реферат дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук Мико.



Работа добавлена на сайт TXTRef.ru: 2019-10-29

49

МІНІСТЕРСТВО  ОСВІТИ  І  НАУКИ  УКРАЇНИ

Національний  університет  кораблебудування

імені адмірала Макарова

КОРОСТИЛЬОВ   ЛЕОНТІЙ   ІВАНОВИЧ

УДК 629.5.017:629.5.018:539.43

Експериментально-теоретичний метод розрахунку
втомної міцності суднових корпусних конструкцій

Спеціальність 05.08.03 –Механіка та конструювання суден

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Миколаїв –

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті кораблебудування імені адмірала Макарова Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант –Заслужений діяч науки і техніки України,

доктор технічних наук, професор Суслов Віталій Павлович,

Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, професор кафедри будівельної механіки корабля.

Офіційні опоненти:

  •  доктор технічних наук Єгоров Геннадій Вячеславович,

Морське інженерне бюро, м. Одеса, генеральний директор;

  •  доктор технічних наук Цибаньов Георгій Васильович,

Інститут проблем міцності імені Г.С. Писаренка НАН України,

завідувач відділу втоми і термовтоми матеріалів;

  •  доктор технічних наук Гиренко Вадим Сергійович,

Інститут електрозварювання імені Є.О. Патона НАН України,

провідний науковий співробітник.

Провідна установа –Одеський національний морський університет Міністерства освіти і науки України, м. Одеса.

Захист відбудеться "14" _листопада_2006 р. о 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 38.060.01 Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова за адресою: 54025, м. Миколаїв, проспект Героїв Сталінграда, 9.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного університету кораблебудування імені адмірала Макарова за адресою: 54025, м. Миколаїв, проспект Героїв Сталінграда, 9.

Автореферат розісланий "_6_" __жовтня__2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор                                                          М.І. Радченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Важливим джерелом надходжень до державного бюджету України є і в майбутньому залишиться перевезення вантажу і пасажирів морським транспортом, а також риболовний промисел. Враховуючи значний вік більшості суден, що експлуатуються як в Україні, так і в інших країнах світу, треба чекати поповнення флоту ближчим часом. При цьому необхідно суттєво підвищувати рівень надійності корпусних конструкцій, що проектуються, бо, як показують результати аналізу даних про страхові претензії, майже п'ята їх частина пов'язана з конструктивними недоліками. Надійність корпусних конструкцій судна визначається надійністю їх конструктивних вузлів. В умовах змінного навантаження втомні пошкодження (тріщини), як правило, виявляються в зонах концентрації напружень. При цьому, окрім макроконцентрації, на показники довговічності вузлів впливає також низка факторів стохастичного характеру, які пов'язані із виготовленням конструкцій та експлуатацією судна.

Рекомендації з конструктивного оформлення типових корпусних вузлів, що відображають досвід експлуатації суден і в окремих випадках спираються на результати наукових досліджень, викладені в "Правилах" різних класифікаційних товариств. Проте в цих "Правилах" відсутня розрахункова основа чи метод, які б дозволяли аналізувати конструкції з позиції втомної міцності і отримувати конструктивні рішення, що дуже важливо для суден нових типів.

Нині у вітчизняному суднобудуванні використовуються методи розрахункової оцінки втомної міцності конструкцій –емпіричний метод ЦНДІ ім. акад. О.М. Крилова (Г.В. Бойцов, О.М. Палій) і теоретичний метод С.В. Петінова, –застосування яких для вирішення конкретних міцнісних і проектувальних задач в окремих випадках утруднене, а інколи практично неможливе через велику різноманітність конструктивних вузлів і необхідність урахування особливостей локальної геометрії. Тож виникає необхідність створення нового методу розрахунку втомної міцності конструкцій (вузлів), який дозволяє безпосередньо оперувати із абсолютними показниками довговічності і дає можливість враховувати вплив геометричних параметрів концентраторів напружень в конструктивних вузлах на ці показники.

Таким чином, підвищення надійності корпусних конструкцій в умовах змінного навантаження є важливою науковоприкладною проблемою, вирішення якої вимагає розробки на основі нового підходу розрахункового методу оцінки втомної міцності конструктивних вузлів, котрий дозволить виконувати їх оптимізацію із урахуванням технологічності і металоємності.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Напрямок досліджень дисертаційної роботи відповідає тематиці науково-дослідних робіт (НДР) за Координаційним планом міжвузівських та науково-технічних програм на 1997-1999 роки "Енергоресурси, енергозбереження на водному транспорті України" (шифр 55), Державних науково-технічних програм на 1999-2003 роки із пріоритетного напрямку розвитку науки і техніки "Підвищення ефективності та довговічності машин і конструкцій" (розділ 11 "Механіка"), а також загальному плану наукових досліджень Українського державного морського технічного університету в складі комплексних НДР № 9.04.10 "Розробка методів розрахунку міцності суден нових типів" (№ держ. реєстрації 0100U001909) і № 9 "Розробка методів розрахунку міцності корпусних конструкцій при різних умовах навантажень, нерегламентованих нормативними документами" (№ держ. реєстрації 0102U001018).

Основу дисертаційних досліджень складають результати, що отримані безпосередньо автором, як відповідальним виконавцем і науковим керівником низки держбюджетних і госпрозрахункових НДР: "Исследование прочности и надежности узлов судовых конструкций повышенной технологичности" (№ держ. реєстрації 0180035635); "Разработка рекомендаций по проектированию, обеспечению усталостной прочности и надежности конструкций повышенной технологичности" (№ держ. реєстрації 01880041845); "Разработка  инженерной методики расчетной оценки усталостной прочности и надежности узлов судовых корпусных конструкций" (№ держ. реєстрації 01890085542); "Исследование усталостной прочности корпусных узлов и разработка расчетных методов ее оценки" (№ 2.1.Пр.513); "Исследование закономерностей усталостной прочности и долговечности конструктивных узлов судового корпуса" (№ держ. реєстрації 0193U034101); "Исследование напряженного состояния главных гофрированных переборок танкеров проекта 15966 и выработка рекомендаций по обеспечению их усталостной прочности" (№ 2.2.Пр.902); "Разработка методов оценки усталостной долговечности судовых корпусных конструкций с концентраторами напряжений" (№ держ. реєстрації 0195U029353); "Экспериментальные и теоретические исследования предельной и усталостной прочности различных типов сварных швов судовых конструкций для сопоставительной оценки их надежности и долговечности" (№ держ. реєстрації 0195U023666); "Исследование  прочности конструктивных узлов корпуса судов новых типов при статических и переменных нагружениях" (№ держ. реєстрації 0192U025017); "Разработка методов оценки прочности и живучести корпусных конструкций судна при переменном нагружении" (у складі комплексної НДР № 9.04.10); "Разработка методов расчета прочности узлов корпусных конструкций с учетом пластических деформаций" (у складі комплексної НДР № 9).

Виконані дослідження є актуальними не тільки для суднобудування, але і для інших галузей промисловості та будівництва, де широко використовуються тонкостінні металеві конструкції.

Мета і задачі дослідження. Метою досліджень є розробка методу розрахунку втомної міцності корпусних конструкцій судна, який дозволяє здійснювати їх оптимізацію з урахуванням технологічності і металоємності.

Для досягнення поставленої мети були вирішені такі основні задачі:

  •  розробка експериментально-теоретичного (осередкового) підходу до створення розрахункового методу оцінки втомної довговічності конструктивних вузлів;
  •  відбір і класифікація типових осередків концентрації напружень в конструктивних вузлах корпусу судна;
  •  отримання критеріальних залежностей втомної міцності (кривих втоми) для типових осередків концентрації напружень у вузлах;
  •  визначення амплітудно-циклічної навантаженості корпусних конструкцій і їх конструктивних вузлів;
  •  розробка розрахункового методу оцінки втомної довговічності типових осередків концентрації, що входять до складу вузла, і вузла в цілому;
  •  реалізація критеріальних залежностей втоми в практичних методиках розрахунку довговічності і параметрів змінного навантаження, а також при проектуванні конструктивних вузлів з урахуванням утомленості.

Об’єктом досліджень в дисертаційній роботі виступає надійність суднових корпусних конструкцій в умовах експлуатації.

Предметом досліджень є втомна міцність конструктивних вузлів суднового корпусу з осередками концентрації напружень, в яких можуть виникати пружнопластичні деформації від експлуатаційних навантажень.

Методи досліджень. Виходячи із різноплановості задач, які потребували вирішення, в роботі використані як теоретичні, так і експериментальні методи. Розробка "осередкового" експериментально-теоретичного підходу до створення методу розрахункової оцінки втомної міцності корпусних конструкцій базувалась на аналітичному аналізі існуючих підходів у суднобудуванні. Класифікація типових осередків концентрації, як основних об'єктів розрахункового методу, виконана на основі досліджень конструктивних форм і силових умов навантаження корпусних вузлів.

