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).

1. Материалы

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;

2. Метод расчета и расчетные усилия

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.

4. Определение действующих напряжений в конструкциях надстройки и фундаментов

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
	II	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. Определение перемещений конструкций надстройки и фундаментов

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	36,0	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	27,0	-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	5,3	-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

5.2 Определение перемещений фундаментов и стенок надстройки

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	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	0,3	-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	2,9	-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.