Выбор параметров накладных листов при ремонте изношенных судовых конструкций (26.04.2012)

Автор: Корявец Андрей Геннадьевич

Рис. 11. Схема соединения накладного листа и подкрепляемой пластины

На рисунке 12 представлена характерная зона с повышенным уровнем интенсивности напряжений. Для рассматриваемого случая максимальное значение интенсивности напряжений равно 3,53 МПа. На кромке подкрепляемой пластины (загруженная кромка) интенсивность напряжений равна 1,83 МПа. Если последние считать номинальными напряжениями, то коэффициент концентрации составит ( = 1,93.

Рис. 12. График распределения интенсивностей напряжений в характерной зоне

Как следует из рисунка 13, уровень интенсивности напряжений падает по мере удлинения накладного листа. В последнем случае ( = 1,49, против ( = 1,93 при относительной длине накладного листа 0,75 от длины подкрепляемой пластины.

Рис. 13. График распределения интенсивностей напряжений в характерной зоне

Было рассмотрено, как изменяться результаты решения, если накладной лист и подкрепляемую пластину рассматривать как единое целое (см. рисунок 14).

Рис. 14. Накладной лист и подкрепляемая пластина как единое целое

Как видно из рисунка 15, с достаточной для практики точностью для данной постановки решения задачи можно воспользоваться монолитной моделью подкрепления накладным листом.

Рис. 15. График распределения интенсивностей напряжений в характерной зоне

Действительно, при соединении листов только лобовым швом ( = 1,88, т.е. расхождение составляет около 2,5%.

Приведенные выше результаты относятся к случаю, когда высота катета сварного шва равна толщине накладного листа. Однако при изменении катета шва по отношению к толщине накладного листа будет изменяться и коэффициент концентрации напряжений.

Далее в работе рассматривались различные варианты отношений высоты катета шва к толщине накладного листа. Отношение изменялось от 1 до 0. Для всех рассмотренных случаев характер эпюр интенсивностей напряжений был эквивалентен эпюре, показанной на рисунке 16.

Рис. 16. Эпюра интенсивностей напряжений

Обработка полученных результатов свелась к приближенной зависимости коэффициента концентрации напряжений от отношения k/S:

где а = 0,020; b = 0,250; с = 0,431; k – высота катета шва; S – толщина накладного листа.

Установлено, что с ростом катета шва снижается коэффициент концентрации напряжений, т.е. его минимальной величине соответствует катет шва равный толщине накладного листа. При этом в соответствие с приведенной зависимостью ( = 3,7, что достаточно много. Однако следует иметь в виду, что это теоретический коэффициент, который выше эффективного коэффициента концентрации напряжений.

Кроме того, в данном случае рассматривалось растяжение пластины с накладным листом. При изгибе пластины под действием поперечного давления на пластину со стороны накладного листа (наружная сторона обшивки) в сварном шве будет иметь место снижение напряжения, что практически безопасно с точки зрения хрупкой прочности. С другой стороны, концентрация напряжений представляет серьезную опасность при циклических нагрузках, приводящих к усталости. Если пластина с накладным листом будет изгибаться под действием пульсирующего давления воды (например, при периодическом пробегании волны вдоль борта), то будет иметь место знакопостоянный цикл изменения напряжения в области сжатия, который наименее опасен с точки зрения развития усталостных трещин.

Опасность могут представлять напряжения от вибрации пластины с накладным листом или ее циклическое растяжение-сжатие при действии волновых моментов. Последнее актуально для пластин палубы и ширстрека. В днищевой обшивке уровень напряжений от общего изгиба корпуса обычно ниже напряжений в настиле палубы. Что касается средней по высоте части бортовой обшивки, где наблюдается интенсивный износ, приводящий к необходимости подкреплений, то здесь напряжения от общего изгиба корпуса минимальны, а интенсивная вибрация возможна только в районе машинного отделения и винта (приблизительно 0,25L в нос от кормового перпендикуляра).

Шестая глава посвящена экспериментальному исследованию вибрации пластин, подкрепленных накладными листами.