Для обґрунтування принципових положень, які покладені в основу створеного методу, і практичного використання критеріальних залежностей втомної міцності типових концентраторів напружень показники їх довговічності отримані експериментально при циклічних випробуваннях моделей. Дослідження напружено-деформованого стану в осередкових зонах концентрації вузлів виконані поляризаційно-оптичним методом, методом електротензометрування, а також на основі розрахунків методом скінченних елементів. При визначенні номінальної навантаженості конструктивних вузлів і типових концентраторів на основі "Норм міцності" використані методи будівельної механіки корабля і теорії пружності.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:

  1.  На основі експериментально-теоретичного підходу створено методологію і розроблено новий метод розрахунку втомної міцності суднових конструкцій, який дозволяє вирішувати низку практичних задач, в тому числі і оптимізаційних. Основним об'єктом методу виступає типовий осередок концентрації напружень конструктивних вузлів, показники втоми якого дозволяють оцінити довговічність самого вузла і конструкції в цілому.
  2.  Розроблено класифікацію типових осередків концентрації напружень у вузлах суднових корпусних конструкцій із урахуванням їх конструктивних форм, технологічних особливостей і умов навантаження. Складено таблицю типових концентраторів, які рекомендується використовувати при оцінках втомної міцності конструктивних вузлів експериментально-теоретичним методом.
  3.  Вперше розроблено критеріальні залежності втомної довговічності в малоцикловій і багатоцикловій областях для узагальненого типового осередку концентрації з урахуванням можливої зміни геометричних параметрів концентратора, що базуються на деформаційних і силових критеріях втоми матеріалу, "прив’язку" яких до осередку концентрації здійснено в одній точці. Показники втоми, що визначають координати цієї точки, встановлюються експериментально при втомних випробуваннях моделей з типовими концентраторами напружень.
  4.  Вперше на основі наближеної залежності для визначення пружнопластичних деформацій в осередках концентрації напружень отримано прості розрахункові формули для побудови кривих втоми типових концентраторів в залежності від їх геометричних параметрів.
  5.  Вперше на моделях із суднобудівних сталей в умовах малоциклового навантаження створено базу даних із показників втоми трьох типових концентраторів напружень. Оцінено вплив основних геометричних параметрів на їх довговічність і виявлено особливості втомного руйнування в досліджених осередках концентрації.
  6.  Побудовано криві втоми для трьох типових концентраторів напружень з конкретною геометрією в діапазоні числа циклів від 1 до 10. Надійність цих кривих підтверджено порівнянням з експериментальними даними, які отримані при втомних випробуваннях сталевих моделей.
  7.  Експериментально встановлено підвищення втомної довговічності в типових осередках концентрації за рахунок початкового циклічного навантаження (тренування) на низькому рівні номінальних напружень, а також від попереднього статичного перевантаження з максимальним номінальним напруженням, яке перебільшує границю плинності матеріалу на 20 %.
  8.  Розроблено практичну формулу для розрахунку коефіцієнта концентрації напружень в осередку концентрації типу "злам стінки", яку рекомендовано використовувати при оцінці втомної довговічності вузлів з концентраторами вказаного типу.

На основі отриманих результатів теоретичних і експериментальних досліджень сформульовані нові наукові положення:

  •  базовим об'єктом, який визначає втомну міцність корпусної конструкції, є не конструктивний вузол, різноманітність яких дуже велика і залежить від типу судна, а найслабкіший за довговічністю типовий осередок концентрації напружень вузла, що дає змогу суттєво зменшити кількість досліджуваних одиниць;
  •  за умов дотримання діючих у вітчизняному суднобудуванні нормативних вимог щодо виготовлення суднових корпусних конструкцій визначальним фактором утомної довговічності конструктивних вузлів і їх типових осередків концентрації є номінальна навантаженість; це положення відкриває шлях для створення нового розрахункового методу оцінки втомної міцності корпусних конструкцій при "осередковому" підході;
  •  розробка критеріальних залежностей втомної довговічності (кривих втоми) для типових осередків концентрації конструктивного вузла можлива на основі комбінації деформаційних і силових критеріїв утоми матеріалу, "прив'язку" котрих до типового концентратора достатньо виконати в одній точці, координати якої встановлюються експериментально за результатами втомних випробувань моделей з такими ж концентраторами при конкретних значеннях геометричних параметрів;
  •  для досліджених осередків концентрації напружень плоского типу наявність в них зварних швів більше як у два рази нівелює вплив важливих геометричних параметрів концентратора на показники довговічності.

Практичне значення одержаних результатів:

  1.  Створена методологія і розроблено метод розрахунку втомної  міцності суднових корпусних конструкцій, в яких основним об'єктом виступає типовий осередок концентрації напружень конструктивного вузла.
    1.  Отримано базу експериментальних даних із показників втомної міцності трьох типових осередків концентрації, що дозволило встановити координати точки "прив'язки" критеріальних залежностей для вказаних концентраторів і побудувати криві втоми в діапазоні числа циклів від 1 до 10. Ці дані можна безпосередньо використовувати при проектуванні конструктивних вузлів із такими концентраторами.
    2.  Оцінено вплив основних геометричних параметрів досліджуваних осередків концентрації на показники їх втомної довговічності. Вивчено характер втомних пошкоджень в залежності від типу концентратора, наявності і якості зварних швів в осередковій зоні.
    3.  Отримана наближена формула для визначення теоретичного коефіцієнта концентрації напружень в осередку типу "злам стінки", яку за визначених умов рекомендовано використовувати для вирішення міцнісних задач, в тому числі при розрахунках на втому.
    4.  Розроблені практичні методики визначення втомної довговічності конструктивних вузлів із типовими осередками концентрації, допустимого рівня параметрів номінальної навантаженості, а також проектування за показниками втомленості.

Впровадження результатів досліджень. Експериментальні дані про показники втомної довговічності досліджених типових концентраторів напружень використані в ЦКБ "Чорноморсуднопроект" і "Ізумруд" та КБ суднобудівних заводів м. Миколаєва і м. Херсона при проектуванні конструкцій корпусу танкерів і суховантажних суден.

Результати експериментально-теоретичних досліджень і розроблені практичні методики розрахунку втомної міцності і довговічності конструктивних вузлів впроваджено в ЦКБ "Чорноморсуднопроект" при розробці рекомендацій із забезпечення утомної міцності і надійності конструкцій підвищеної технологічності, а також на ВАТ "Херсонський суднобудівний завод" при розробці конструктивно-технологічних рекомендацій щодо виготовлення вузлів головних гофрованих перегородок і виконання зварних з'єднань внутрішнього борту танкерів проекту 15966 з метою підвищення надійності і втомної довговічності корпусних конструкцій.

Матеріали досліджень і експериментально-теоретичний метод розрахунку втомної міцності корпусних конструкцій суден використовуються в Національному університеті кораблебудування імені адмірала Макарова у навчальному процесі при викладанні дисциплін "Будівельна механіка корабля і технічних засобів освоєння океану" і "Спеціальні питання міцності і динаміки суден та морських плавучих споруд", виконанні курсових робіт і дипломних проектів студентами спеціальності 8.100201 "Кораблі та океанотехніка".

Особистий внесок здобувача. Основні положення методології експериментально-теоретичного підходу до створення розрахункового методу оцінки втомної міцності конструктивних вузлів розроблені у співавторстві з В.П. Сусловим, а їх обґрунтування виконано особисто автором. Розрахунковий метод і практичні методики, аналітичні і емпіричні залежності, програми для виконання розрахунків на ПЕОМ і отримані результати, які виносяться на захист, належать особисто автору.

Автором розроблені всі програми і методики експериментальних випробувань моделей з типовими осередками концентрації напружень та інших конструктивних вузлів, які проводились протягом 15 років в лабораторних умовах, а також на натурних об'єктах. Здобувачем особисто отримана низка емпіричних результатів як при статичних, так і циклічних випробуваннях. Ним виконана обробка і аналіз всіх експериментальних даних, сформульовані висновки за результатами виконаних досліджень.

Із наукових праць, які опубліковані у співавторстві, на захист винесені їх основні частини, розроблені особисто дисертантом.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень дисертаційної роботи оприлюднено на науково-технічних конференціях різних рівнів та симпозіумі, зокрема

  •  міжнародній конференції "Оцінка й обґрунтування продовження ресурсу елементів конструкцій" (6-9 червня 2000 р., Київ, Інститут проблем міцності НАН України);
  •  ІІ і ІІІ міжнародних конференціях із суднобудування ISC'98 і ISC'2002 (24-26 листопада 1998 р. і 8-10 жовтня 2002 р., Санкт-Петербург, Росія, ЦНДІ ім. акад. О.М. Крилова);
  •  міжнародній конференції "Современные проблемы концентрации напряжений" (21-25 червня 1998 р., Донецьк, Донецький державний університет);
  •  двох міжнародних конференціях "Проблемы прочности и эксплуатационной надежности судов" (11-14 вересня 1996 р. і 8-11 вересня 1999 р., Владивосток, Росія, Далекосхідний державний технічний університет);
  •  міжнародній конференції "Кораблестроение и океанотехника. Проблемы и перспективы" (14-17 вересня 1998 р., Владивосток, Росія, Далекосхідний державний технічний університет);
  •  міжнародному науково-практичному симпозіумі "Проблеми суднобудування: стан, ідеї, рішення"( 8-10 жовтня 1997 р., Миколаїв, Український державний морський технічний університет);
  •  міжнародній конференції  "Кораблебудування: освіта, наука, виробництво" (24-25 вересня 2002 р., Миколаїв, Український державний морський технічний університет ім. адм. Макарова);
  •  міжнародній науково-технічній конференції "Безопасность мореплавания и ее обеспечение при проектировании и постройке судов (БМС-2004)" (2004р., Миколаїв, Національний університет кораблебудування ім. адм. Макарова);
  •  всесоюзній науково-технічній конференції "Проблемы прочности и снижение металлоемкости корпусных конструкций перспективных транспортных судов и плавучих сооружений" (20-22 лютого 1990 р., Ленінград, ВНТО ім. акад. О.М. Крилова);
  •  науково-технічній конференції "Эксплуатационная и конструктивная прочность судовых конструкций. Девятые "Бубновские чтения"" (5-6 червня 1991 р., Нижній Новгород, Росія, Нижегородський політехнічний інститут);
  •  науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу МКІ-УДМТУ-НУК у 1988...2006 рр.

Апробація результатів досліджень відбулася також на наукових семінарах в Інституті проблем міцності  ім. Г.С. Писаренка та в Інституті електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України,   засіданнях науково-технічної ради з кораблебудування УДМТУ-НУК.

Публікації. Результати досліджень з теми дисертації опубліковані в 38 наукових працях. З них 23 (16 без співавторів) –у збірниках наукових праць, які входять до переліку спеціалізованих видань ВАК України, 12 (8 без співавторів) –у працях і матеріалах міжнародних конференцій та науково-практичного симпозіуму, 3 (1 без співавторів) –у тезах науково-технічних конференцій різних рівнів.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, 7 розділів, висновків, списку використаних джерел і 5 додатків. Загальний обсяг дисертації становить 406 сторінок, з яких 278 основного тексту, 72 рисунки, 40 таблиць, а також 68 сторінок додатків. Список використаних джерел складає 225 найменувань і займає 24 сторінки.

ОСНОВНИЙ   ЗМІСТ   РОБОТИ

Вступ містить обґрунтування актуальності теми дисертаційної роботи і її зв’язок з науковими програмами, мету і задачі досліджень, наукову новизну результатів, які виносяться на захист, і їх практичне значення.

Перший розділ дисертації присвячено аналізу втомних пошкоджень суднових корпусних конструкцій, а також методів оцінки їх втомної міцності, які використовуються нині у вітчизняному суднобудуванні.

