-переменных нагрузок, и кроме того материалы должны обладать антикоррозионными свойствами, стойкостью к струевой и кавитационной эрозии и стойкостью против обрастания в морской воде, а конструкции из данных материалов быть долговечными.

Как отмечается в работе, применение высокопрочных материалов для КУ приводит к повышению в условиях эксплуатации уровней действующих напряжений, в связи, с чем в число первоочередных задач выдвигаются вопросы повышения долговечности конструкций СПК. Однако современные нормы прочности КУ СПК не включают в себя методы обеспечения долговечности.

Из анализа опыта эксплуатации отечественных СПК в работе сделан вывод о том, что причиной списания СПК служат усталостные и коррозионные повреждения как корпуса, так и крыльевых устройств после превышения гарантийного срока эксплуатации.

В данной главе среди основных причин снижения спроса на скоростные суда указывается на достаточно высокую стоимость эксплуатации СПК, которая зависит от ряда конструктивных особенностей, в частности, обрастание поверхности КУ во время стоянки при подходящих световых и климатических условиях. например, опыт эксплуатации СПК типа «Олимпия» в Балтийском море показывает, что для эксплуатации судна необходимо производить очистку водолазами КУ один раз в 5 дней (стоимость одного такого осмотра с очисткой составляет около 560 долларов) и при подъеме – один раз в 20-25 дней (стоимость около 2800 долларов). В процессе эксплуатации судна обрастание отрицательно влияет на его гидродинамические характеристики, что приводит к ухудшению ходовых свойств, а это и потери скорости хода судов, достигающие 50% от номинальной, и ухудшение маневренности судна, и повышение расхода топлива в связи с необходимостью поддерживать коммерчески оправданную скорость перевозки грузов, и преждевременный износ силовых установок и оборудования.

Однако, наличие таких преимуществ СПК перед другими видами скоростных судов как высокие гидродинамическое качество и высокая мореходность позволяют сделать вывод о необходимости разрешения вопроса обрастания для возрождения спроса на данный вид судов. В качестве примера в работе приводятся следующие данные по эксплуатации СПК: без периодической очистки крыльев от обрастания в течение месяца увеличение потребляемой мощности составляет около 2%, а по истечении 2-х месяцев - 12%, при более продолжительном содержании СПК в морской воде без очистки крыльев судно может не выйти на крылья. Таким образом, в настоящее время методы борьбы с биообрастанием КУ должны находиться среди главных по повышению эксплуатационных качеств СПК.

На основе выводов по состоянию поставленной проблемы сформулированы цель и задачи исследований диссертационной работы.

Вторая глава посвящена вопросам нормирования прочности конструкций КУ СПК и здесь отмечается, что на сегодняшний день вопросы прочности и работоспособности судовых конструкций продолжают оставаться актуальными.

Одной из наиболее распространенных причин повреждения судовых конструкций в эксплуатационных условиях является усталость металла. Хотя трещины усталости редко ведут к серьезным авариям, они благоприятствуют другим механизмам разрушения, вынуждают к проведению преждевременных ремонтных работ. Эти обстоятельства ставят исследования и создание методик расчета усталости в число наиболее важных вопросов обеспечения прочности конструкций судов и морских сооружений. Среди приоритетных направлений данных исследований в работе выделяются: оценка усталостной долговечности, проектирование узлов с учетом усталости и разработка норм прочности, направленных на повышение долговечности конструкции и ее прогнозирования, а также для рассмотрения оправданной возможности применения новых материалов по критериям усталости.

Наиболее напряженными конструкциями СПК являются КУ, а анализ повреждений показывает, что все они имеют усталостный характер и связаны с воздействием на элементы конструкции многократно повторяющихся нагрузок, а для КУ недопустимы даже незначительные остаточные деформации, которые могут привести к изменению геометрической формы его элементов, потеря устойчивости элементов вплоть до достижения предельного состояния недопустима. Среди причин, вызвавших ограниченную долговечность и необходимость оценки эксплуатационного ресурса конструкций СПК названы следующие:

- высокая напряженность конструкций (высокие абсолютные значения действующих напряжений при эксплуатации);

- большая повторяемость нагрузок в связи с высокой скоростью судна и большой чувствительностью несущих элементов КУ к изменениям подъемной силы;

- низкие показатели усталостной прочности некоторых применяемых конструкционных материалов и их соединений.

В данной главе отмечается, что до сих пор в судостроении не существует норм расчета долговечности. При оценке запасов прочности здесь опираются на практический опыт эксплуатации судов. Этот опыт находит отражение в статистике эксплуатационных повреждений судов и интегрально, с той или иной степенью полноты, учитывается правилами классификационных обществ при формулировке требований к прочности и конструктивному оформлению конструктивных узлов. Вопрос о том, насколько полно эти правила отражают опыт эксплуатации судов и как точно позволяют нормировать допускаемые напряжения, является спорным. Учитывая вышесказанное, в диссертационном исследовании используется опыт, накопленный авиацией для назначения, в первом приближении, ресурса КУ СПК.

Во второй главе исследования по результатам анализа запасов прочности по нормам летной годности гражданских самолетов рекомендуется определять значение долговечности конструкции R (ресурс) делением Rрасч, полученное расчетом с использованием экспериментальных данных, на суммарный коэффициент надежности :

R= Rрасч/ .

Тогда величина R будет являться минимальным значением долговечности, под которым понимается такое ее значение в единицах ходового времени, в течении которого может быть гарантировано, что в эксплуатации по условиям выносливости не произойдет существенного нарушения прочности.

Величина суммарного коэффициента должна определяться как (по «Нормам летной годности гражданских самолетов»):

=1234



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

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.