ПРЕДЕЛЬНЫЕ И КРИТИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ
В связи с тем, что значения внешних воздействий на ванто-стержневую систему (действие со стороны ветра, действие со стороны волны и пр.) однозначно точно определить не имеется возможным, вводится понятие предельной и критической нагрузок.
Обозначим совокупность найденных ветровых нагрузок расчётным методом заложенным в основу программы MAST через предельную силу QV. Введём понятие критической силы QКР. Это наибольшая ветровая нагрузка, при которой начинается потеря устойчивости запроектированной формы хлыста мачты (прямолинейной или изначально изогнутой (технологическая погибь)) и за счет сжимающих усилий в ней резко снижается общая жесткость конструкции.
Если теперь соотнести критическую нагрузку QКР к предельной QV, то мы получим соотношение характеризующее запас по устойчивости мачты:
Q = QКР / QV
Значение данного соотношение носит название коэффициента запаса по устойчивости, который в большинстве случаев должен приниматься большем или равным 1.5 (Q ³ 1.5)
Требуемое превышение критической нагрузки по сравнению с предельной как минимум в 1.5 раза обусловлено неучетом при вычислении QКР динамического характера ветровой нагрузки, перегрузок при ударах корпуса о волну и других не поддающихся учету факторов.
Оправданность такой величины сформировалась опытом. С помощью выше описанной методики СПбГМТУ были выполнены проверочные расчеты прочности и устойчивости мачт для нескольких яхт, активно и безаварийно эксплуатирующихся на протяжении нескольких десятков лет. Были выбраны конкретные серийные яхты отечественной (типы Л-6 и ЛЭС-35) и польской (типы KARTER-30 и CETUS) постройки, имеющие различные схемы рангоута-такелажа. Для них были определены нагрузки и фактические запасы прочности и устойчивости рангоута и такелажа. Подобные расчеты проводились и для других яхт из указанных серий, а также для других типов яхт и судов с целью накопления и осреднения результатов. Однако уже сейчас расчеты показывают, что надежные конструкции обладают, например, запасом устойчивости в пределах 1,4-1,6. Это подтверждает ранее принимаемое в расчетах по описанной методике значение 1,5. В то же время анализ аварийных мачт подтверждает их недостаточную надежность либо по устойчивости (0,6-0,9), либо по прочности рангоута.
|
|
|
Таким образом, найденное значение Q характеризует надежность мачты и определяет усилия и напряжения в ее элементах и тросах стоячего и бегучего такелажа в момент потери общей устойчивости конструкции. По этим усилиям и напряжениям проверяется прочность хлыста мачты и ее элементов, прочность и устойчивость краспиц, а также прочность тросов стоячего и бегучего такелажа и конструкции степса и путенсов
|
|
|
Останавливаясь более подробно на этом вопросе, отметим следующие соотношения и понятия:
Совокупность нагрузок QV при которой происходит потеря устойчивости системы (QV - в данном случае примера предельная нагрузка) характеризуется значением восстанавливающего момента MV. Если система может выдерживать ветровые нагрузки более QV, то это означает, что величина восстанавливающего момента возрастает (отметим новый момент как MN). Между измененными нагрузками и моментами существует зависимость, определяемая соотношением:
Учитывая коэффициент k, мы можем определить значение для новой скорости вымпельного ветра, при котором начинается потеря устойчивости:
Введённые соотношения позволяют найти значение критической нагрузки в виде зависимости от предельной. Также находится значение для скорости вымпельного ветра. При их превышении система перестаёт обладать требуемым запасом устойчивости и становится “экстремальной”.
МЕТОДИКА ДАННОЙ РАБОТЫ
Используя приведённую методику СПбГМТУ, мы рассматриваем конструкцию яхтенной мачты в упрощенном виде, как ванто-стержневую систему. С помощью программы «MAST» и реальных размеров мачты – получаем значения ветровых нагрузок, действующих на мачту при указанных в расчёте эксплуатационных характеристиках. Далее, с помощью программы «FESTA», мы строим модель системы и производим её нагружение полученными усилиями в программе «MAST». Расчёт на прочность программой «FESTA» позволяет определить коэффициент запаса по устойчивости, а также значения действующих напряжений и деформаций в сечениях конструкции.
|
|
|
Следующим шагом работы является задача исследования характера и величин напряжений, возникающих в конструктивном узле соединения краспиц с хлыстом мачты, при различных условиях работоспособности ванто-стержневой системы судна.
Для этой цели производится геометрическое трёхмерное моделирование данного узла с помощью полнофункциональной системы автоматизации проектных работ « Creo Parametric [ProE ngineer ]». Проектирование последнего производилось на основе реально существующих и применяемых конструкций геометрии указанного соединения в парусном спорте.
Полученная модель конвертируется в универсальный расчётный комплекс конечно-элементного анализа « Ansys ». В данном комплексе производится нагружение граничных сечений рассматриваемого конструктивного узла усилиями, полученными в соответствующих точках конструкции в программе « FESTA ». Далее следует анализ полученных напряжений, их характера.
|
|
|
РАСЧЁТ ВЕТРОВЫХ НАГРУЗОК
За основу для данной диссертации была взята модель реальной мачты, используемой на яхтах класса «Конрад-25». Построение геометрической модели производилось на основе имеющихся чертежей указанной конструкции [8], правил класса «Четвертьтонник 2012» [9].