Розглянуто значну кількість публікацій щодо дослідження пошкоджуваності конструкцій корпусу в умовах змінного навантажування. Автори цих досліджень М.В. Барабанов, А.С. Брикер, Г.В. Єгоров, М.О. Іванов, В.В. Козляков, С.М. Кононенко, В.Т. Луценко, О.І. Максимаджі, В.В. Новіков, О.І. Свєчніков, Г.П. Шемендюк та інші вказують на наявність втомних пошкоджень в корпусах всіх типів морських суден (старих і новозбудованих), а також суден обмеженого і змішаного районів плавання. Пік інтенсивності таких пошкоджень припадає на 10...14 роки експлуатації. Основною причиною виникнення втомних тріщин визнана концентрація напружень в конструктивних вузлах. У більшості випадків зростання кількості тріщин спостерігається в межах 1/3...1/4 довжини судна від носового і кормового перпендикулярів.

На рекласифікованих суднах змішаного плавання кількість утомних тріщин, як правило, визначається терміном його експлуатації на морі. Самі тріщини в рівній мірі виявляються як в базових конструкціях, так і в додатково встановлених для підвищення загальної і місцевої міцності такого типу суден.

Виникнення втомних тріщин в корпусах старих і новозбудованих суден говорить про необхідність удосконалення вимог "Правил" класифікаційних товариств щодо забезпечення міцності конструктивних вузлів при змінних навантаженнях. Цього можна досягти на основі узагальнення результатів експериментально-теоретичних досліджень, отриманих із використанням надійних методів оцінки втомної довговічності корпусних конструкцій.

Не дивлячись на великий об’єм досліджень в області втоми матеріалів, зварних з’єднань і конструкцій, викладених у фундаментальних працях відомими фахівцями Г.В. Бойцовим, В.М. Волковим, А.П. Гусенковим, В.І. Дворецьким, В.С. Івановою, В.П. Когаєвим, В.В. Козляковим, С. Коцаньдою, І.В. Кудрявцевим, О.І. Максимаджі, М.А. Махутовим, П.П. Міхеєвим, В.Х. Мюнзе, О.М. Палієм, В.В. Панасюком, С.В. Петіновим, О.М. Романівим, С.В. Серенсеном, В.О. Стрижалом, В.Т. Трощенком, В.І. Труфяковим, Р.Б. Хейвудом, С.Я. Яремою та іншими, поки що не створено достатньо досконалих розрахункових методів для оцінки втомної міцності вузлів тонкостінних конструкцій, які б забезпечували також вирішення проектувальних задач за показниками втомленості.

У суднобудуванні існують два принципово різні підходи щодо розрахункових досліджень утоми конструкцій. Перший базується на прийомах порівняльного аналізу втомної довговічності з базовою конструкцією, а другий –на прямих абсолютних оцінках показників утоми.

Серед методик порівняльного типу виділено методики О.І. Максимаджі і В.В. Козлякова. В їх основу покладено силовий критерій руйнування матеріалу і лінійна гіпотеза підсумовування пошкоджень. Використовуючи статистичний підхід В.В. Болотіна, автори за прийнятим законом довгочасного розподілу номінальної напруженості (Релея в першій методиці і Вейбулла у другій) отримали розрахункову формулу для довговічності конструкцій у часі . Таку ж довговічність  можна за прийнятих умов визначити і для базової конструкції, в якій не виявлено втомних пошкоджень за весь експлуатаційний період. Тоді маємо змогу оцінити надійність досліджуваної конструкції відношенням .

Розрахункові методи, якими можна отримати прямі оцінки показників довговічності вузлів суднових конструкцій, більш складні. У вітчизняному суднобудуванні використовуються емпіричний метод ЦНДІ ім. акад. О.М. Крилова (Г.В. Бойцов, О.М. Палій) і теоретичний (деформаційний) метод С.В. Петінова.

В першому методі за показник утомної міцності вузла прийнято ефективний коефіцієнт концентрації напружень, який представляє собою відношення

де  –границя обмеженої витривалості на базі N циклів, а  –така ж границя для конструктивного вузла, що встановлюється за результатами втомних випробувань моделі. Кінцева розрахункова формула для  побудована на силовому критерії втоми матеріалу і вузла, враховує вплив на довговічність зварних швів і характеристик матеріалу. На основі лінійної гіпотези підсумовування пошкоджень при довгочасному розподілі номінальних напружень вузла за законом Вейбулла отримана формула для оцінки його втомної довговічності.

Для практичного наповнення розрахункової методики фактичними даними про коефіцієнт  в ЦНДІ ім. акад. О.М. Крилова проведено декілька серій випробувань на втому моделей конструктивних вузлів, виготовлених із сталей п’яти марок. Використавши ці дані, а також результати випробувань інших дослідників, побудовано таблицю значень  для 32 конструктивних вузлів, яку рекомендовано використовувати на практиці.

Метод С.В. Петінова, в основу якого покладено деформаційний критерій втоми матеріалу Ленджера і лінійну гіпотезу підсумовування пошкоджень, потребує попереднього розрахунку розмаху повної пружнопластичної деформації  в зонах концентрації напружень конструктивного вузла. Визначення такої деформації навіть сучасними числовими методами є досить складною задачею, так як необхідно враховувати особливості локальної геометрії в осередковій зоні.

На основі проведеного аналізу встановлено, що методи, які базуються на визначенні абсолютних показників довговічності, мають певні обмеження, пов'язані з великим різноманіттям вузлів, їх складністю, необхідністю врахування локальної геометрії в осередку концентрації напружень. Розрахункові залежності цих методів прямо не відображають вплив на довговічність геометричних параметрів, чим суттєво утруднюється рішення проектувальних задач. Тож виникає нагальна потреба у розробці такого методу розрахунку втомної міцності конструкцій, який був би вільним від вказаних вище недоліків.

У другому розділі сформульовані основні принципи і положення щодо розробки нового методу розрахункової оцінки втомної міцності корпусних конструкцій судна. Показано, що при існуючому нині рівні дотримання вимог на виготовлення конструкцій в умовах суднобудівних заводів визначальним фактором втомних пошкоджень виступає напружено-деформований стан. Інші фактори, в першу чергу технологічного характеру, є менш значимі.

Утомна міцність конструкції визначається найслабкішим за довговічністю конструктивним вузлом з наявними в ньому осередками концентрації напружень. З метою зменшення кількості об'єктів досліджень за первинний об'єкт приймається не сам вузол, а окремі його типові осередки концентрації з оточуючими їх невеликими зонами ("осередковий" підхід). Напруження на границях цих зон розглядаються як номінальні, по відношенню до яких встановлюються показники втомної довговічності осередку концентрації напружень.

Для конструктивних вузлів введено два рівні номінальних напружень: вузлових і осередкових. У загальному випадку зв'язок між цими рівнями можна встановлювати розрахунковим або експериментальним методами. Проте, коли в межах вузла знаходиться один осередок концентрації або декілька незалежних між собою, вказані два рівні номінальних напружень ототожнюються. Основними параметрами таких напружених станів прийнято розмах , максимальне номінальне напруження , а також характеристику циклу змінних напружень. На основі детального аналізу показано, що в задачах втомної міцності суднових корпусних конструкцій за характеристику циклу номінальних напружень доцільно прийняти параметр , який представляє собою відношення середніх напружень циклу  до розмаху . Рівень концентрації напружень в типових осередках концентрації прийнято визначати теоретичним коефіцієнтом концентрації KT та коефіцієнтами концентрації напружень K і деформацій K при пружнопластичному деформуванні.

Викладена практична схема реалізації експериментально-теоретичного "осередкового" підходу при розробці методу розрахунку втомної міцності конструкцій (вузлів), яка включає:

  1.  визначення експлуатаційної навантаженості конструктивних вузлів за діючими "Нормами міцності" або прямими розрахунками загальної і місцевої міцності конструкцій корпусу;
  2.  розробку критеріальних залежностей втоми для типових осередків концентрації напружень;
  3.  оцінку втомної міцності конструктивних вузлів на основі лінійної гіпотези підсумовування втомних пошкоджень.

Деталізована процедура вирішення основної задачі при розробці нового методу –отримання критеріальних залежностей (кривих втоми) для типових осередків концентрації напружень. Такі залежності доцільно розробляти на основі деформаційних і силових критеріїв утомленості матеріалу, "прив'язку" яких до типового осередку концентрації треба виконати за експериментально встановленими на моделях показниками втомного руйнування в осередку з конкретною геометрією.

У третьому розділі наведена класифікація типових концентраторів напружень конструктивних вузлів і проаналізовані способи визначення їх експлуатаційної навантажуваності.

Викладені існуючі в суднобудуванні підходи до класифікації вузлів корпусних конструкцій. Вказано, що частіше всього класифікація будувалася за технологічними або конструктивними ознаками. Це призводило до великої кількості вузлів одного функціонального призначення. Суттєвим кроком вперед у цій області треба визнати праці А.І. Бронського і Г.П. Шемендюка. Останній при побудові класифікаційної схеми виділив три основні ознаки: функціональність, спосіб формування вузлів і їх технологічність.

З точки зору оцінки міцності вузлів визначальною ознакою виступає функціональність, яка дозволяє відрізняти вузли за силовими умовами роботи у складі корпусу. За цією ознакою Г.П. Шемендюком виділено три класи вузлів, кожен з яких поділяється на групи фактично за конструктивним принципом. У вказаних групах виділені підгрупи за характером дії навантажень.

Аналіз великої кількості конструкторської документації по корпусу різних за призначенням суден дозволив виявити у вузлах типові осередки концентрації напружень конструктивного характеру. Їх загальна кількість близька до 20 без урахування в окремих випадках різних варіантів виконання концентратора одного і того ж типу. Складена таблиця типових осередків концентрації, де вказані їх номери і всі можливі комбінації сумісної дії простих видів навантажень: рівномірного одновісного розтягування (стискання), згину в площині плоского елемента і зсуву. Ці осередки прийнято класифікувати за двома основними ознаками –формою і характером навантаження. За формою вони поділені на плоскі і просторові. Останні мають у своєму складі один або декілька елементів, що розташовуються у взаємно перпендикулярних площинах. Таких осередків більшість. За характером навантаження виділені типові осередки з простим видом номінального навантаження і складним, який являє собою комбінацію простих видів.

Типові осередки концентрації можуть мати декілька небезпечних точок, в яких можливе порушення втомної міцності. Це пов'язано із наявністю в таких осередках елементів складної геометрії, а також зварних швів різних типів і орієнтації. До того ж, положення небезпечних зон залежить і від співвідношення простих видів навантажень у випадку їх одночасної дії. Проте, у випадках простих навантажень, небезпечні точки в зонах концентрації визначаються однозначно.

