Расчетное прогнозирование уровней вибрации

Содержание

1. Расчетное прогнозирование уровней вибрации

2. Расчетная часть

3. Список использованной литературы

Расчетное прогнозирование уровней вибрации

Целью расчетов является определение уровней вибрации палуб помещений в местах пребывания экипажа и пассажиров.

Расчету подлежат продольная и вертикальная составляющие вибрации в октавах со среднегеометрическими частотами 2, 4, 8, 16, 31, 5 и 63 Гц, полностью определяющие вибрационные условия обитания на судах. Расчет производится для спецификационных вариантов загрузки судна на основных эксплуатационных режимах.

В качестве основных источников вибрации в судовых помещениях рассматриваются:

- работающие гребные винты;

- главные малооборотные и среднеоборотные дизельные энергетические установки.

Для судов ледового плавания и ледоколов, помимо вышеуказанных возмущающих сил, учитываются также усилия от ударного взаимодействия корпуса со льдом.

В качестве основного метода расчетов используется метод конечных элементов (МКЭ). Методические указания ориентированы на использование компактных типовых расчетных схематизаций, позволяющих максимально снизить трудоемкость расчета при сохранении достаточной для практики точности. Правила сведения реального корпуса и надстройки к компактным моделям базируются на результатах теоретических и экспериментальных исследований, а также на опыте расчетов по натуроподобным моделям

Структура и порядок расчетов в общем виде представляются следующим образом:

- на первом этапе для оценки возможности возникновения резонансных явлений в диапазоне изменения частот основных гармоник периодических возмущающих усилий выполняются расчеты частот свободных колебаний корпуса судна в целом, надстройки и палуб помещений;

- на втором этапе выполняются расчеты уровней вынужденной вибрации палуб обитаемых помещений и оценивается их допустимость;

- на третьем этапе (при необходимости) разрабатываются рекомендации по применению конструктивных или других мероприятий, направленных на снижение уровней повышенной вибрации, оценивается эффективность и достаточность принятых для этого в каждом конкретном случае мер.

Расчетное прогнозирование уровней вибрации палуб помещений морских транспортных судов

Требования к значениям собственных частот

Морские транспортные суда, как правило, имеют компактную многоярусную надстройку, а в качестве главного двигателя - малооборотный или среднеоборотный дизель. Сопоставление возможных значений низших собственных частот корпуса, надстройки и палуб помещений этой группы судов с диапазоном частот, в котором в процессе эксплуатации судна изменяются частоты возмущающих сил от работы гребных винтов и главных двигателей, позволяет заключить, что основными факторами, определяющими возможность возникновения повышенной вибрации в помещениях, как правило, являются:

- в октавах со среднегеометрическими частотами 2 и 4 Гц - совпадение или близость низших частот свободных вертикальных колебаний корпуса и частот возмущающих сил первого и второго порядков;

- в октаве со среднегеометрической частотой 8 Гц - совпадение или близость первой собственной частоты продольных колебаний островной надстройки и лопастной частоты;

- в октаве со среднегеометрической частотой 16 Гц - совпадение или близость низших собственных частот палуб помещений и частот основных порядков малооборотных дизелей;

- в октаве со среднегеометрической частотой 31, 5 Гц - совпадение или близость низших собственных частот палуб помещений и частот основных порядков среднеоборотных дизелей.

В октаве со среднегеометрической частотой 63 Гц проблем, связанных с нарушением вибрационных условий обитания на судне, обычно не возникает.

В связи с изложенным, к значениям собственных частот указанных конструкций на стадии проектирования предъявляются следующие требования, имеющие целью исключение возможности их резонансных колебаний:

- значения частот первых трех тонов свободных вертикальных колебаний корпуса должны отличаться от частот возмущающих сил и моментов первого и второго порядков на расчетных режимах хода судна не менее чем на 10%;

- значение низшей собственной частоты продольных колебаний (основной частоты) островной надстройки должно отличаться от лопастной частоты не менее чем на 20%;

- значения низших собственных частот набора и настила полей палубных перекрытий помещений должны превышать значения частот возмущающих сил, не менее чем на 30 и 50% соответственно.

Расчеты свободных колебаний

Построение расчетной модели корпуса и надстройки

Для определения собственных частот корпуса и надстройки в качестве основного расчетного метода используется метод конечных элементовПри использовании МКЭ в качестве расчетной математической модели принята плоская пластинчато-стержневая схематизация судна (рис. 1), моделирующая распределение жесткостных и массовых характеристик корпуса и надстройки.

Надстройка

Основными параметрами, влияющими на значение первой собственной частоты надстройки, являются:

- жесткость надстройки на сдвиг;

- массовая нагрузка надстройки;

- жесткость крепления надстройки к корпусу.

Жесткость надстройки на сдвиг определяется, главным образом, наружными боковыми стенками, внутренними протяженными (не менее двух третей длины надстройки) плоскими продольными переборками и, в меньшей степени, палубами ярусов. Суммарные толщины этих связей, включенных в расчетную схему без учета имеющихся в них вырезов (дверей, иллюминаторов, люков и т.д.) и без подкрепляющего их набора, образуют толщины соответствующих пластинчатых элементов. Торцевые стенки надстройки и поперечные переборки в расчетной модели не учитываются. Гофрированные продольные внутренние переборки учитываются с половинной толщиной.

