Проектирование узла с учетом усталости

Пример

Порядок расчета:

Общая схема расчета следующая:

· Определение маршрутов плавания судна и волновых условий в «квадратах Мардсена»; определение вероятности попадания в конкретные волновые условия

· Расчет спектральной плотности (энергетических спектров) для выбранных (представительных) волновых условий

· Расчет амплитудно-частотных характеристик для волновых нагрузок

· Расчет спектральной плотности волновых нагрузок и вызванных напряжений

· Расчет стандартов для компонентов напряжения для детали конструкции корпуса

· Расчет коэффициентов концентрации напряжений для области предполагаемого развития повреждения

· Композиция долговременного распределения местных напряжений для детали конструкции и определение параметров распределения Вейбулла

· Расчет необходимого сопротивления или оценка долговечности детали конструкции.

Для демонстрации расчета приводится упрощенный пример. Рассматривается деталь конструкции верхней палубы сухогрузного судна “Moormacscan”, характеристики которого:

Lbp = 139 m (458’), B = 20.7 m (68’); H = 13.0 m (41’6”); d = 9.6 m (31’5”), loaded;

момент сопротивления верхней палубы:

W = 30 464 ftinch2 = 59 945 m cm2

Материал – малоуглеродистая сталь класса 235, предел текучести которой (расчетное сопротивление) sт = 235 МПа.

Маршруты судна конкретно не выбираются; предполагается, что судно постоянно находится в Северной Атлантике. Из возможного ряда режимов волнения выбираются три (представительных) режима, которые приняты как эквивалентные всему спектру состояний (см. рис. 1) и характеризуются высотой волны 3% - обеспеченности:

· H3 = 6 m; H3 = 8 m; H3 = 11 m.

· Предполагается, что стационарный режим длится 1 час, и тогда общая длительность представительных режимов, часов в год, соответственно:

· 840; 360 и 72

Расчеты амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) – довольно сложная задача. Для целей иллюстрации можно воспользоваться результатами систематических расчетов АЧХ для изгибающих моментов в вертикальной (диаметральной плоскости и относительных стандартов моментов, приведенных А.И.Максимаджи (Прочность морских транспортных судов. Судостроение, 1976). Относительные стандарты вертикального момента определены в форме

Значения относительных стандартов в зависимости от длины судна и интенсивности волнения (h3) приведены в таблице 1.

Таблица 1. Относительные стандарты изгибающего момента, миделевое сечение

Значения относительных стандартов при разных условиях волнения указывают на их вклад в общую совокупность внешних нагрузок и напряжений. Их значения можно использовать в качестве весовых множителей при выборе представительной композиции волновых режимов, “usage function” (N.Bishop. Vibration Fatigue Analysis in the Finite Element Environment. XVI Encuentro del Grupo Espanol de Fractura, Torremolinos, Spain, 14-16 April 1999). При этом также учитывается повреждающая роль волновых режимов в расчете усталости. Это требует дополнительных комментарий.

Расчет композиции долговременного распределения приведен в таблице 2 с комментариями. Средний период волнения определен по формуле:

Таблица 2. Расчет долговременного распределения напряжений в палубе судна

при изгибе в вертикальной плоскости