Проработка возможности переноса устройства приема жидких грузов на ходу
Введение
В данном расчете выполняется проработка возможности
переноса устройства приема жидких грузов на ходу – М450–1 со стенок ангара на
продольные стенки надстройки на палубе бака в районе 54 шп., правый и левый
борт. Проверяется прочность конструкций надстройки и фундаментов под данные
устройства после переноса, также определяются перемещения вышеуказанных конструкций.
Расчет выполняется для двух вариантов установки устройства
М450–1:
–
вариант №1 – горизонтальная ось
устройства находится на расстоянии 2500 мм от палубы бака;
–
вариант №2 – горизонтальная ось
устройства находится на расстоянии 2000 мм от палубы бака.
Кроме этого рассматриваются различные варианты приложения
нагрузок к фундаментам.
В расчет включена часть конструкции надстройки выше палубы
бака от 52 до 61 шп., то есть конструкции ограждающие погреб под изделие 3С-14Э.
Расчет выполнен в соответствии с «Правилами выполнения
расчетов прочности конструкций корпуса надводных кораблей» (изд. 1981 г.,
Л-562с).
Конструкции надстроек и фундаментов выполнены из стали
марок А40S и D40S с характеристиками:
–
предел текучести материала – σт=390
МПа (4000 кгс/см2)
–
модуль нормальной упругости – E=2,06*105
МПа (2,1*106 кгс/см2)
–
плотность материала ρ=0,00785
кг/см3;
Расчет выполняется методом конечных элементов машинным
способом в конечно-элементном пакете ИСПА (Интегрированная Система Прочностного
Анализа).
В качестве расчетных усилий приняты нагрузки,
предоставленные 52 отделом – смотри рисунок 1 (лист 7), где:
–
Р1=4000 кгс;
–
Р2=16000 кгс4
–
Р3=4000 кгс;
–
α=20°;
–
β=20°.
Согласно условиям эксплуатации устройства М450–1 усилия Р1,
Р2 и Р3 одновременно действовать не могут, поэтому в расчете учитывается
воздействие на конструкции надстройки и фундаментов только от усилия Р2, как от
максимального.
Для каждого варианта установки устройства рассматриваются 4
варианта приложения усилия Р2:
–
вариант I – усилие Р2 направлено
перпендикулярно опорной поверхности фундамента;
–
вариант II – усилие Р2 направлено в
нос под углами 20° относительно основной плоскости и плоскости 54 шп.,
одинаково на обоих бортах;
–
вариант III – усилие Р2 направлено
в корму под углами -20° относительно основной плоскости и плоскости 54 шп.,
одинаково на обоих бортах;
–
вариант IV является комбинацией
вариантов II и III – на одном борту усилие Р2 под углами 20° направлено в
нос, на противоположном борту усилие под углами -20° направлено в корму.
Сосредоточенное усилие Р2 раскладывается на равные
составляющие, которые равномерно распределены на площади 300х400 мм2
– площади обуха приемного устройства, который приваривается к опорной
поверхности фундамента.
Допускаемые эквивалентные напряжения в конструкциях
надстройки и фундаментов при расчете прочности равны 312 МПа (3200 кгс/см2).
Рисунок 1 – Схема приложения усилий к фундаменту, вариант №1
(для варианта №2 усилия прикладываются аналогично)
3. Описание модели
Для построения модели моделировались наружные стенки
надстройки, поперечные переборки на 54 и 61 шп., выгородка в ДП от 52 до 54
шпангоута, настил 1 яруса надстройки, пиллерсы на 57+250 мм шп. от палубы
бака до палубы надстройки 1 яруса и фундаменты под устройства М450–1.
Расчетная модель набиралась с помощью плоских оболочечных
элементов с шестью степенями свободы в узле. Ребра жесткости моделировались
двухузловыми стержневыми элементами с шестью степенями свободы в узле.
Всем стенкам и переборкам надстройки на уровне палубы бака
запрещены перемещения в трех плоскостях – условие свободного опирания.
Составляющие силы Р2 прикладываются к узловым точкам
конечных элементов фундамента на площади 300х400 мм2 – смотри
рисунок 16 (лист 24). Для вариантов направления усилия Р2 под углами, усилие
раскладывается по осям X, Y и Z; ось X идет вдоль корабля, ось Y идет вверх, ось Z идет поперек
корабля. Например, для варианта II приложения усилия составляющие по осям будут
равны:
–
;
–
;
–
;
схема приложения усилий для данного варианта представлена
на рисунке 17 (лист 25).
Для остальных вариантов приложения нагрузки составляющие
усилия Р2 находятся аналогично, учитывая направление действия усилия.
В данном разделе определяются действующие напряжения в
фундаментах под устройства М450–1 и в конструкциях надстройки в районе
установки фундаментов, смотри рисунки 2, 3 (листы 28,29).
