Исследование влияния начальной погиби на вибрационные свойства и устойчивость обшивки

2
NSN 2017, Санкт-Петербург
1. ВВЕДЕНИЕ
Обшивка и настилы являются наименее жёсткими элементами корпуса корабля. Следствием этого является большинство эксплуатационных и технологических проблем, связанных с обеспечением динамических свойств и устойчивости конструкций, уменьшением акустического излучения, уменьшением остаточных деформаций и напряжений.
Сложность вибрационного проектирования конструкций связана, главным образом, с широким спектром и неопределённостью различных сил, возбуждающих вибрацию пластин, в частности:
гидродинамических пульсаций от работы винтов;
пульсаций при отрывном обтекании;
нагрузок на волнении (волновых и ударных при слеминге);
кинематического возбуждения опорного контура пластин от общей ходовой вибрации корпуса, работы энергетических установок и оборудования и пр.

3
NSN 2017, Санкт-Петербург
Исключение резонансов и потери устойчивости пластин и панелей представляет большую проблему также вследствие неконтролируемого влияния различных эксплуатационных и технологических факторов на их частоты собственных колебаний и критические нагрузки:
отклонения формы из-за технологических допусков и остаточных деформаций;
остаточные сварочные и эксплуатационные напряжения;
переменный уровень жидкости в цистернах и др.
Проектирование конструкций по удельным критериям прочности и жёсткости по отношению к массе, с применением сталей повышенной прочности, уменьшением толщины и шпации, осложняется из-за проблемы обеспечения устойчивости пластин и панелей. При большом количестве сварных швов растут остаточные сварочные деформации в виде гофрировки пластин, имеющих порядок толщины листов (хлопуны). Хлопуны работают в режиме малоциклового нагружения «хлопок - выхлоп» и на их границах при определенном числе циклов образуются усталостные трещины. На образование трещин влияют также остаточные напряжения и вибрация.

4
NSN 2017, Санкт-Петербург
Форма начальной погиби пластин, соответствующая безмоментной оболочке, способствует повышению критических нагрузок и собственных частот.
Но при наличии остаточных напряжений, отклонений от идеальной формы, краевых эффектов, критические нагрузки и собственные частоты пластин могут, как повышаться, так и понижаться.
Так как остаточные деформации являются случайными, практически сложно определить их влияние на критические нагрузки и собственные частоты в различных условиях эксплуатации.
Таким образом, возникает вопрос о возможности и способах уменьшения влияния технологических факторов на эксплуатационные качества конструкций, а также повышения их жёсткости.
Одним из таких способов является применение гофрированной обшивки.
В связи с этим рассмотрим, как влияет гофрировка (начальная погибь) пластин обшивки на их собственные частоты и критические нагрузки.

5
NSN 2017, Санкт-Петербург
2. ВЛИЯНИЕ ПОГИБИ НА СОБСТВЕННЫЕ ЧАСТОТЫ ПЛАСТИН
Расчётные схемы обшивки с начальной погибью
модели № 2 и 3:
2) а = 0,7 м; s = 10 мм; L = 2,1 м; р.ж. - полособульб № 18б
3) а = 0,2 м; s = 4 мм; L = 0,6 – 1,0 м; р. ж. - полособульб № 5
модель № 1:
1) а = 0,7 м; s = 10 мм

6
NSN 2017, Санкт-Петербург
модель № 1:

7
NSN 2017, Санкт-Петербург
Собственные частоты
в зависимости от величины начальной погиби (без учёта податливости р. ж.):
Влияние податливости р. ж.
на собственные частоты обшивки:

8
NSN 2017, Санкт-Петербург
модель № 3:
а = 0,2 м; s = 4 мм;

9
NSN 2017, Санкт-Петербург
модель № 3

10
NSN 2017, Санкт-Петербург
Выводы:
даже небольшая начальная погибь существенно увеличивает низшие собственные частоты пластин; контакт с водой существенно снижает собственные частоты;
учитывая, что обшивка перекрытий судна практически всегда имеет малую начальную погибь, вызванную технологическими и эксплуатационными воздействиями, а также может частично или полностью контактировать с жидкостью, реальные собственные частоты пластин являются случайными величинами, изменяющимися в широком диапазоне;
приданием пластинам криволинейной формы можно достаточно эффективно подбирать спектр низших собственных частот конструкций, повышать их жёсткость и делать более предсказуемыми их характеристики, уходя от резонансов с низкочастотными источниками вибрации;
податливость ребер жесткости приводит к уменьшению низших собственных частот, снижая эффект от применения гофрировки. Причиной этого является то, что при наличии погиби пластин значительно снижается жёсткость в плоскости панели поперек гофров. Рёбра жесткости не могут компенсировать эту потерю жёсткости вследствие малого момента инерции при изгибе из своей плоскости;