Согласно методике А.А. Черного был составлен план эксперимента.

При постановке эксперимента исходили из рассмотрения вибрации «длинной» пластины, которая на большей части длины изгибается по цилиндрической поверхности. В этом случае согласно работе В.В. Давыдова и Н.В. Маттеса допускается рассматривать колебания балки-полоски, как это делалось в главах 2 и 3 при теоретическом исследовании колебаний пластины, подкрепленной накладным листом.

В системе «подкрепляемая пластина – накладной лист» пластина моделировалась полосой длиной рабочей части 600 мм (максимальная длина 700 мм), шириной 30 мм и толщиной 4 мм. Накладной лист моделировался полосой шириной также 30 мм при варьировании длины накладки в пределах 120 – 480 мм (0,2 – 0,8 от длины рабочей части полосы, имитирующей пластину) и толщины накладки в пределах 3 – 6 мм (0,75 – 1,50 от толщины пластины).

Поскольку реальные пластины судового корпуса в большинстве случаев имеют ту или иную погибь (начальную или приобретенную), были проведены опыты на образцах с накладкой, имеющих погибь. Исследования в этом направлении представляют самостоятельный интерес.

На рисунке 17 показаны прямолинейные образцы с накладкой, на рисунке 18 – образцы с накладкой, имеющие косинусоидальную погибь, на рисунке 19 – форма погиби образцов.

Всего для каждой формы погиби было изготовлено по 16 образцов.

Таким образом, испытывались два вида образцов, «прямые» и с начальной погибью трех величин, V1, V2, V3. Исследовались образцы с жесткой заделкой на опоре.

Рис. 17. Прямые образцы без начальной погиби

Жесткая заделка имитировалась путем зажатия образца при помощи стальных губок разрывной машины Р-5 (лаборатория Сопротивления материалов ДВГТУ, ныне ДВФУ).

Рис. 18. Образцы с косинусоидальной погибью

Рис. 19. Форма погиби заготовок образцов

Измерение параметров колебаний осуществлялось с помощью прибора для измерения вибрации фирмы Bruel&Gjaer.

Датчики устанавливались на образец и накладку, что позволяло измерять параметры колебаний обоих элементов. Вибрация возбуждалась ударом по боковой поверхности образца или накладки. Измерялись частоты первого тона собственных колебаний.

Сопоставление результатов аналитического расчета и экспериментальных данных показало:

1. Качественный характер зависимостей собственной частоты колебаний от относительной ширины накладки в обоих случаях одинаков.

2. Во всех случаях расчет частоты по аналитическим зависимостям дает завышенные оценки их величины, т.е. с отклонением в опасную сторону, имея ввиду, что отстройка частот собственных колебаний пластин осуществляется вверх от частот основных источников вибрации. Значительное различие теоретических и экспериментальных данных связано с влиянием трудно предсказуемых технологических факторов.

3. Снижение собственной частоты первого тона, которое наблюдалось в аналитических расчета и расчетах методом МКЭ при относительной ширине накладки b0 > 0,8, сохраняется и по данным эксперимента, за исключением того, что падение частоты по экспериментальным данным происходит при относительной ширине накладок b0 = 0,5 – 0,6. Это можно объяснить погрешностями при проведении эксперимента и технологическими факторами при изготовлении образцов (деформации при резке на гильотине, сварочные напряжения и деформации). Наблюдался недостаточный катет сварного шва и сварочные деформации, которые могут быть причиной этого отклонения.

Далее рассмотрено влияние погиби листа на частоту собственных колебаний первого тона пластины, подкрепленной накладным листом.

Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы:

1. С увеличением погиби пластины и увеличением размеров накладки, частота собственных колебаний возрастает, затем происходит падение частоты до значений, соразмерных со значениями частоты колебаний пластин без начальной погиби.

2. Характер зависимости частоты собственных колебаний от погиби остается неизменным относительно одной из переменных при фиксированном значении второй переменной (b0 или n).


загрузка...