Значения максимальных эквивалентных напряжений для всех
вариантов расчета приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Максимальные эквивалентные напряжения в
конструкциях надстройки и фундаментов
Вариант установки устройства
М450–1
|
Вариант действия усилия
Р2
|
Рассматриваемая конструкция
|
Напряжение, кгс/см2
|
1
|
I
|
надстройка
|
204
|
фундамент
|
1260
|
II
|
надстройка
|
196
|
фундамент
|
1300
|
III
|
надстройка
|
292
|
фундамент
|
1270
|
IV
|
надстройка
|
278
|
фундамент
|
1300
|
2
|
I
|
надстройка
|
264
|
фундамент
|
1210
|
надстройка
|
448
|
фундамент
|
1250
|
III
|
надстройка
|
462
|
фундамент
|
1230
|
IV
|
надстройка
|
448
|
фундамент
|
1250
|
Анализируя результаты в таблице видно, что максимальные
действующие эквивалентные напряжения в конструкциях не превышают допускаемых
напряжений, которые равны 3200 кгс/см2.
Рисунок 2 – Район определения напряжений в конструкциях для
варианта №1
Рисунок 3 – Район определения напряжений в конструкциях для
варианта №2
5.1
Определение перемещений палубы надстройки 1 яруса
В данном разделе определяются перемещения палубы надстройки
1 яруса в районе выреза под установку 3С-14Э – это необходимо, потому что
значительные перемещения настила в данном районе могут повлиять на работу
установки.
Характерные точки на палубе надстройки 1 яруса, в которых
определяются перемещения – Ux, Uy, Uz по всем трем осям представлены на рисунке 4 (лист 32).
Результаты расчета приведены в таблицах 2,3.
Таблица 2 – Перемещения палубы
надстройки1 яруса для варианта №1 установки устройства М450–1
Номер
точки
|
Вариант
приложения усилий
|
I
|
II
|
III
|
IV
|
Ux,
см
*10-4
|
Uy,
см
*10-4
|
Uz,
см
*10-4
|
Ux,
см
*10-4
|
Uy,
см
*10-4
|
Uz,
см
*10-4
|
Ux,
см
*10-4
|
Uy,
см
*10-4
|
Uz,
см
*10-4
|
Ux,
см
*10-4
|
Uy,
см
*10-4
|
Uz,
см
*10-4
|
1
|
21,0
|
1,8
|
-5,4
|
46,0
|
2,9
|
-7,0
|
-8,5
|
0,2
|
-2,4
|
-7,4
|
0,6
|
-7,4
|
2
|
20,0
|
5,6
|
-24,0
|
44,0
|
6,4
|
-31,0
|
-7,0
|
3,4
|
-1,1
|
-8,4
|
3,8
|
-13,0
|
3
|
17,0
|
7,6
|
-29,0
|
6,6
|
-33,0
|
-6,8
|
6,6
|
-1,8
|
-8,5
|
6,6
|
-1,6
|
4
|
10,0
|
2,2
|
0
|
15,0
|
0,1
|
0
|
2,9
|
3,7
|
0
|
8,8
|
1,9
|
8,1
|
5
|
17,0
|
7,6
|
29,0
|
36,0
|
6,6
|
33,0
|
-6,8
|
6,6
|
1,8
|
38,0
|
6,6
|
3,5
|
6
|
20,0
|
5,6
|
24,0
|
44,0
|
6,4
|
31,0
|
-7,0
|
3,4
|
1,1
|
44,0
|
6,0
|
2,8
|
7
|
21,0
|
1,8
|
5,4
|
46,0
|
2,9
|
7,0
|
-8,5
|
0,2
|
2,4
|
44,0
|
2,5
|
2,0
|
8
|
32,0
|
-2,6
|
0
|
61,0
|
-5.9
|
0
|
-5,4
|
1,3
|
0
|
-2,3
|
-7,2
|
Таблица 3 – Перемещения палубы
надстройки1 яруса для варианта №2 установки устройства М450–1
Номер
точки
|
Вариант
приложения усилий
|
I
|
II
|
III
|
IV
|
Ux,
см
*10-4
|
Uy,
см
*10-4
|
Uz,
см
*10-4
|
Ux,
см
*10-4
|
Uy,
см
*10-4
|
Uz,
см
*10-4
|
Ux,
см
*10-4
|
Uy,
см
*10-4
|
Uz,
см
*10-4
|
Ux,
см
*10-4
|
Uy,
см
*10-4
|
Uz,
см
*10-4
|
1
|
12,0
|
1,8
|
-3,3
|
31,0
|
2,7
|
-4,7
|
-9,8
|
0,5
|
-1,1
|
-8,0
|
0,9
|
-4,5
|
2
|
12,0
|
1,5
|
-1,4
|
30,0
|
-4,1
|
-20,0
|
-8,9
|
6,7
|
-5,0
|
-8,5
|
7,2
|
-7,4
|
3
|
9,7
|
-4,5
|
-1,9
|
24,0
|
-17,0
|
-21,0
|
-7,5
|
8,9
|
-12,0
|
-7,7
|
9,1
|
-12,0
|
4
|
6,0
|
-4,3
|
0
|
11,0
|
8,7
|
0
|
-0,1
|
-1,6
|
0
|
-3,8
|
4,0
|
5
|
9,7
|
-4,5
|
1,9
|
24,0
|
-17
|
21,0
|
-7,5
|
8,9
|
12,0
|
25,0
|
-1,7
|
21,0
|
6
|
12,0
|
1,5
|
1,4
|
30,0
|
-4,1
|
20,0
|
-8,9
|
6,7
|
5,0
|
29,0
|
-4,6
|
18,0
|
7
|
12,0
|
1,8
|
3,3
|
31.0
|
2,7
|
4,7
|
-9,8
|
0,5
|
1,1
|
29,0
|
2,3
|
1,2
|
8
|
18,0
|
-1,0
|
0
|
41,0
|
-2,3
|
0
|
-8,7
|
0,6
|
0
|
16,0
|
-0,9
|
-4,8
|
Из результатов, приведенных в таблицах видно, что
перемещения палубы надстройки 1 яруса в районе выреза под установку 3С-14Э в
любом направлении не превышают 0,1 мм.