Наведено принципову схему побудови довгочасного розподілу сумарних номінальних напружень у вузлах, запропоновану В.В. Козляковим. За цією схемою сумарне напруження  від декількох типів хвильових випадкових навантажень , що призводять до різних видів деформування, представляється у вигляді лінійної функції

де –невипадкові коефіцієнти пропорційності між номінальними напруженнями вузла і навантаженнями , які визначаються звичайними методами будівельної механіки корабля із урахуванням макроконцентрації. Така форма подання сумарних номінальних напружень дає можливість визначити їх середнє значення  і дисперсію   а також стандарт   , як частку стандарту номінальних напружень міделевого перерізу від згинання корпусу у вертикальній площині через деякий узагальнений коефіцієнт концентрації напружень у вузлі  . Тоді за відомим стандартом    на кожному стаціонарному режимі і прийнятим законом розподілу можна на основі формули повної ймовірності побудувати довгочасний розподіл сумарних номінальних напружень у вузлі.

Викладена схема побудови довгочасного розподілу сумарних напружень потребує детальної інформації про напружений стан вузла з урахуванням макроконцентрації, ймовірнісні характеристики зовнішніх навантажень та відповідні коефіцієнти кореляції між ними. Недостатня вивченість вказаних величин поки що не дозволяє отримувати надійні результати за такою схемою.

У порівнянні з наведеною схемою більш простий шлях визначення характеристик циклічної номінальної навантаженості вузлів можна практично реалізувати на основі норм допустимих напружень, які прийняті в "Нормах міцності" морських суден, і лінійного закону кумулятивного довгочасного розподілу. Основні труднощі на такому шляху пов'язані з тим, що вказаними "Нормами" не встановлюються допустимі рівні для сумарних напружень в елементах корпусу. Проте в окремих випадках, наприклад, для поздовжнього набору і відповідних вузлів, допустимі напруження від місцевого навантаження встановлюються в залежності від їх участі в загальному згинанні корпусу.

На конкретних прикладах показано визначення сумарних номінальних напружень для вузлів у поздовжньому напрямку, які утворюються рамними поздовжніми днищевими балками (вертикальним кілем, стрингерами), поздовжніми ребрами жорсткості днищевої обшивки, другого дна, верхньої палуби, а також борту. Першою складовою сумарних напружень для вузлів палуби і днища є напруження від загального згинання корпусу, яке при нормованих значеннях коефіцієнтів запасу визначається за формулами:

–в настилі палуби                    

–в днищевій обшивці              

де –нормативна границя плинності матеріалу, а , –відповідно відстань настилу палуби і обшивки днища від нейтральної осі поперечного перерізу корпусу. Інші складові сумарних напружень від дії місцевого навантаження на перекриття, ребра жорсткості і пластини визначаються відповідно на основі стержневих розрахункових схем, технічної теорії згинання балок і жорстких пластин. При визначенні поперечної навантаженості зазначених вузлів не враховуються напруження від загального згинання корпусу у вертикальній площині.

Отримані розрахункові формули для визначення параметрів навантаження конструктивних вузлів у поздовжньому і поперечному напрямках прості за структурою і можуть використовуватись при оцінках втомної міцності конструкцій у першому наближенні.

У четвертому розділі дисертації викладені основні положення з розробки критеріальних залежностей втомної довговічності типових осередків концентрації напружень і отримані такі залежності. Вони дозволяють побудувати криву втоми у діапазоні числа циклів від 1 до 10. В основу цих залежностей покладені деформаційні і силові критерії втоми матеріалу, "прив'язка" яких до типового концентратора виконується в одній точці. Координати цієї точки , встановлюються за результатами втомних випробувань моделей з осередками концентрації даного типу при конкретних геометричних параметрах. За рівень утомного руйнування при пружнопластичному деформуванні в осередковій зоні прийнята довжина видимої тріщини  ~1...2 мм.

Весь діапазон утомної довговічності від 1 до 10 циклів умовно поділено на малоциклову і багатоциклову області. Тож за умови пружнопластичного деформування в осередковій зоні виконано "прив'язку" якраз деформаційного критерію втоми матеріалу. В багатоцикловій області перевага віддана силовому критерію, який дозволяє без особливих труднощів реалізувати пристиковування до деформаційного критерію.

Розглянуто чотири найбільш поширені деформаційні критерії Менсона, Ленджера, Махутова і Дюбюка, які представлені єдиною залежністю типу

де  –розмах повної пружнопластичної деформації;     –число циклів до появи втомної тріщини;                –параметри, які залежать від властивостей матеріалу, а також коефіцієнтів асиметрії циклів напружень   і деформацій   .

Процедура "прив'язки" деформаційного критерію матеріалу до типового осередку концентрації в точці  ,    можлива при наявності зв'язку між розмахом зведеної пружнопластичної  деформації  в  осередку  концентрації   і відповідним  розмахом  номінальних

напружень     , який прийнято у вигляді

де   –значення розмаху зведеної деформації, розрахованої за прийнятим деформаційним критерієм утоми матеріалу при   ;    –функція, яка залежить від геометричних параметрів осередку концентрації;  –залежний від властивостей матеріалу показник степені.

Побудову функції   і встановлення значення показника степені  можна практично здійснити шляхом обробки експериментальних даних втомних випробувань моделей з осередками концентрації даного типу або на основі наближених залежностей для пружнопластичних деформацій в концентраторах напружень. Останній шлях менш трудомісткий. Тож на основі проведеного аналізу для вирішення даної задачі використано наближену залежність Нейбера

де      –коефіцієнти концентрації деформацій і напружень в пружнопластичній області, а    –теоретичний коефіцієнт концентрації, який відповідає умові пружного деформування матеріалу.

У випадку степеневої апроксимації діаграми деформування матеріалу  - 

де    –границя плинності матеріалу, а    –модуль пружності при розтягуванні, отримано такі формули для функції  та показника :

В першій формулі величини з індексом "0" відносяться до моделі з типовими концентраторами, при втомних випробуваннях якої з розмахом номінальних напружень   отримано експериментальний результат довговічності     .

Число циклів   , яким весь діапазон числа циклів від 1 до 10 умовно поділяється на малоциклову і багатоциклову області, визначено із деформаційної залежності      при            :

Тож "прив'язку" деформаційного критерію втоми матеріалу  до осередку концентрації виконуватимемо за умов   і    в точці з координатами   і   . Використуючи залежність, яка зв'язує розмах номінальних напружень   з розмахом зведеної пружнопластичної деформації   в типовому осередку, отримано таку формулу для відносного розмаху номінальних напружень:

Відповідне     значення силового параметру        визначиться попередньою формулою при   .

При    маємо два крайні випадки:   і    . Першій рівності відповідають такі значення залежності

Враховуючи зв'язок між     і      у вигляді

отримано такі формули для вказаних силових параметрів:

Цикловий параметр          визначиться із виразу для      при      .

На ділянці малоциклової області, де число циклів    задовольняє умові     , з очевидним запасом залежність між      і відносним розмахом напружень      прийнята лінійною, що дало змогу записати

Таким чином, в малоцикловій області маємо дві ділянки, які за числом циклів визначаються умовами        і      . Третя ділянка          відноситься до багатоциклової області. Тут використано силовий критерій втоми матеріалу Хейвуда

де      –розмах і середнє напруження циклу;    –границя міцності матеріалу;        ,    –коефіцієнти, які залежать від властивостей матеріалу і встановлюються експериментально.

Приймаючи коефіцієнт   відомим (     =0,00125 при наявності в осередку концентрації сталевої конструкції зварних швів і   =0,0038 при їх відсутності), із умови стиковки силового критерію Хейвуда до правого кінця другої ділянки малоциклової області матимемо таку формулу для визначення :

   ,

де

   ;                                                  .

Тож для багатоциклової області з урахуванням асиметрії циклу напружень за наближеною формулою Гудмана отримано таку критеріальну залежність:

яка описує третю ділянку кривої втоми узагальненого типового концентратора при  =0,0028 у випадку наявності в осередку концентрації зварних швів і  =0,008 за їх відсутності. У напівлогарифмічній системі координат   ,        ця крива представлена на рис. 1.

У випадку використання деформаційного критерію Ленджера критеріальні залежності втоми типового концентратора сталевої конструкції будуть найпростішими за структурою. До того ж, представлені на рис. 2 криві втоми для деякого умовного концентратора на основі чотирьох деформаційних критеріїв утоми матеріалу при віднульовому (    =0,5) циклі напружень показують, що вказаний критерій забезпечує надійні результати на всьому діапазоні числа циклів від 1 до 10. Це дало підставу на основі критерію Ленджера представити в остаточному вигляді критеріальні залежності втоми узагальненого типового осередку концентрації при                 таким чином:

ділянка I 

ділянка II 

ділянка III 

де

У наведених формулах   ,    ,     ,     ,      –характеристики матеріалу конструкції;      ,     –розмах і середнє напруження циклу номінального навантаження;     –число циклів до появи втомної тріщини;     ,      –розмах номінальних напружень і число циклів до появи тріщини, встановлене при втомних випробуваннях моделі;   ,      –коефіцієнти, числове значення яких залежить від наявності в концентраторі зварних швів;      –функція геометричних параметрів осередку концентрації напружень.

П'ятий розділ присвячено експериментальним дослідженням міцності конструктивних вузлів з типовими концентраторами напружень в умовах циклічного і статичного навантажень.

Експериментальні випробування на втому моделей конструктивних вузлів, виготовлених із суднокорпусних сталей, виконані з метою отримання даних про показники довговічності в типових осередках концентрації в залежності від рівня номінальних напружень і геометричних параметрів концентратора. Циклічним навантаженням піддавалися моделі з трьома типами осередків концентрації –з концентраторами "злам стінки" плоского 14А (рис. 3) і просторового 15А (рис. 4) типів, а також з плоским концентратором типу 13, який реалізований в моделях "хрестовин" (рис. 5).