Масса надстройки распределяется по пластинчатым элементам соответствующего яруса. Стержневые элементы, моделирующие жесткость палуб, вводятся с нулевой погонной массой.

Надстройка считается жестко скрепленной с корпусом в узлах, где ее боковые или поперечные стенки оперты на борта или прочные переборки корпуса, доведенные от верхней палубы до двойного дна. В остальных узлах перевязка с корпусом считается податливой и конечная жесткость крепления в узле учитывается введением стержневых элементов с нулевой погонной массой, работающих на растяжение-сжатие. Жесткость стержней при этом вычисляется из предварительного статического расчета соответствующей шпангоутной рамы, загруженной единичной сосредоточенной силой.

Надстройка может быть принята жестко скрепленной с корпусом, если она оперта, по крайней мере, на две поперечные переборки.

Погрешность определения собственной частоты надстройки при использовании плоской расчетной модели не превышает 10%, если боковые наружные стенки ее ярусов лежат в одной плоскости или отстоят друг от друга на смежных ярусах менее чем на 2, 5 м. В случаях, когда указанное отстояние больше 2, 5 м, необходимо использовать пространственную расчетную модель.

Определение основных собственных частот палуб помещений

Методика расчета вибрации палуб помещений рассматривается ниже на примере жилых ярусов надстроек, однако может быть распространена и на палубы помещений, расположенных в корпусе. Палубы ярусов надстроек представляют собой плоские перекрытия, набранные по продольной или поперечной системе набора и разделенные с помощью системы несущих металлических выгородок на ряд полей. Расчету подлежат низшие собственные частоты пластин настила и подкрепляющего набора этих полей. Для некоторых конструктивных типовых вариантов основные частоты этих элементов поля можно определить с помощью аналитических формул.

Расчетное прогнозирование вибрации в помещениях малотоннажных судов. Требования к значениям собственных частот

К данной группе судов относятся рыбопромысловые суда, буксиры, малые ледоколы и пр. К особенностям этих судов следует отнести:

- малое отношение L/B;

- использование в качестве главных двигателей среднеоборотных дизелей;

- небольшие надстройки;

- расположение жилых и служебных помещений в непосредственной близости от машинного отделения.

Основными факторами, определяющими возможность возникновения повышенной вибрации в помещениях, как правило, являются:

- в октаве со среднегеометрической частотой 16 Гц - совпадение или близость низших собственных частот вертикальных колебаний корпуса и лопастной частоты;

Проблема резонансных продольных колебаний надстройки в целом для данной группы судов обычно не возникает.

Основные требования, предъявляемые к собственным частотам корпуса и корпусных конструкций малотоннажных судов, формулируются следующим образом:

- собственные частоты первых трех тонов свободных вертикальных колебаний корпуса должны отличаться от частот возмущающих сил первого порядка от работающих гребных винтов и главных двигателей не менее чем на 10%;

- низшие собственные частоты палуб обитаемых помещений должны превышать частоты возмущающих сил от работы гребных винтов и главных двигателей не менее чем на 30% для балок набора и не менее чем на 50% для пластин настила.
Рекомендации по снижению уровней вибрации в обитаемых судовых помещениях

Настоящие рекомендации имеют целью дать возможность конструктору в процессе проектирования предусмотреть комплекс конструктивных мероприятий, необходимых для обеспечения условий обитания в судовых помещениях, в соответствии с требованиями санитарных норм вибрации. Рекомендации разработаны на основании многолетнего опыта расчетно-теоретических и экспериментальных исследований вибрации на судах различных типов и назначений, а также опыта их практического применения при проектировании этих судов.

Морские транспортные суда

Малотоннажные суда

Опыт измерений показывает, что наиболее часто повышенная вибрация в помещениях надстроек малых и средних судов наблюдается в октавах со среднегеометрическими частотами 16 и 31, 5 Гц. Помимо мер по исключению резонансных колебаний, эффективным способом улучшения вибрационных условий обитания на судах данной группы является виброизоляция надстроек в целом.

В качестве опорных используются резинометаллические, пневматические или пружинные амортизаторы. Спереди и сзади надстройки устанавливаются упорные амортизаторы и страховочные устройства, которые должны воспринимать эксплуатационную нагрузку при качке, а также аварийные нагрузки в случае столкновения судов. Для обеспечения значительного виброизолирующего эффекта все неопорные связи (трубопроводы, электротрассы и т.д.) снабжаются эластичными вставками и компенсаторами. Одним из основных параметров, обуславливающих эффективность амортизации, является собственная частота амортизируемого объекта. В амортизирующих креплениях судовых надстроек эта частота лежит обычно в пределах от 1, 5 до 5 Гц.

Список использованной литературы

1. Прочность судов внутреннего плавания: Справочник. – 3-е изд. Давыдов В.В., Маттес Н. В., Сиверцев И. Н., Трянин И. И.: Транспорт, 1978

2. Давыдов В.В., Маттес Н. В. Динамические расчеты прочности судовых конструкций: учебник. – Л.: Судостроение, 1974

3. Трубина В. С. Динамические расчеты прочности. Методические указания к выполнению заданий 1, 2, 3 по курсу «Динамические расчеты прочности судовых конструкций» - Горький, 1989