Рисунок 4 – Характерные точки для определения перемещений
палубы надстройки 1 яруса
В данном разделе определяются перемещения фундаментов от
действия нагрузки Р2. Фундаменты перемещаясь «тянут» в свою очередь надстройку,
поэтому также определяются перемещения стенок надстройки.
Результаты расчетов приведены в таблицах 4,5, (обозначения
в таблицах: н – надстройка, ф – фундамент, Ux –
перемещение по оси X, Uy – перемещение по оси Y, Uz –
перемещение по оси Z).
Таблица 4 – Максимальные
перемещения стенок надстройки и фундаментов для варианта №1 установки
устройства М450–1
Конструкция
|
Вариант
приложения усилий
|
I
|
II
|
III
|
IV
|
Ux,
см
*10-2
|
Uy,
см
*10-2
|
Uz,
см
*10-2
|
Ux,
см
*10-2
|
Uz,
см
*10-2
|
Ux,
см
*10-2
|
Uy,
см
*10-2
|
Uz,
см
*10-2
|
Ux,
см
*10-2
|
Uy,
см
*10-2
|
Uz,
см
*10-3
|
н
|
0,3
|
-0,2
|
0,8
|
0,6
|
0,2
|
-1,0
|
-0,4
|
-0,4
|
0,8
|
0,6
|
-0,4
|
1,0
|
ф
|
0,3
|
-1,1
|
5,1
|
3,4
|
0,9
|
-4,3
|
-3,0
|
-2,8
|
5,4
|
3,5
|
-2,8
|
-5,4
|
Таблица 5 – Максимальные
перемещения стенок надстройки и фундаментов для варианта №2 установки
устройства М450–1
Конструкция
|
Вариант
приложения усилий
|
I
|
II
|
III
|
IV
|
Ux,
см
*10-2
|
Uy,
см
*10-2
|
Uz,
см
*10-2
|
Ux,
см
*10-2
|
Uy,
см
*10-2
|
Uz,
см
*10-2
|
Ux,
см
*10-2
|
Uy,
см
*10-2
|
Uz,
см
*10-2
|
Ux,
см
*10-2
|
Uy,
см
*10-2
|
Uz,
см
*10-3
|
н
|
0,2
|
-0,2
|
1,4
|
-2,7
|
3,1
|
-21,5
|
2,5
|
-3,0
|
20,6
|
-2,6
|
3,0
|
21,0
|
ф
|
0,2
|
-0,7
|
4,7
|
11,1
|
-20,0
|
-11,1
|
-2,9
|
19,2
|
-11,1
|
2,9
|
20,0
|
Анализируя результаты в таблицах 4,5 видно, что для
варианта №1 установки устройства М450–1 максимальные перемещения любой
конструкции не превышают 0,1 мм, что является удовлетворительным. В случае
варианта №2 установки устройства М450–1 возникают значительные перемещения по
оси Z – порядка 2 мм; данные перемещения возникают в продольной стенке
надстройки в районе 55 шп. в месте «притыкания» бракеты фундамента к стенке –
смотри рисунок 5. Данное значение перемещения является недопустимым, поэтому необходимо
стойки на 55 шп. – полособульбы №10 заменить на сварные тавры №18а на каждом
борту. Замена стоек увеличивает жесткость продольной стенки и снижает
перемещения в данном районе до 1 мм.
Рисунок 5 – Картина деформаций продольной стенки надстройки
и фундамента (деформации увеличены в 300 раз)
Заключение
интегрированный
конструкция прочностной анализ
Выполненный расчет показывает, что с точки зрения прочности
конструкций надстройки и фундаментов под устройства М450–1 перенос устройства
со стенок ангара на продольные стенки надстройки на палубе бака в районе 54 шп.
допустим для обоих вариантов установки устройства. При этом предпочтительным
является первый вариант установки устройства, так как при нем возникают меньшие
действующие напряжения в конструкциях и перемещения их по сравнению с вариантом
№2, так же при этом варианте не требуется изменения конструкции продольных
стенок надстройки.