Утомні випробування моделей виконувались на спеціальній машині для малоциклових випробувань УМЭ-10ТМ, а також на двох модифікованих машинах Р-100 і УММ-200, які дообладнані блоком пульсації. Максимальні розтягуючі зусилля циклу названих машин відповідно дорівнюють 100, 650 і 1000 кН, а частота навантажень –,15, 0,60 і 0,30 Гц. Як правило, цикл навантажень був близьким до віднульового. Моделі з концентраторами типу 14А випробовувались на машинах  УМЭ-10ТМ  і  УММ-200,  а з концентраторами 13  і  15А –на машинах  УММ-200 і Р-100. Поверхневі втомні тріщини виявлялись за допомогою мікроскопа МПБ-2.

При дослідницьких випробуваннях на втому варіювались рівень номінальних напружень і геометричні параметри типових концентраторів. Такі випробування, окрім декількох, відносились до малоциклових, оскільки утворення втомних тріщин і руйнування моделей відбувалось при повторно-пластичному деформуванні в осередках концентрації.

Основна серія втомних випробувань плоских моделей (51 шт.) габаритними розмірами 300×100 мм і товщиною  4 мм з осередками концентрації типу 14А (див. рис. 3, а) виконана при

радіусах закруглення в місці зламу      мм і  мм. При цьому, кут зламу кромки   збільшувався з кроком 15° до прямого. В залежності від розмаху номінальних напружень   , меншому границі плинності матеріалу   340 МПа, отримано великий обсяг даних про показники довговічності    при довжині тріщини в концентраторі ~1мм. Як приклад, на рис. 6 для трьох кутів зламу кромки   при радіусі закруглення    мм представлена залежність    числа циклів           від

розмаху напружень   Середні значення довговічності     в типових концентраторах цієї серії випробувань наведені в табл. 1.

Таблиця 1

Середні значення показників довговічності  (тис.) типового концентратора 14А з конкретними геометричними параметрами

,

мм

,

град.

, МПа

290

,5

,5

,1

,9

~0,5

,6

,0

,8

,0

,0

,1

,1

,7

,1

~4

,1

,7

45

,2

,4

15,8

,8

,2

,0*

,1

Примітка.

Знаком (*) позначено число циклів, отримане при розмасі номінальних напружень  = 206 МПа.

Окрім основної серії, дві моделі цього різновиду з кутом зламу  = 30° і радіусом закруглення   випробовувались на втому при рівні максимальних номінальних напружень, який перевищував   (     350 МПа), а ще дві моделі з кутом зламу 15 і 45° –при двоступінчастому навантаженні з першим низьким рівнем (    = 0,53 ) і другим більш високим (   = 0,73      ).

На плоских моделях другого різновиду (4 шт.) з концентраторами 14А (див. рис. 3, б), габаритні розміри яких 700×120 мм і 700×160 мм при товщині  = 8 мм і радіусі закруглення   , отримані показники довговічності на високому рівні номінальних напружень  = 0,975    (    = 328 МПа). Ці показники добре узгоджуються з даними випробувань основної серії.

Аналіз результатів випробувань моделей з осередками концентрації типу 14А підтверджує принцип залежності показників довговічності від рівня номінального напруження при фіксованих геометричних параметрах, а також від кута зламу    і радіуса закруглення     при незмінному рівні номінального навантаження. Виявлено суттєвий вплив радіуса закруглення кромки на довговічність при кутах зламу більше 30°. Зафіксовано значне підвищення втомної довговічності типового концентратора за рахунок "тренування" моделі на низькому рівні номінальних напружень.

Моделі з типовими концентраторами 15А (див. рис. 4) випробувались тільки при рівнях номінальних напружень, які не перебільшували границю плинності    = 400 МПа. Цей тип концентратора, як і попередній, теж відноситься до групи "злам стінки", але є просторовим. Він має поясок, приварений перпендикулярно до стінки товщиною   = 6 мм при куті зламу кромки 30, 45 і 60°. Радіус закруглення  в місці зламу прийнято рівним товщині пояску двох типорозмірів  × :  7×30 ìм і 12×30 мм.

Циклічному однорівневому навантаженню піддавалися 30 моделей основної серії при максимальних номінальних напруженнях    (0,945...0,975)   . Аналіз результатів випробувань показав суттєвий вплив рівня номінальних напружень на довговічність. Те саме спостерігається і для кута зламу кромки   . Так, при розмасі номінальних напружень ~360 МПа, середня довговічність в концентраторах моделей з кутом зламу 30° і 60° відповідно дорівнює близько 36000 і 9800 циклів. Однак розсіяння показників довговічності є дещо більшим, ніж у попередніх плоских моделях. Такий факт можна пояснити наявністю залишкових напружень в зоні конструктивної концентрації від зварного шва.

Три моделі з типовими осередками концентрації 15А, в яких кут зламу кромки   = 3, випробовувались при двохрівневому циклічному навантаженні. На першому рівні дві моделі мали максимальні номінальні напруження  0,42  , а на другому – 0,93  . Третя модель випробовувалась відповідно на рівнях   0,51    і    0,9    . У всіх випадках підвищення довговічності за рахунок "тренування" не виявлено.

Не виявлено також значного впливу площі поперечного перерізу пояску на довговічність осередку концентрації, хоча за площею пояски моделей різних типів відрізнялись майже вдвоє.

У моделях "хрестовин" чотирьох конструктивних варіантів, форма і розміри яких представлені на рис. 5, реалізовані 6 різновидів типового осередку концентрації 13 в залежності від напрямку навантаження. При цьому у більшості з них на напружено-деформований стан і показники довговічності має вплив зварний шов.

Основна серія циклічних випробувань "хрестовин", яка охоплювала 9 моделей І конструктивного  варіанту  при  навантаженні  за  напрямком   А   і   по   7   моделей   II,   III   i   IV 

конструктивних варіантів при навантаженнях за напрямками А і В, дозволила отримати великий обсяг даних про показники довговічності на різних рівнях максимальних номінальних напружень  =(0,54...0,90)    ,     = 410 МПа. На рис. 7 представлені такі результати для концентраторів "хрестовин" І конструктивного варіанту. Вони вказують на суттєвий вплив  рівня  номінальних  напружень

на число циклів до появи втомної тріщини. При цьому  спостерігається значна щільність експериментальних даних, особливо при розмахах номінальних напружень     300 МПа.

Друга серія втомних випробувань проведена на тих моделях "хрестовин", в яких утомні тріщини від попередньої серії випробувань були розкриті механічним способом, а потім заварені без будь-якої спеціальної обробки зварного шва. Результати цих випробувань показали, що довговічність відремонтованих осередків концентрації становить не більше 50 % від довговічності в першій серії випробувань. Суттєве зниження показників довговічності в осередках із завареними тріщинами можна пояснити низкою факторів: залишковими напруженнями від зварювання, додатковою концентрацією від зварного шва, неоднорідністю матеріала шва і моделі та ін.

Остання серія втомних випробувань моделей "хрестовин" (по дві кожного конструктивного варіанту) проводилась після отримання цими моделями статичного навантаження з пластичним деформуванням в зоні номінальних напружень. Таке перевантаження становило 20 % вище границі плинності матеріалу   . Два рівні наступних циклічних навантажень за максимальним номінальним напруженням       відповідали 0,7 і 0,9       як це прийнято в першій серії втомних випробувань. Порівняння показників довговічності концентраторів цієї серії з першою показало, що для моделей із статичним перевантаженням ці показники на 5...10 % вищі за умови відсутності в осередках конструктивної концентрації напружень значних мікроконцентраторів і при якісних зварних швах.

Експериментальні дані про показники довговічності трьох типів осередків концентрації напружень 13, 14А і 15А, які отримані на моделях із суднокорпусних сталей, дозволили встановити координати     ,      точки "прив'язки" кривої втоми таких концентраторів. Для цього використано логарифмічно нормальний закон розподілу отриманих показників. На основі аналізу і обробки великого обсягу експериментальних даних визначено циклову     і силову    координати для досліджених концентраторів та надійний інтервал величини     при ймовірності 0,95. Отримані результати рекомендовано використовувати в розрахунковій практиці і при побудові кривих втоми для вказаних типових осередків концентрації.

Окрім утомних випробувань моделей з концентратором "злам стінки" типу 14А, виконані дослідження його напружено-деформованого стану експериментальними методами (поляризаційно-оптичним, електротензометруванням), а також методом скінченних елементів. На основі обробки експериментальних даних і результатів розрахунку отримана практична формула для наближеного визначення теоретичного коефіцієнта концентрації напружень в широкому діапазоні зміни геометричних параметрів.

У шостому розділі виконано аналіз кривих втоми досліджених типових концентраторів напружень і викладено експериментально-теоретичний метод розрахунку втомної міцності конструктивних вузлів.

Побудова кривих втоми для згаданих концентраторів виконана за розробленими у розділі 4 критеріальними залежностями з координатами точки "прив'язки", які встановлені на основі результатів втомних випробувань моделей. На рис. 8 представлена крива втоми для типового концентратора 14А при куті зламу кромки   = 60º, ðадіусі закруглення     і    з координатами точки "прив'язки"   =14000 і    = 275 МПа. Надійний інтервал для ймовірності 0,95 визначено числом циклів   (11900, 16100) і показано на рисунку пунктирними лініями. Порівняння з експериментальними даними підтверджує надійність побудованої кривої втоми.

Для концентратора вказаного типу побудовані також криві втоми при кутах зламу 45° і 30° з координатами точки "прив'язки", встановленими за попередньою геометрією (= 60°). Отримані на моделях показники довговічності для цих концентраторів добре узгоджуються з відповідними кривими, що вказує на їх надійність і можливість використання для вирішення практичних задач.

Аналогічно попередньому концентратору побудовані криві втоми для типового осередку 15А. Координати точки "прив'язки" =17300 і = 365 МПа прийняті за результатами обробки експериментальних даних моделей з кутом зламу кромки = 45°. На рис. 9 суцільною лінією зображена крива втоми при = 60°, побудова якої виконана за вищевказаними координатами точки "прив'язки". Експериментальні точки непогано узгоджуються з побудованою кривою і підкреслюють її надійність.

Для осередку концентрації типу 13, який реалізовано в моделях "хрестовин", криві втоми побудовані для трьох кутів зламу: 0, 45 і 9. Порівняння цих кривих з експериментальними даними вказує на їх високу надійність. На рис. 10 представлена одна з таких кривих при куті зламу = 45° з координатами точки "прив'язки" =14700 і = 280 МПа. На цьому ж рисунку, як і на попередньому, пунктиром зображена крива, яка отримана на основі залежностей методу ЦНДІ ім. акад. О.М. Крилова відповідно при ефективних коефіцієнтах концентрації =1,3 (концентратор 15А) і =1,5 (концентратор 13). Очевидно, криві, побудовані за різними методами, мають непогане співпадання в середній частині логарифмічного діапазону числа циклів. Однак в багатоцикловій області залежності методу ЦНДІ ім. акад. О.М. Крилова дають дещо занижені показники довговічності.

