РАСЧЁТНЫЙ МЕТОД В ОСНОВЕ ПРОГРАММЫ « MAST »
СОДЕРЖАНИЕ
Введение – 2 стр.
Современные методики проектирования мачт для парусного судна – 3 стр.
Методика СПбГМТУ – 5 стр.
Расчётный метод в основе программы «MAST» - 6 стр.
Расчётный метод в основе программы «FESTA» - 8 стр.
Предельная и критическая нагрузки – 13 стр.
Методика данной работы – 15 стр.
Расчёт ветровых нагрузок – 16 стр.
Расчёт запаса по устойчивости и оценка действующих напряжений – 19 стр.
Трёхмерное моделирование конструкции в программном комплексе Creo Parametric [Pro Engineer] – 22 стр.
Передача созданной модели узла из комплекса «Creo Parametric» в расчётный комплекс «ANSYS» - 26 стр.
Расчёт модели в расчётном комплексе «ANSYS» - 28 стр.
Исследование действующих напряжений в рассматриваемом узле – 31 стр.
Стандартный случай работы узла – 31 стр.
Анализ исследуемой модели – 38 стр.
Анализ исследуемой модели при потере ахтерштага – 42 стр.
Анализ исследуемой модели при потере наветренного бакштага – 45 стр.
Анализ исследуемой модели при потере наветренной основной ванты – 48 стр.
Заключение – 51 стр.
Список литературы – 53 стр.
ВВЕДЕНИЕ
Одной из главных задач в области расчёта и строительства парусного судна, является задача проектирования конструкции его рангоута и такелажа (ванто-стержневая система). Решение этого вопроса отнюдь не является простым, как это может показаться на первый взгляд. Для качественной работы ванто-стержневой системы, конструктору необходимо разрешить проблемы прочности и устойчивости мачты в целом, обращая внимание на работу отдельных фрагментов данной системы. При этом следует учитывать влияние внешних сил, получить которые расчётными методами трудно, а порой и невозможно.
|
|
|
Данная работа является продолжением исследований вопроса общей прочности и устойчивости ванто-стержневой системы парусного судна, которые были приведены в бакалаврской дипломной работе два года назад [1]. Целью данной работы является исследование характера и величин напряжений, возникающих в конструктивном узле соединения краспиц с хлыстом мачты, при различных условиях работоспособности ванто-стержневой системы судна.
Для достижения поставленной цели необходимо разрешить следующие задачи работы:
1. Исследование действующих напряжений в рассматриваемом узле при коэффициенте по запасу по устойчивости ванто-стержневой системы равному единице (случай предельной нагрузки системы) – предельная работа системы.
2. Исследование действующих напряжений в рассматриваемом узле при отсутствии в системе ахтерштага (имитация аварийной ситуации - потеря судном ахтерштага)
3. Исследование действующих напряжений в рассматриваемом узле при отсутствии в системе работающего бакштага (имитация аварийной ситуации - потеря судном наветренного бакштага)
|
|
|
4. Исследование действующих напряжений в рассматриваемом узле при отсутствии в системе основной работающей ванты (имитация аварийной ситуации - потеря судном наветренной ванты)
Актуальность данной работы состоит в отсутствии подобных исследований. Их наличие позволит грамотно подойти к вопросу проектирования данного узла, разрешая вопросы местной прочности, оценки его усталостной долговечности.
Как автор работы, я надеюсь, что полученные результаты, а также описание методики расчёта будут полезными и интересными не только тем, кто профессионально занимается проектированием и постройкой парусных судов, но и яхтсменам – любителям, интересующимся вопросами надёжности ванто-стержневых систем их парусных судов.
СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАЧТ ДЛЯ ПАРУСНОГО СУДНА
Проектирование мачт парусных судов и яхт в настоящее время осуществляется на основе существующих общедоступных правил, например, [2,3], либо с помощью дополнения методик расчёта похожих конструкций [4], либо с помощью оригинальных «фирменных» методик, закрытых для внешнего использования.
|
|
|
В первом случае конструктор имеет дело с нормативными документами, основанными на простых расчетных моделях, не учитывающих многих особенностей работы парусов и рангоута не только спортивных, но и круизных судов и яхт. Принятые здесь запасы прочности и устойчивости элементов конструкции обеспечивают в целом ее надежность, но приводят к неприемлемым показателям по массе и аэродинамическому сопротивлению.
Во втором случае, в качестве конструкторов, как правило, выступают любители парусного спорта, не желающие (не имеющие возможность) платить за расчёт мачты конструкторскому бюро. В указанной методике [4] изменяют некоторые этапы расчётов. Допустим, меняют способы учёта внешних ветровых воздействий, вводят коэффициенты для учёта качки и пр. В итоге, такие конструкции заведомо являются опасными. При этом, даже в традиционные конструкции с целью их упрощения, облегчения и уменьшения стоимости часто вносятся необоснованные субъективные решения, не говоря уже о конструкциях нетрадиционных и экстремальных.
В третьем случае проектировочный и проверочный расчет мачт выполняется фирмой как один из этапов работ по изготовлению рангоута «на заказ». При этом методика расчета представляет собой «черный ящик», а надежность конструкции гарантируется фирмой.
|
|
|
Обобщая суть проблемы отсутствия единой, качественной, нормированной методики расчёта рангоута и такелажа в России, следует отметить и тот факт, что, несмотря на выход новой редакции (утверждено 08.06.2010) [5] Российского Морского Регистра Судоходства, своих официальных правил конструирования рангоута парусных судов и яхт не существует.
Учитывая данные трудности, несколько лет назад, для повышения надежности мачт парусных судов и яхт в СПбГМТУ была создана оригинальная методика [6,7], состоящая из двух компьютерных программ, уточняющих и автоматизирующих весь процесс проектно-проверочных расчетов.