Следуя указанной выше методике, первоначальной задачей стал вопрос определения ветровых нагрузок действующих на ванто-стержневую систему яхты при её эксплуатации. Для этого использовались программа «MAST», а также значения размеров системы, ретранслированные из чертежей. В качестве условий расчёта принято, что лавировка яхты происходит при полной парусности, курсом бейдевинд в 30 градусов.
В связи с неопределенностью действительной величины восстанавливающего момента яхты, ветровые нагрузки определены для скорости вымпельного ветра V10=10 м/с. Вычисление нагрузок выполнено программой «MAST» при следующих данных:
| Общие данные | Данные по мачте «Грот» | ||
| Длина корпуса (LOA) | 7.65 (м) | Ширина мачты | 0.08 (м) |
| Высота борта (FBIS) | 0.83 (м) | Высота мачты (от палубы) | 10.6 (м) |
| Количество мачт | 1 (шт.) | ||
| Количество передних парусов | 1 (шт.) | Высота от палубы до гика (BAS) | 1.24 (м) |
| Восстанавливающий момент яхты (max) | неизвестен | Координата пяртнерса координата Xp | 0.00 (м) |
| Ct для грота и бизани | 0.00 | Наклон мачты | 0.00 (гр) |
| Cn для грота и бизани | 1.40 | Коэффициент трения в ликпазе | 0.20 |
|
| |||
| Данные по фор-штагу | Данные по парусу «Стаксель» | ||
| Высота переднего треугольника (IG) | 8.46 (м) | Длина передней шкаторины (LF) | 8.10 (м) |
| Длина переднего треугольника (J) | 2.62 (м) | Длина перпендикуляра (LPG) | 3.85 (м) |
| Площадь сечения штага | 0.20 (см2) | Расстояние от путенса до галсового угла (L0) | 0.03 (м) |
| Начальное натяжение штага (Ti) | 0.00 (кг) | Ордината шкотового угла (Ys) | 1.00 (м) |
| Координаты (Xf) = штаг-путенса (Zf) = | 2.62 (м) | Аппликата шкотового угла (Zs) | 0.05 (м) |
| 0.05 (м) | |||
|
| Пузатость стакселя | 1:10 | |
| Плотность ткани | 4000 (кг/м) | ||
| Данные по парусу «Грот» | Эксплуатационные данные | ||
| Длина передней шкаторины (P) | 9.27 (м) | Скорость ветра (max) | 10 (м/с) |
| Длина нижней шкаторины (E) | 3.65 (м) | Присутствием спинакера | нет |
| Пузатость грота | 1:10 | Угол установки грота | 0 (гр) |
| Плотность ткани | 5000 (кг/м) | ||
Значения нагрузок действующих на паруса, ванто-стержневую систему с учётом бегущего такелажа, полученные программой «MAST»:
| Общие данные |
| Среднее давление на паруса 6.25 (кг/м2) |
| Скорость вымпельного ветра 10.00 (м/с) |
| Данные по парусу «Грот» |
| Усилия в грото-фале R = 141 (кг) |
| Усилия в грото-шкоте Rv = -136 (кг) Rh = 172 (кг) |
| Усилия в гике Rx = 135 (кг) Ry = 0 (кг) |
| Распределённая нагрузка Qx = -0.146 (кг/см) по длине мачты «Грот» Qy = 0.081 (кг/см) |
| Данные по парусу «Стаксель» | ||||
| Rx | Ry | Rz | Rsumm | |
| Усилия в фор-штаге | 136 (кг) | 43 (кг) | -568 (кг) | 586 (кг) |
| Усилия в стаксель-шкоте | -94 (кг) | 33 (кг) | 54 (кг) | 113 (кг) |
| Усилия в стаксель-фале | 24 (кг) | 0 (кг) | -78 (кг) | 82 (кг) |
| Распределённая нагрузка по длине фор-штага Q = 0.147 (кг/см) | ||||
Также, с помощью программы «MAST», были получены схематичное изображение размеров и положения парусов по отношению к габаритам корпуса яхты, изображения центров парусности каждого паруса и общий центр парусности. Данную схему можно найти в приложении к работе.
| № | Парус | F | Х | Z | Luff | Foot | Leech |
| 1 | Грот | 16.9 | -1.26 | 5.07 | 9270 | 3650 | 9963 |
| 2 | Стаксель | 16.0 | 0.45 | 3.50 | 8300 | 4022 | 8110 |
Координаты общего центра парусности:
Xc = -0.42 (мм) Zc = 4.30 (мм)
F - Результативная сила в центре парусности, (кгс)
X - Координата центра парусности по X, (м)
Z - Координата центра парусности по Z, (м)
Luff - Длина передней шкаторины, (мм)
Foot - Длина нижней шкаторины, (мм)
Leech - Длина задней шкаторины, (мм)
Расчётный файл программы «MAST» можно найти в приложениях к данной работе [файл 1]. Справа - схематичное изображение геометрии парусов судна.
Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 224; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!