Таким чином, можна впевнено стверджувати, що критеріальні залежності втоми експериментально-теоретичного методу, розроблені для узагальненого типового концентратора, дозволяють отримувати надійні результати на всьому діапазоні числа циклів від 1 до 10 в залежності від геометричних параметрів конкретних типових осередків концентрації.

Викладено основні положення експериментально-теоретичного методу оцінки втомної міцності конструктивних вузлів суднового корпусу.

  1.  Утомна довговічність вузла визначається довговічністю найбільш слабкого за втомою осередку із всіх типових осередків концентрації напружень, що мають місце у вузлі. Крива втоми для такого концентратора будується за розробленими критеріальними залежностями при наявності даних про показники довговічності  і, які встановлюються експериментально на моделях з конкретними геометричними параметрами.
  2.  Номінальні навантаження (напруження) на границях вузла визначаються методами будівельної механіки корабля за стержневою ідеалізацією конструкцій.
  3.  Приймається лінійний закон кумулятивного розподілу амплітудних значень (розмаху) номінальних напружень вузла і типового осередку концентрації на логарифмічній шкалі числа циклів за весь експлуатаційний період судна.
  4.  Міцність конструктивних вузлів при змінних навантаженнях різного рівня перевіряється на основі лінійної гіпотези підсумовування втомних пошкоджень. Для деяких типів суден така умова може бути відкорегованою.

У відповідності до викладених положень наведені формули для виконання необхідних розрахунків і дані пояснення щодо їх практичного використання.

Вихідними даними для розрахунку граничної довговічності типового осередку концентрації напружень конструктивного вузла при встановленому рівні номінального навантаження є:

  •  характеристики матеріалу конструкції   ,  ,   ,   ,   ;
  •  характеристики матеріалу моделі     ,    ,      ,    з концентраторами даного типу;
  •  встановлене при циклічних випробуваннях моделей на заданому рівні розмаху номінальних напружень    число циклів     при появі в зоні концентрації втомної тріщини довжиною ~1мм;
  •  значення функції геометричних параметрів  для досліджуваного концентратора.

За вказаними даними обчислюють відносні силові параметри   ,      ,         ,           граничних точок ділянок І, ІІ, ІІІ кривої втоми (див. рис. 1), однакові для всіх рівнів номінальних напружень   . Це дає змогу для кожного -го рівня навантажень з відносним розмахом    встановити ділянку кривої втоми і за відповідними формулами (див. розділ 4) розрахувати граничне число циклів    . Фактичне число циклів навантажень вузла і концентратора    визначається за лінійним законом розподілу розмаху номінальних напружень. Тоді на основі лінійної гіпотези підсумовування втомних пошкоджень

виконується оцінка втомної міцності досліджуваного концентратора, а відповідно і вузла корпусної конструкції судна.

Наведені три практичні методики розрахунку втомної міцності і проектування типових концентраторів конструктивного вузла, які розроблені на основі критеріальних залежностей втоми експериментально-теоретичного методу:

  1.  визначення числа циклів    до появи в осередку концентрації видимої тріщини при заданих параметрах номінального навантаження –розмасі напружень     і характеристиці циклу    ;
  2.  визначення параметрів циклічного номінального навантаження осередку концентрації в конструктивному вузлі при заданому числі циклів    до появи видимої тріщини;
  3.  проектування конструктивного вузла –встановлення геометричних параметрів осередку концентрації за показниками втомленості    ,     ,      .

На прикладі типового осередку концентрації 14А показана практична реалізація першої і третьої методик. Порівняння отриманих результатів з експериментальними даними підтвердило надійність як розроблених критеріальних залежностей втоми для типових осередків концентрації напружень, так і практичних методик.

У сьомому розділі викладено вирішення двох практичних задач, які пов'язані з конструктивно-технологічними проблемами порушення непроникливості конструкцій танкера в умовах змінних навантажень.

На експлуатуючих танкерах проекту 15966, побудованих Херсонським суднобудівним заводом, були виявлені тріщини в нових конструктивних вузлах поперечних перегородок і зварних з'єднань внутрішнього борту. За припущенням деяких спеціалістів причиною виникнення таких пошкоджень міг бути низький рівень втомної міцності при високій напруженості у вказаних вузлах. Тож були проведені теоретичні і експериментальні дослідження з метою встановлення істинних причин появи тріщин в конструкціях.

На основі аналізу можливих варіантів навантажень на поперечні перегородки танкера встановлено найбільш небезпечний рівень змінних (від навантажувально-розвантажувальних операцій) номінальних напружень у досліджуваному вузлі гофр-затулка. Для цього, спираючись на розрахункову схему гофра перегородки, як балки з пружним затисненням кінцевих перерізів, виявлено умови розташування гофра по ширині судна, за яких номінальні напруження в нижньому опорному перерізі будуть максимальними. Розрахунковим методом і натурним експериментом підтверджено незначний рівень підвищення напружень у досліджуваних вузлах при розмасі номінальних напружень    =180...195 МПа, що відповідає ~ 0,6    .

Утомні випробування спрощених моделей із вузлами гофр-затулка і розрахунки довговічності в осередку концентрації за критеріальними залежностями втоми експериментально-теоретичного методу показали, що виникнення видимої тріщини у досліджуваному вузлі при вказаному вище рівні номінальних напружень можливе після 2,5·10 циклів навантажень. Це значно перебільшує реальну кількість навантажувально-розвантажувальних операцій за весь експлуатаційний період судна.

Серед нових конструктивних рішень у корпусі танкера проекту 15966 є також вузол зварного з'єднання обшивки внутрішнього борту з верхнім горизонтальним листом скулової цистерни в районі вантажних танків. Використання на побудованому судні в такому з'єднані двостороннього кутового зварного шва без розкриття кореня перед підварюванням (шов підвищеної технологічності) суттєво знизило трудомісткість робіт, витрати електроенергії, а відповідно і собівартість виготовлення конструкції. Як і в попередньому випадку, були виконані дослідження із встановлення величини номінальної навантаженості вузла зварного з'єднання і його втомної міцності.

Розрахунки номінальних напружень у вказаному вузлі методами будівельної механіки корабля дозволили визначити відповідний навантажувально-розвантажувальним операціям рівень максимальних номінальних напружень, який не перевищував 0,75     . Цей рівень слугував базою для встановлення максимального навантаження моделей вузлів зварних швів різних типів –підвищеної технологічності і нормального, виконаного з розкриттям кореня шва. Результати втомних випробувань моделей вузлів зварного з'єднання, які були виготовлені у виробничих умовах заводу, показали, що шви підвищеної технологічності мають у півтора рази нижчі показники довговічності у порівнянні з нормальними швами. Розрахунки за критеріальними залежностями експериментально-теоретичного методу дозволили визначити довговічність зварних швів підвищеної технологічності, яка при розмасі номінальних напружень  =1,5     в умовах симетричного циклу навантажень (    = 0) дорівнює близько 1700.

Таким чином, спираючись на результати розрахунків довговічності за критеріальними залежностями втоми експериментально-теоретичного методу і дані втомних випробувань моделей, можна стверджувати, що у досліджуваних вузлах з якісними зварними швами втомні тріщини від навантажувально-розвантажувальних операцій, кількість яких за весь строк експлуатації танкера не перевищує 1000...1500, не виникнуть. Тож причиною появи тріщин у вузлах корпусу на експлуатуючому судні може бути наявність значних дефектів  у зварних швах.

   

ВИСНОВКИ

  1.  Аналіз виявлених втомних тріщин в корпусних конструкціях новозбудованих і старих суден показав, що основною причиною їх виникнення є концентрація напружень в конструктивних вузлах при високому рівні номінальної навантаженості.
  2.  Застосування методів розрахункової оцінки втомної міцності конструкцій, які нині використовуються у вітчизняному суднобудуванні, часто утруднене при вирішенні конкретних міцнісних і проектувальних задач, а інколи неможливе через велику різноманітність конструктивних вузлів та необхідність урахування локальної геометрії. Такий стан проблеми вказує на необхідність створення нового методу розрахунку втомної міцності конструктивних вузлів, який дозволяє безпосередньо оперувати із абсолютними показниками довговічності і враховує вплив на ці показники геометричних параметрів типових концентраторів напружень у вузлах.
  3.  Розроблені основні положення і принципи створення нового розрахункового методу. Показано, що визначальним фактором втомних пошкоджень є напружено-деформований стан у вузлі. Утомна міцність конструкції обумовлюється найслабкішим за довговічністю конструктивним вузлом з наявними в ньому осередками концентрації напружень. Для зменшення кількості об'єктів в розрахунках на втому за первинний з них приймається типовий осередок концентрації у вузлі з оточуючою його невеликою зоною ("осередковий" підхід). Напруження на границі цієї зони розглядаються як номінальні, відповідно до яких визначають показники довговічності.
  4.  Вперше наведена практична схема реалізації експериментально-теоретичного "осередкового" підходу для створення методу розрахунку втомної міцності конструктивних вузлів. За цією схемою виділено три основні задачі: визначення експлуатаційної навантаженості вузлів, розробка критеріальних залежностей втоми для типових осередків концентрації, оцінка втомної міцності конструктивних вузлів за експлуатаційний період судна.
  5.  Вперше виконана класифікація типових осередків концентрації напружень в конструктивних вузлах за формою і різновидом навантаження. Складена таблиця типових осередків концентрації, набір яких рекомендується використовувати при розрахунках втомної міцності корпусних конструкцій.
  6.  Розроблена процедура визначення експлуатаційної навантажуваності вузлів за діючими "Нормами міцності". Отримані розрахункові формули для параметрів номінального навантаження основних вузлів днища і палуби у поздовжньому і поперечному напрямках.
  7.  Вперше сформульовані принципові положення, за якими отримано критеріальні залежності втомної міцності для узагальненого типового осередку концентрації напружень в діапазоні числа циклів від 1 до 10. В основу цих залежностей покладені деформаційні і силові критерії втоми матеріалу, "прив'язка" яких до типового осередку концентрації виконана в одній точці. Координати цієї точки встановлюються за результатами втомних випробувань моделі з концентраторами даного типу при конкретних геометричних параметрах. Розроблені на основі критеріїв Ленджера і Хейвуда критеріальні залежності містять спеціальну функцію, яка враховує вплив геометричних параметрів концентратора на довговічність. Вказані шляхи побудови такої функції і отримані прості формули для її розрахунку.
  8.  Вперше виконані серійні випробування при циклічних навантаженнях моделей з трьома типами осередків концентрації для отримання експериментальних даних про їх абсолютні показники довговічності. Накопичено великий обсяг інформації про вплив рівня навантаження і геометричних параметрів на втомну міцність досліджуваних концентраторів. Ці дані дозволили побудувати криві втоми для вказаних осередків концентрації з конкретними геометричними параметрами і підтвердити надійність розроблених критеріальних залежностей.
  9.  Вперше на основі результатів експериментальних і теоретичних досліджень розроблена практична формула для розрахунку коефіцієнта концентрації напружень при пружному деформуванні в типовому осередку концентрації типу "злам стінки".
  10.  Викладена процедура розрахункової оцінки втомної міцності конструктивних вузлів за новим експериментально-теоретичним методом з використанням лінійної гіпотези підсумовування втомних пошкоджень і лінійного закону розподілу номінальних навантажень на логарифмічній шкалі числа циклів за весь експлуатаційний період судна.
  11.  Вперше на основі критеріальних залежностей втоми типового осередку концентрації розроблені практичні методики визначення числа циклів до появи втомної тріщини, параметрів номінального навантаження, а також встановлення геометричних параметрів концентратора за показниками втомленості.
  12.  Розроблені критеріальні залежності експериментально-теоретичного методу розрахунку втомної міцності конструктивних вузлів використано для вирішення двох практичних задач, пов'язаних з пошкодженнями, що виникли в процесі експлуатації танкерів. Встановлено, що у досліджуваних вузлах з якісними зварними швами виникнення втомних тріщин за весь експлуатаційний період судна неможливе.