11
NSN 2017, Санкт-Петербург
эффективно увеличить поперечную жёсткость можно путём уменьшения шпации поперечного набора;
модель № 3

12
NSN 2017, Санкт-Петербург
3. ВЛИЯНИЕ ПОГИБИ НА УСТОЙЧИВОСТЬ ПЛАСТИН
Выполнены расчёты критических нагрузок для двух случаев:
при сжатии равномерной продольной нагрузкой (вдоль гофров);
при поперечном равномерном давлении с выпуклой стороны пластин.
модель № 3

13
NSN 2017, Санкт-Петербург
Критическое давление при различном удлинении пластин

14
NSN 2017, Санкт-Петербург
Критическая продольная сила при различном удлинении пластин

15
NSN 2017, Санкт-Петербург
Выводы:
Продольная устойчивость уже при малой погиби существенно увеличивается. При этом устойчивость панелей теряется с изгибом ребер жесткости;
При поперечном давлении на панель с малой погибью (порядка толщины обшивки) теряют устойчивость пластины. С увеличением погиби формы потери устойчивости не симметричны, с завалом ребер жесткости. При h/s > 5 теряется устойчивость с в основном в виде завала ребер.
Формы потери устойчивости от продольного сжатия:
h/s = 2
h/s >=3

16
NSN 2017, Санкт-Петербург
Формы потери устойчивости от поперечного давления:
h/s = 5
h/s = 6
h/s = 2

17
NSN 2017, Санкт-Петербург
4. ВАРИАНТЫ ПРИМЕНЕНИЯ ОБШИВКИ С ПОГИБЬЮ ПЛАСТИН
Конструкции корпуса корабля с гофрированной обшивкой
неоднократно предлагались:
Goldbach R.A., Salzer R., McConnell F.E. Vessel hull structure and method. Патент на изобретение № EP0646521. Опубликовано: 5.04.1995.
Tornay E. G. Vessel hull and bulkheads construction employing curved plating. Патент на изобретение № US4638754 A. Опубликовано: 27.01.1987.

18
NSN 2017, Санкт-Петербург
Из работы:
SSC-455 Feasibility, Conceptual Design and Optimization of a Large Composite Hybrid Hull // Ship Structure Committee Technical Report, 2008.
Варианты гофрированной обшивки
схема конструкции «гибридного»
корпуса корабля
Композитный слой обеспечивает сплошную опору пластин, что дополнительно существенно повышает местную устойчивость.

19
NSN 2017, Санкт-Петербург
При относительной высоте гофров h/s >= 10 наличие продольных рёбер жесткости относительно мало влияет на низшие собственные частоты и на критические усилия.
Таким образом, при применении гофрированной обшивки с высотой гофров h/s > 10 предпочтительной является конструкция без рёбер жёсткости, но с уменьшенной шпацией рамного поперечного набора.

20
NSN 2017, Санкт-Петербург
Собственная частота первого тона

21
NSN 2017, Санкт-Петербург
Критическое давление

22
NSN 2017, Санкт-Петербург

23
NSN 2017, Санкт-Петербург
Изогнутая обшивка при плоском ударе о воду (например, при днищевом слеминге), испытывает меньшие гидродинамические давления вследствие образования воздушных каверн во впадинах гофров и исключения кумулятивных давлений.
Из работы:
Тарануха Н.А., Чижиумов С.Д. Численное моделирование падения на воду тела с гофрированным днищем // Прикладная механика и техническая физика. 2001. Т. 42, № 4. С. 112-118.

24
NSN 2017, Санкт-Петербург
При гофрированной обшивке значительно повышается несущая способность на действие поперечной нагрузки:
Из работы:
Чижиумов С.Д. Некоторые предложения по конструированию носовых днищевых перекрытий // Сборник трудов НТО им. акад. А.Н. Крылова, Владивосток, ДВГТУ, 2001.