|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
Глава 3. ВНЕШНИЕ НАГРУЗКИ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА МБУСтр 1 из 8Следующая ⇒
Глава 3. ВНЕШНИЕ НАГРУЗКИ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА МБУ Характеристика внешних условий эксплуатации МБУ Рациональное проектирование МБУ, как и любого инженерного объекта, требует решения трех взаимосвязанных задач. Во-первых, необходимо найти внешние нагрузки, действующие на МБУ при ее эксплуатации, а также, в случае стационарной платформы, возводимой в море, и во время ее строительства (внешняя задача). Во-вторых, требуется спрогнозировать реакцию на эти нагрузки конструкций и, если МБУ устанавливается на грунте, то и основания, т. е. найти внутренние напряжения, деформации и перемещения (внутренняя задача). В-третьих, ставится задача определить, какие состояния МБУ можно классифицировать как безопасные, а какие относятся к опасным (задача нормирования). Перечисляемые задачи не обязательно формулируются и решаются в явном виде при проектировании конкретного инженерного объекта. Во многих случаях разработчики базируются на рекомендациях и требованиях, содержащихся, например, в нормативных документах, таких как Правила классификации PC и постройки или Строительные нормы и правила (СНиП). Однако в любом случае преследуется цель спроектировать и построить МБУ, способную противостоять неблагоприятным внешним воздействиям, т. е. с заданной вероятностью (надежностью) оставаться в состоянии, классифицируемом как безопасное. Соответственно, данные по внешним природным условиям являются неотъемлемой частью исходной информации, необходимой при проектировании МБУ для определения нагрузок. Перечень характеристик природной среды, которые должны быть определены в ходе инженерных изысканий на континентальном шельфе для проектирования, строительства или реконструкции морских нефтегазопромысловых сооружений и позиционирования ПБУ, содержится в ВСН 51.2–84 " Инженерные изыскания на континентальном шельфе" (М., Главморнефтегаз, 1984, 72 с). Список параметров внешних условий, требуемых для проектирования плавучих МБУ, приводится также в Правилах PC [66]. В соответствии с нормами в программу инженерных изысканий входят инженерно-гидрографические, инженерно-геодезические, инженерно-геологические, инженерно-метеорологические изыскания. Первые два вида включают анализ имеющихся топографических карт и планов шельфа и побережья изучаемого района, морских навигационных карт других доступных материалов, а также проведение гидрографических работ и топографической съемки. В результате составляются карты шельфа, на которых рельеф дна отображается горизонталями или изобатами (линиями равных глубин). Район нефтегазоносной структуры наносится обычно на карту масштаба 1: 25 000 или 1: 50 000, а площадка в непосредственной близости к планируемому местоположению скважины (квадрат размерами 0, 2x0, 2 км) представляется в масштабе 1: 5000 или (при углах наклона дна более 2°) 1: 2000. В ходе инженерно-геологических изысканий выполняется инженерно-геологическая съемка, включающая изучение донных грунтов и грунтовых вод геофизическими методами, бурение скважин с отбором проб и последующим лабораторным исследованием физико-механических свойств грунтов. Частота отбора проб для испытаний зависит от глубины скважины и геологического строения дна. Обычно Интервал между отборами образцов в диапазоне глубин бурения, например, от 0 до 30 м составляет 0, 3 м, а при глубине более 70 м – от 2 до 3 м. Перечень подлежащих исследованию свойств грунтов определяется видами грунтов и дополнительными требованиями, предъявляемыми заказчиком работ. В общем случае в этот перечень входят гранулометрический состав (характеристика размеров частиц, из которых сложен грунт), природная влажность, плотность грунта, прочностные и деформационные свойства, содержание органических веществ, газонасыщение и др. Инженерно-гидрометеорологические изыскания проводятся во всех случаях. В слабо изученном районе их продолжительность должна составлять к моменту разработки проекта не менее пяти лет. Как правило, эти изыскания должны начинаться ранее любых других изыскательных работ и продолжаться непрерывно, включая период проектирования. В соответствии с номенклатурой данных об элементах гидрометеорологического режима должна быть получена информация о ветре, волнении, течениях, температуре воздуха и воды, видимости, уровне воды, ледовых условиях, химическом составе