Практичне застосування результатів дисертаційної роботи підтверджено актами впровадження ЦКБ "Чорноморсуднопроект", Херсонського суднобудівного заводу, Національного університету кораблебудування. Новий експериментально-теоретичний метод розрахунку втомної міцності корпусних конструкцій (вузлів) суден може бути використаний спеціалізованими КБ, підприємствами суднобудівної галузі, Регістром судноплавства України при розробці нормативно-методичних матеріалів.

Основні результати дисертації, що опубліковані в спеціалізованих виданнях:

  1.  Суслов В.П., Коростылев Л.И., Штырев Н.А. О расчетной оценке усталостной прочности конструктивных узлов судового корпуса // Строительная механика корабля: Сб. науч. тр. –Николаев: НКИ, 1987. –С. 35-42.
  2.  Суслов В.П., Коростылев Л.И. О расчетном методе оценки усталостной прочности узлов судового корпуса // Конструкция и строительная механика корабля: Сб. науч. тр. –Николаев: НКИ, 1989. –С. 53-62.
  3.  Коростылев Л.И. Усталостная прочность узлов пересечения поясков балок судового корпуса // Конструкция и строительная механика корабля: Сб. науч. тр. –Николаев: НКИ, 1989. –С. 62-67.
  4.  Коростылев Л.И. Об усталостной прочности некоторых типовых очагов концентрации напряжений корпусных конструкций // Строительная механика корабля: Сб. науч. тр. –Николаев: НКИ, 1990. –С. 16-21.
  5.  Коростылев Л.И. О долговечности конструктивных узлов судового корпуса при циклических нагрузках // Строительная механика корабля: Сб. науч. трудов. –Николаев: НКИ, 1991. –С. 24-31.
  6.  Коростылев Л.И. О влиянии предварительной статической перегрузки на усталостную прочность конструктивных узлов судового корпуса // Строительная механика корабля: Сб. науч. трудов. –Николаев: НКИ, 1992-93. –С. 34-39.
  7.  Коростылев Л.И. Практическая реализация экспериментально-теоретического метода расчетной оценки усталостной долговечности судовых конструкций // Зб. наук. праць УДМТУ. –Миколаїв: УДМТУ, 1998. –№ 3(351). –С. 3-9.
  8.  Коростылев Л.И. Морозов Д.Д. О кривых усталости типовых очагов концентрации напряжений в судовых конструкциях // Зб. наук. праць УДМТУ. – Миколаїв: УДМТУ, 1998. –№3(351). –С. 9-15.
  9.  Коростылев Л.И. О критериальных зависимостях усталостной прочности типовых очагов концентрации напряжений // Зб. наук. праць УДМТУ. –Миколаїв: УДМТУ, 1998. –№ 7 (355). –С. 46-54.
  10.  Коростылев Л.И. Об определении нагруженности конструктивных узлов корпуса судна в условиях эксплуатации // Зб. наук. праць УДМТУ. –Миколаїв: УДМТУ, 1999. –№ 1 (361). –С. 17- 22.
  11.  Морозов Д.Д., Коростылев Л.И. Усталостная долговечность отремонтированных узлов судового корпуса // Зб. наук. праць УДМТУ. –Миколаїв: УДМТУ, 1999. –№ 2 (362). –С. 24-29.
  12.  Коростылев Л.И. Об использовании приближенных зависимостей для упругопластических деформаций в задачах усталости конструктивных узлов // Зб. наук. праць УДМТУ. –Миколаїв: УДМТУ, 1999. –№3(363). –С. 15-20.
  13.  Об особенностях построения кривых усталости типовых очагов концентрации напряжений конструктивных узлов / Л.И. Коростылев, Ю.П. Кочанов, Д.Д. Морозов, С.Е. Рынейский // Зб. наук. праць УДМТУ. –Миколаїв: УДМТУ, 2000. –№ 3 (369). –С. 17-24.
  14.  Коростильов Л.І. Про показник асиметричності циклу напружень в елементах конструкцій при змінному навантажуванні // Зб. наук. праць УДМТУ. –Миколаїв: УДМТУ, 2000. –№ 5 (371). –С. 3-7.
  15.  Коростильов Л.І. Вплив механічних характеристик суднокорпусних сталей на криві втоми типових концентраторів // Зб. наук. праць УДМТУ. –Миколаїв: УДМТУ, 2001. –№1(373). –С. 12-18.
  16.  Кочанов Ю.П., Коростылев Л.И., Морозов Д.Д. О напряженности в районе конструктивных узлов поперечных гофрированных переборок танкеров // Зб. наук. праць УДМТУ. –Миколаїв: УДМТУ, 2001. –№ 2(374). –С. 3-11.
  17.  Коростылев Л.И., Морозов Д.Д., Алексенко В.Л. Экспериментальное исследование статической и усталостной прочности конструктивных узлов гофрированных переборок танкеров // Зб. наукових праць УДМТУ. –Миколаїв: УДМТУ, 2001. –№3 (375). –С. 49-56.
  18.  Коростылев Л.И. Прочность узлов тонкостенных конструкций судового корпуса // Зб. наук праць УДМТУ. –Миколаїв: УДМТУ, 2001. –№4 (376). –С. 57-64.
  19.  Коростильов Л.І. Утомна довговічність конструктивних вузлів з концентраторами різних типів // Зб. наук. праць УДМТУ. –Миколаїв: УДМТУ, 2002. –№ 1 (379). –С. 13-17.
  20.  Коростильов Л.І. Утомні пошкодження корпусних конструкцій танкерів та їх наслідки // Зб. наук. праць УДМТУ. –Миколаїв: УДМТУ, 2002. –№ 2(380). –С. 10-16.
  21.  Коростылев Л.И. Расчет усталостной прочности конструктивных узлов судового корпуса // Зб. наукових праць УДМТУ. –Миколаїв: УДМТУ, 2002. –№3 (381). –С. 3-9.
  22.  Коростылев Л.И. Проектирование конструктивных узлов судового корпуса с учетом усталости // Зб. наукових праць УДМТУ. – Миколаїв: УДМТУ, 2002. –№4 (382). –С. 24-31.
  23.  Коростильов Л.І. Аналіз і класифікація конструктивних вузлів корпусу суден і їх концентраторів напружень // Зб. наук. праць НУК. –Миколаїв: НУК, 2005. –№2(401). –С. 27-32.

Додатково зміст дисертації викладено у наступних публікаціях:

  1.  Коростылев Л.И. Оценка усталостной прочности судовых корпусных конструкций с концентраторами напряжений // Вторая междунар. конф. по судостроению –ISC'98: Труды, Секция С. –СПб.: ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, 1998. –С. 160-167.
  2.  Коростылев Л.И., Суслов В.П. Усталостная долговечность конструктивных узлов судового корпуса // Оцінка й обґрунтування ресурсу елементів конструкцій:  Тр.  міжнар.  конф. –К.:  НАН України. Ін-т проблем міцності, 2000. –Т.1. –С. 107-112.
  3.  Korostylov L.I. Fatigue Strength Calculation of the Ship Structural Details and Their Design // Third International Shipbuilding Conference –ISC’2002: Proceedings, Section C. –St. Petersburg: Krylov Shipbuilding Research Institute, 2002. –P. 144-148.
  4.  Коростылев Л.И. Построение кривых усталости для типовых очагов концентрации напряжений в конструктивных узлах судового корпуса // Проблемы прочности и эксплуатационной надежности судов: Труды междунар. конф. –Владивосток: ДВГТУ, 1996. –С. 261-266.
  5.  Коростылев Л.И. Об упругопластических деформациях в очагах концентрации напряжений судовых корпусных конструкций // Современные проблемы концентрации напряжений: Труды междунар. науч. конф. –Донецк: ДГУ, 1998. –С. 136-139.
  6.  Коростильов Л.І., Морозов Д.Д. Проектування і технологія виготовлення  суднових корпусних конструкцій –найважливіші складові забезпечення їх експлуатаційної надійності // Матеріали міжнар. науково-практичного сімпозіуму Проблеми суднобудування: стан, ідеї, рішення. –Миколаїв: УДМТУ, 1997. –С. 424-426.
  7.  Коростылев Л.И. Об определении нагруженности конструктивных узлов корпуса судна в условиях эксплуатации // Кораблестроение и океанотехника. Проблемы и перспективы: Материалы междунар. конф., Часть III. –Владивосток: ДВГТУ, 1998. –С. 35-39.
  8.  Коростылев Л.И. О связи упругопластических деформаций в очаге концентрации напряжений конструктивного узла с силовыми и геометрическими параметрами // Кораблестроение и океанотехника. Проблемы и перспективы: Материалы междунар. конф. –Часть III. –Владивосток: ДВГТУ, 1998. –С. 40-44.
  9.  Морозов Д.Д., Коростылев Л.И. О долговечности конструктивных узлов корпуса после устранения усталостных повреждений // Кораблестроение и океанотехника. Проблемы и перспективы:  Материалы  междунар.  конф.,  Часть  III.    Владивосток:  ДВГТУ,  1998.    С. 45-49.
  10.  Коростылев Л.И., Мартынов В.А., Морозов Д.Д. Прочность узлов корпуса судна при статических и циклических нагрузках // Проблемы прочности и эксплуатационной надежности судов: Материалы междунар. конф. –Владивосток: ДВГТУ, 1999. –С. 95-98.
  11.  Коростильов Л.І. Розрахунок міцності та проектування конструктивних вузлів суднового корпусу при змінному навантаженні // Кораблебудування: освіта, наука, виробництво: Матеріали міжнар. конф.: В 2 т. –Миколаїв: УДМТУ, 2002. –Т.1. –С. 196-197.
  12.  Коростильов Л.І. Навантаженість і надійність корпусних вузлів із концентраторами напружень в умовах експлуатації суден // Безопасность мореплавания и ее обеспечение при проектировании и постройке судов: Материалы междунар. науч.-техн. конф. –Николаев: НУК, 2004. –С. 43-45.
  13.  Коростылев Л.И., Суслов В.П. Разработка расчетного метода оценки усталостной прочности корпусных узлов // Проблемы прочности и снижение металлоемкости корпусных конструкций перспективных транспортных судов и плавучих сооружений: Тезисы докладов Всес. науч.-техн. конф. –Л.: Судостроение, 1990. –С. 106-107.
  14.  Коростылев Л.И. Усталостная прочность некоторых узлов судовых корпусных конструкций // Эксплуатационная и конструктивная прочность судовых конструкций: Тезисы докладов науч.-техн. конф. "Бубновские чтения –". –Нижний-Новгород: НПИ, 1991. –С. 42-44.
  15.  Коростылев Л.И., Суслов В.П. Усталостная долговечность конструктивных узлов судового корпуса // Оценка и обоснование продления ресурса элементов конструкций: Тезисы докладов междунар. конф. / Отв. ред. В.Т. Трощенко : В 2 т. –Киев, 2000 - Т.1.–С. 111-112.

Особистий внесок здобувача в працях, що опубліковані у співавторстві 

В основних працях [1, 2] автором сформульовані і обґрунтовані окремі положення методології створення нового розрахункового методу, розроблені критеріальні залежності втоми для типового концентратора. В статтях [8, 11] відкореговано ці залежності, проведено низку експериментів і виконано аналіз результатів. У публікаціях [13, 16, 17] отримано розрахункові формули втомної міцності для узагальненого типового концентратора, розроблено програму розрахунків та експериментів, виконано частину лабораторних і натурних випробувань та проаналізовано результати.

У додаткових публікаціях [2, 13, 15] автором викладено і обґрунтовано окремі положення методології розробки експериментально-теоретичного методу, отримано формули для побудови кривих втоми типового осередку концентрації і наведені приклади. У матеріалах симпозіуму [6] і конференцій [9, 10] розроблені програми експериментальних та теоретичних досліджень, отримана низка експериментальних даних при статичних і циклічних навантаженнях моделей та виконано аналіз результатів.

АНОТАЦІЯ

Коростильов Л.І. Експериментально-теоретичний метод розрахунку втомної міцності суднових корпусних конструкцій. –Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.08.03 –Механіка та конструювання суден. –Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, Миколаїв, 2006.

Дисертація присвячена створенню нового розрахункового методу оцінки втомної міцності корпусних конструкцій суден, який дозволяє здійснювати їх оптимізацію з урахуванням надійності, технологічності і металоємності. При розробці такого методу використано "осередковий" підхід, в якому первинним об’єктом дослідження виступає не конструктивний вузол корпусу, а присутні в ньому типові осередки концентрації напружень.

Виконано класифікацію і складено таблицю типових осередків концентрації. Створено методику, за якою отримані критеріальні залежності втоми для таких осередків з використанням критеріїв утомленості матеріалу. "Прив’язку" цих критеріїв до типового концентратора виконано в одній експериментально встановленій точці. Проведено декілька серій циклічних випробувань моделей з трьома типами осередків концентрації. Отримано великий обсяг інформації про показники довговічності таких концентраторів, що дозволило практично використати критеріальні залежності втоми експериментально-теоретичного методу і підтвердити їх надійність.

Ключові слова: розрахунковий метод, утомна міцність, конструктивний вузол, типовий осередок концентрації, цикл, напруження, довговічність, надійність.  

АННОТАЦИЯ

Коростылев Л.И. Экспериментально-теоретический метод расчета усталостной прочности судовых корпусных конструкций. –Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.08.03 –Механика и конструирование судов. –Национальный университет кораблестроения имени адмирала Макарова, Николаев, 2006.

Диссертация посвящена созданию нового расчетного метода оценки усталостной прочности корпусных конструкций судов, который позволяет осуществлять их оптимизацию с учетом надежности, технологичности и металлоемкости. Основным объектом в этом методе выступает не конструктивный узел, разновидностей которых в корпусе судна имеется большое количество, а их типовой очаг концентрации напряжений. Такой "очаговый" подход позволил существенно уменьшить количество объектов исследования.

Разработана практическая схема реализации экспериментально-теоретического "очагового" подхода к созданию метода расчетной оценки усталостной прочности конструктивных узлов, определяющих прочность конструкции в целом. Среди нескольких важных задач, требующих решения, особо выделено основную –разработку критериальных зависимостей (кривых усталости) для типовых очагов концентрации напряжений. Выполнена классификация таких очагов в конструктивных узлах. Основными классификационными признаками принято форму и разновидность нагружения. Составлена таблица типовых очагов концентрации, общее количество которых близко к двадцати.

Разработана процедура определения эксплуатационной нагруженности узлов на основании действующих "Норм прочности". Получены простые расчетные формулы для определения параметров номинального нагружения узлов днищевых и палубных перекрытий в продольном и поперечном направлениях.

Сформулированы принципиальные положения, в соответствии с которыми разработаны критериальные зависимости усталостной прочности для обобщенного типового очага концентрации напряжений. В их основу положены деформационные и силовые критерии усталости материала, "привязка" которых к типовому очагу выполнена в одной точке. Координаты этой точки устанавливаются по результатам усталостных испытаний моделей с концентраторами данного типа при конкретных геометрических параметрах. Упомянутые зависимости содержат специальную функцию, которая отражает влияние геометрических параметров концентратора на показатели его долговечности. Указаны пути построения такой функции с демонстрацией их практической реализации для конкретных случаев.

Проведены испытания при циклических нагрузках нескольких серий моделей с тремя типами очагов концентрации. Получен большой объем данных о показателях усталости исследуемых объектов, что позволило оценить влияние на их усталостную прочность уровня номинальных напряжений и основных геометрических параметров, а также обосновано установить координаты точки "привязки" усталостных критериальных зависимостей. Для трех типовых очагов с различными геометрическими параметрами построены кривые усталости, надежность которых подтверждена многочисленными экспериментальными данными.

На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований разработана приближенная формула для определения теоретического коэффициента концентрации напряжений в типовом очаге "излом стенки". При указанных условиях полученную формулу рекомендуется использовать для решения различных прочностных задач.

Базируясь на критериальных зависимостях для обобщенного типового очага концентрации и линейной гипотезе суммирования усталостных повреждений, изложен экспериментально-теоретический метод расчета усталостной прочности конструктивных узлов, а также практические методики определения циклической долговечности, параметров номинального нагружения и проектирования конкретного очага. Применение двух методик показано на примере узла с одним очагом концентрации. Сравнение полученных результатов с экспериментальными данными подтвердило надежность разработанных методик.

Критериальные зависимости экспериментально-теоретического метода расчета усталостной прочности конструктивных узлов применены к решению практических задач, связанных с усталостной прочностью узлов эксплуатирующегося танкера. На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований показано, что в рассматриваемых узлах с качественными сварными швами невозможно возникновение усталостных трещин за весь эксплуатационный период. Причиной появления трещин могут быть значительные дефекты сварных швов.

Ключевые слова : расчетный метод, усталостная прочность, конструктивный узел, типовой очаг концентрации, цикл, напряжение, долговечность, надежность.

SUMMARY

Korostylov L.I. Experimental and theoretical method of the design of ship hull structures fatigue strength. –Manuscript.

The thesis for the scientific degree of doctor of engineering science by the speciality 05.08.03 –Mechanics and designing of ships. –National University of Shipbuilding named after Admiral Makarov, Mykolayiv, 2006.

The dissertation is devoted the development of a new valuation method of fatigue strength of hull structures which enables to optimize the reliability criterion taking into account technologeness and metal capacity. The approach was based on the concept of typical stress concentration centers but not structural detail in the hull being the primary object of the research.

Their classification and the table of typical concentration centers have been compiled. The methodology of obtaining criterial relationships of the concentration centers applied the criteria of material fatigue. "Binding" of these criteria to the typical concentrator is carried out in one experimental point. The serieses of cyclical tests for the models of three types of concentration centers has been made. A considerable amount of information about indications of fatigue life consentrators has been obtained. It enables to apply the fatigue criterial relationships of experimental and theoretical method and confirm its reliability.

Keywords: design method, fatigue strength, structural detail, typical concentration center, cycle, stress, fatigue life, reliability.

Другие работы

Тема- Рынок инновационной продукции Научнотех...


В основе такого подхода лежит современное понимание сущности технологии которая включает в себя как технические средства систему соответствующих...

Подробнее ...

.Причины конфликтов в современной Африке.


Причины конфликтов в современной Африке. После распада биполярности и уменьшения интереса ведущих государств к Африке в этой части мира появилась...

Подробнее ...

.Кровь циркулирующая в сосудах выполняет пере...


Защитная ? осуществление неспецифического и cпецифического иммунитета; свертывание крови предохраняет от кровопотери при травмах. Осмотическое д...

Подробнее ...

биологического факультета Уральского государс...


пункт Область ОУ № код участника Таблица ответов Задания 1 2 3 4 5 Задание 6 Задание 7 Задание 8 Задание 9 Задание 10 Задание 11 Задание 12 Задан...

Подробнее ...