Указанная методика неоднократно использовалась при проектировании и модернизации мачт парусных судов и яхт и хорошо себя зарекомендовала как в вопросах расчёта, так и в вопросах последующей оценки надёжности ванто-стержневых систем.
В 2010 году, данная методика применялась мною в бакалаврской дипломной работе, для исследования вопроса общей прочности и устойчивости ванто-стержневой системы парусного судна [1]. И в данной работе, она вновь взята за основу. Для удобства, назовём её методикой СПбГМТУ.
МЕТОДИКА СПбГМТУ
Методика представляет собой расчёт конструкции ванто-стержневой системы с помощью двух компьютерных программ.
В первой программе «MAST» по данным судна из его мерительного свидетельства вычисляются распределенные и сосредоточенные нагрузки, передающиеся с парусов на рангоут и такелаж. Нагрузки вычисляются как предельные для максимальной остойчивости судна или для заданной скорости ветра. Учитывается курс судна и положение парусов относительно ветра, их число и форма, количество мачт, их парусность и т.п. В программе используется уточненная модель паруса, и дополнительно вычисляются усилия в фалах, шкотах и штагах, площади парусов и центры парусности.
Вторая программа «FESTA» реализует пошаговое нагружение выбранной системы «мачта-такелаж» совокупностью нагрузок, определенных в «MAST». Мачта, краспицы и такелаж моделируются пространственной тросово-стержневой системой с помощью специальных конечных элементов. Имеется возможность задания начального натяжения тросов стоячего такелажа, любого поперечного сечения мачты и краспиц, нелинейных опор, различной связи перемещений в узлах модели, исключения или добавления узлов и элементов модели и др.
В элементах мачт и краспиц учитывается состояние сложного изгиба, сжатия и кручения, а в тросах только растяжения, в том числе и от поперечной нагрузки с парусов. Нагрузка возрастает с заданным шагом в долях от предельной с нулевой до критической, при которой утрачивается устойчивость системы. Превышение критической нагрузки над предельной характеризует запас устойчивости конструкции. На каждом шаге нагрузки вычисляются перемещения, усилия и напряжения в системе, которые могут графически отображаться на дисплее в удобном виде. Запас прочности рангоута и такелажа определяется для предельной нагрузки по допускаемым напряжениям и разрывным усилиям тросов.
РАСЧЁТНЫЙ МЕТОД В ОСНОВЕ ПРОГРАММЫ « MAST »
Основные нагрузки, которые воспринимает мачта, передаются на неё с паруса, посредством рангоута, снастей бегучего и стоячего такелажа. Эти нагрузки можно определить из условия равновесия нагруженного паруса. В отечественной же практике расчёты воспринимаемых мачтой нагрузок происходят на базе накопленного опыта и статистических данных, то есть строгого решения они не имеют.
|
1. Ветровое давление pz распределено по поверхности паруса равномерно;
2. Передняя шкаторина паруса АВ при его нагружении остается прямолинейной;
3. Форма прогиба паруса цилиндрическая с образующей, параллельной передней шкаторине АВ.
4. Наибольший прогиб паруса w макс мал по сравнению с хордой h , т.е. w макс / h £ 0.1.
5. В парусе при нагружении действуют только нормальные радиальные напряжения s r ( r ) вдоль лучей, расходящихся из шкотового угла О.
Отметим, что из введенных допущений, достаточно приближенными будут допущения под номерами 1 и 5. Остальные допущения и обозначения практически полностью соответствуют действительности. Рассмотрим физическую модель паруса как треугольную мембрану малого цилиндрического прогиба с нулевой жёсткостью на изгиб. В виде математической модели нашего паруса будем использовать уравнения Кармана для пластин конечной жёсткости.
Приближенную форму наибольшей хорды паруса можно определить из следующего соотношения:
Теперь, мы можем связать горизонтальное усилие в шкотовом угле Px в ньютонах с давлением ветра pvet в МПа:
Используя известное решение плоской задачи теории упругости о нагружении клина силой в вершине и допущение 5, можно найти вертикальное усилие в шкотовом угле Py и распределение напряжений s r ( x , y )
.
Константы А и В, входящие в s r , зависят от геометрии паруса и соотношения усилий Py и Px :
Из условия равновесия паруса можно дополнительно найти:
- траверзное усилие в шкотовом угле 
, Н
- усилие на фале при коэффициенте трения паруса о мачту -f
, Н
- средние значения составляющих распределенной поперечной нагрузки на мачту
.
Изложенный выше расчётный метод по определению внешних нагрузок был заложен в основу программы “MAST”. Программа была написана для определения нагрузок, действующих на рангоут и такелаж парусного судна. В связи с этим программой учитывается большое количество факторов и параметров, влияющих на данный вопрос.
Исходными данными для расчётов являются схема и размеры парусного вооружения яхты согласно ее мерительному свидетельству, максимальный восстанавливающий момент яхты, расчетная максимальная скорость вымпельного ветра, курс яхты относительно ветра, угол атаки и пузатость парусов, и ряд других параметров.
В результате работы программы для выбранного курса яхты относительно ветра определяются поперечные распределенные нагрузки на хлыст мачты и штаги, несущие передние паруса, сосредоточенные усилия, передающиеся на мачту от гика (и от гафеля, если он имеется), усилия на фалах и шкотах. Указанные нагрузки определяются как наибольшие для заданной остойчивости яхты, если она известна (при этом определяется и максимальная скорость вымпельного ветра на данном курсе). Либо при заданной расчетной скорости вымпельного ветра на данном курсе, если остойчивость яхты точно не определена.
Также программой “MAST” вычисляются площади парусов, положение центров приложения аэродинамических сил на заданном курсе относительно ветра.
Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 213; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!