воды, обледенении судов и сооружений. При сборе, анализе и представлении информации необходимо учитывать вероятностный характер пространственно-временной изменчивости рассматриваемых величин, уделяя особое внимание получению экстремальных значений малой обеспеченности, т. е. с малой вероятностью их превышения. Например, для описания ветрового режима требуются: измеряемые на высоте 10 м средние скорости ветра и скорости порывов повторяемостью один раз в 5, 10, 50 и 100 лет; средняя и максимальная продолжительности ветровых ситуаций по интервалам скоростей 0–5, 6–10, 11–15, 16–20, 21–30 и более 30 м/с; помесячная обеспеченность ветра с разбивкой по интервалам скоростей и направлениям; расчетная скорость ветра обеспеченностью один раз в 100 лет в период ледохода; вертикальный профиль ветра в слое до 100 м; сведения по спектральным характеристикам ветра. Организации, проводившие изыскания, подготавливают технические отчеты, которые после их утверждения являются основным источником исходной информации о природных условиях, необходимой для расчета внешних нагрузок на МБУ. Ветровые нагрузки Ветровая нагрузка на конструкции МБУ представляет собой обусловленное перемещением воздушных масс поле воздушных давлений, переменное как в пространстве, так и во времени. Для удобства анализа скорость ветра можно представить в виде суммы двух слагаемых:
где w – мгновенная (истинная) скорость ветра, м/с; а)средняя скорость получается осреднением w(t)за некоторый сравнительно продолжительный период времени (обычно берут 10 мин). Для характеристики пульсаций (порывов) ветра вместо мгновенных значений Dw(t)используется также результат осреднения, но за сравнительно малый интервал времени (принято брать 3 с). При этом для определения скорости порывов ветра в проектных расчетах чаще используется коэффициент порывистости Gw [66], определяемый в соответствии с Правилами PC по формуле
где max(Dw) – максимальное за 10 мин значение пульсационной составляющей, осредненное за 3 с. Средняя скорость ветра переменна в вертикальном направлении, она увеличивается по мере удаления от поверхности моря. Определяющее влияние на характер этой изменчивости оказывает стратификация атмосферы, т. е. распределение температуры воздуха по высоте. Однако для практических расчетов можно пользоваться следующей универсальной формулой из Правил PC [66] (рис. 3.1, б):
где z – высота над уровнем моря, м; Расчеты по формуле (3.3) показывают, что, например, на высоте 20 м средняя скорость ветра больше, чем w10 на 6 %, а на высоте 60 м – на 17 %. В СНиП 2.06.04–82*. " Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов)" (М., ЦИТП Госстроя СССР, 1996, 40 с), заданная таблично закономерность изменения скорости ветра по высоте качественно совпадаем с зависимостью (3.3), хотя количественные значения отличаются.
Рис. 3.1. Изменчивость скорости ветра: а – пример записи мгновенной скорости ветра w (кривая 1) и средней скорости ветра wz (кривая 2) на некоторой высоте z; б – профиль относительной средней скорости ветра kw = В частности, в соответствии с упомянутыми нормами, при z=20 средняя скорость ветра больше, чем Формула (3.3) не применима для описания воздушных потоков в тонком приводном слое, толщина которого сопоставима с высотой волн. Для оценки экстремальных воздействий в качестве исходных данных используется значение скорости w10 редкой повторяемости (в Правилах PC [67] – с повторяемостью не чаще чем 1 раз в 50 лет). Хотя событие, возможное 1 раз в 50 лет, представляется весьма редким, вероятность, что максимальная скорость ветра за время эксплуатации МБУ превысит расчетную экстремальную, оказывается значительной (например, при 25-летней продолжительности эксплуатации эта вероятность равна 40 %). Возможность превышения фактической ветровой нагрузки по сравнению с расчетной учитывается, как и при анализе других воздействий, введением коэффициентов запаса. Значения экстремальных скоростей ветра, которые можно ожидать в районе осваиваемого месторождения, определяются по результатам статистической обработки данных многолетних наблюдений. Подобные наблюдения выполняются на береговых гидрометеорологических станциях, на транспортных и промысловых судах (попутные наблюдения), специализированных экспедиционных судах и др. Необходимую для проектных расчетов информацию об экстремальных скоростях ветра редкой повторяемости можно найти в справочной и нормативной литературе. В табл. 3.1 приведены значения скоростей ветра, заимствованные из Правил PC.
Знание характеристик скорости ветра (как средней, так и пульсационной составляющих) позволяет определить ветровую нагрузку на МБУ. В настоящее время получили распространение экспериментальный и расчетный методы решения этой задачи. При экспериментальных исследованиях изготавливается уменьшенная модель надводной части МБУ, которая затем продувается в аэродинамической трубе. Водная поверхность моделируется твердым экраном, устанавливаемым горизонтально на уровне ватерлинии МБУ. В результате исследований определяются коэффициенты продольных и поперечных аэродинамических сил, задаваемые соотношениями
где Cwx, Cwy, – коэффициенты продольной и поперечной составляющих аэродинамической силы (безразмерные величины); FMwx, FMwy – измеренные в эксперименте продольная и поперечная составляющие аэродинамической силы (ветровая нагрузка) на модель МБУ; r Как правило, выполняется круговая продувка модели, т. е. коэффициенты сил Cwx и Cwy определяются как функции угла набегания воздушного потока aw, меняющегося от 0 до 360°. В ходе исследования также находятся координаты точки приложения аэродинамической силы; наибольший интерес представляет возвышение этой точки, поскольку оно необходимо для расчета кренящего момента. Статическая ветровая нагрузка на МБУ по известным коэффициентам Cwx и Cwy определяется по формулам, вытекающим из формул (3.4):
где Fw, Fwx , Fwy – суммарная ветровая нагрузка и ее продольная и поперечная составляющие; w10 =w10Gw - расчетная скорость ветра на высоте 10 м над уровнем моря; Spx , Spx - площади, определяемые аналогично SMpx, SMpy , но не для модели; а для натурной МБУ. Испытания модели МБУ в аэродинамической трубе преследуют также ряд целей, которые не связаны с определением ветровой нагрузки. В частности, объектом изучения становятся характеристики воздушного потока в верхней части МБУ. Например, данные об ожидаемых направлениях и скоростях воздушного потока в районе вертолетной площадки необходимы для обеспечения безопасной эксплуатации авиационной техники. Определение статической ветровой нагрузки расчетным методом в соответствии с требованиями упомянутых нормативных документов 2.01.07-85, а также ВСН 41.88 " Проектирование ледостойких стационарных платформ" (М., Миннефтепром, 1988, 137 с.) и СНиП 2.01.07-85 " Нагрузки и воздействия" (М., ЦИТП Госстроя СССР, 1986, 36 с.) выполняется по формулам, аналогичным (3.5). Отличие состоит в том, что общая ветровая нагрузка на МБУ представляется в виде суммы нагрузок на отдельные составные элементы относительно простой формы, для которых известны значения коэффициентов сопротивления. Кроме того, учитывается изменчивость скорости ветра по высоте. Например, в соответствии с Правилами PC [67]
где Fw – ветровая нагрузка; Cwi, Si – коэффициент сопротивления и площадь парусности i-го элемента; kwi =(z/10)0, 18 – квадрат сомножителя при Если МБУ имеет относительно большой период собственных изгибных колебаний первого тона (по Правилам PC tl > 130/ w10, где t1 - период колебаний, с; w10 - скорость ветра, м/с), то необходимо учитывать динамичность приложения ветровой нагрузки. В соответствии со СНиП 2.01.07–85 это выполняется домножением нагрузки от пульсационной составляющей скорости ветра [Dw в формуле (3.1)] на коэффициент динамичности, варьирующийся от 1, 2 до 2, 8. Нагрузки от течений Морские течения, представляющие собой поступательное движение водных масс, возникают вследствие воздействия ветра, неравномерности поля атмосферного давления или поля температуры и солености воды, а также из-за ряда других факторов, действующих в тех или иных сочетаниях. Однако наибольший практический интерес применительно к оценке воздействия на МБУ представляют ветровые и приливно-отливные течения. При ветре касательные напряжения на границе между воздухом и водой вызывают поступательное движение частиц жидкости, скорость которого максимальна у поверхности моря и составляет обычно не более 15 % от скорости ветра на высоте 10 м. С глубиной скорость ветрового течения убывает приблизительно линейно (рис. 3.2, а), достигая нуля у дна акватории, либо на глубине около 100 м – в зависимости от того, что меньше:
где Vт – скорость течения на горизонте z; Vmax – скорость течения вповерхностном слое воды; Н0 - min {l00, Н}; H – глубина акватории. Причиной приливов и отливов и сопровождающих их течений является притяжение Луны и Солнца. Это объясняет наиболее характерное свойство приливно-отливных течений – их периодичность. Наиболее выражены периоды 12 и 24 ч (полусуточный и суточный приливы). За это время частицы жидкости в открытой части моря совершают движение в горизонтальной плоскости по траектории, близкой к эллиптической. Наблюдается также период 14 сут: в полнолуние и новолуние, когда Солнце и Луна находятся на одной линии с Землей, прилив самый высокий (сизигийный) и амплитудное значение скорости течения максимальное; в промежуточных положениях прилив наименьший (его называют квадратурным). В открытом океане размах приливных колебаний уровня воды не превышает 1 м. В прибрежных районах эта величина больше. Особенно значительны приливы в бухтах и заливах, между островами. Например, в Пенжинской и Гижинской губах Охотского моря прилив равен 13 м. Такая же тенденция характерна для амплитудных значений скоростей течения. Скорость течения может достигать 3 м/с и более. Распределение скорости приливно-отливного течения по глубине водоема (рис. 3.2, б) может быть описано с помощью следующей формулы:
Обозначения в формуле (3.8) такие же, как и в (3.7). Для оценки величин гидродинамических нагрузок от течения, так же как и для определения ветровых нагрузок, используются экспериментальные и теоретические методы. При экспериментальных исследованиях изготавливается модель МБУ, которая размещается в специальном опытовом бассейне. В некоторых бассейнах может одновременно моделироваться и волнение, и течения. Основным результатом испытаний являются максимальные гидродинамические силы и моменты в функции от угла генерального направления распространения волн и/или течения (данные испытаний на нерегулярном волнении представляются в виде спектральных плотностей сил и моментов, действующих на МБУ). Целью экспериментального исследования может быть также анализ процессов размыва грунта в месте опирания МБУ на грунт. Эта информация необходима, в частности, для оценки устойчивости сооружения на грунте. Теоретические методы определения гидродинамических нагрузок могут основываться как на аналитических решениях уравнений динамики жидкости, так и на численных моделях гидродинамики. Нагрузка от течения обычно рассчитывается таким же образом, как и аэродинамическая сила. Полная гидродинамическая сила представляется в виде суммы нагрузок на отдельные составные элементы сооружения относительно простой формы, а сила на каждый элемент МБУ представляется в виде произведения скоростного напора, площади проекции элемента
Рис. 3, 2. Эпюры скоростей течений: а – ветрового; б – приливно-отливного (Vmах – максимальная скорость течения; Н – глубина моря)
конструкции и коэффициента сопротивления для этого элемента. Таким образом, расчетные формулы, приведенные в параграфе 3.2, в полной мере применимы и к расчету нагрузок от течения. Разумеется, в формулы должны быть подставлены значения констант для воды, а не для воздуха: плотность морской воды составляет 1025 кг/м3, коэффициент кинематической вязкости при температуре 20°С - 1, 053× 10-6 м2/с. Отличие коэффициентов кинематической вязкости воды и воздуха должно учитываться при назначении коэффициентов сопротивления, поскольку коэффициент сопротивления, как это указывалось ранее, является функцией числа Рейнольдса, зависящего в свою очередь от вязкости среды. Волновые нагрузки Задача определения величин волновых нагрузок входит составной частью в комплексную проблему расчета и обеспечения прочности и эксплуатационной надежности конструкции МБУ. В отличие от других видов нагрузки, волновые нагрузки обусловлены случайным процессом нерегулярного волнения, что влечет необходимость привлечения вероятностных методов и методов математической статистики для прогнозирования этого вида нагрузок и оценки вызываемых ими напряжений. Волновые напряжения входят отдельной компонентой в общую сумму напряжений от других воздействий, в том числе напряжений в корпусе на тихой воде. Отметим, что волновые воздействия на корпус МБУ являются дополнительными к нагрузкам на тихой воде. На тихой воде на корпус МБУ, так же как на корпус судна, действуют силы веса и силы поддержания. Результатом расчета является распределение гидростатических давлений на погруженную, в общем случае, многоконтурную поверхность. Учет волнения, как одного из видов внешних сил, задача традиционно актуальная для судостроителей и достаточно полно разработанная для судов. В случае МБУ данная задача является более сложной, так как следует оценить воздействие волнения на трехмерную конструкцию, состоящую в общем случае из понтонов, колонн и раскосов. Расчет прочности состоит в переходе от величин волновых нагрузок к величинам напряжений в связях конструкций корпуса ПБУ, оценке напряженно деформированного состояния (НДС) корпуса, т. е. к выходным реакциям корпуса на действие входного процесса волнения не в виде внешних нагрузок, а в виде внутренних напряжений. Корпус судна в расчетах прочности обычно идеализируется балкой переменного сечения, для которой преобладающей деформацией является вертикальный изгиб (изгиб в диаметральной плоскости) Для оценки НДС такой конструкции достаточно знать вызывающие этот изгиб вертикальные волновые изгибающие моменты в сечениях корпуса, которые по сути являются интегральными от волновых давлений по ширине и длине корпуса (балки) волновыми нагрузками. Для такой идеализации легко осуществляется прямой непосредственный переход от расчетных значений волновых нагрузок в сечениях корпуса (волновых и изгибающих моментов и перерезывающих сил) к значениям волновых напряжений в продольных конструктивных связях на основе элементарных зависимостей сопротивления материалов. При этом преобладающий компонент - нормальные напряжения в поперечных сечениях (вдоль продольной оси балки). Отметим, что уже учет кручения корпуса судна как балки значительно усложняет задачу, так как в этом случае напряжения зависят не только от значения крутящего момента в данном сечении, но и от его распределения по длине корпуса. Распределение крутящего момента зависит от времени, так как со временем меняется характер волнения по длине корпуса. Для МБУ введение понятия интегральной нагрузки является более условным. Прямой переход от величин волновых нагрузок к величинам напряжений невозможен. Расчет НДС корпуса МБУ на воздействие волнения осуществляется современными численными методами в конкретные моменты времени. Для связей корпуса МБУ невозможно предсказать преобладающий компонент напряжений. В связи со сказанным для ПБУ непосредственный расчет волновых нагрузок в общей проблеме обеспечения прочности является промежуточным этапом. Понятие «расчетные волновые нагрузки» для ПБУ не определено, а вероятностный анализ должен производиться относительно волновых напряжений. Таким образом, задачу расчета волновых воздействий для корпуса МБУ можно сформулировать так: получение вероятностных характеристик волновой компоненты напряжений в основных конструктивных элементах по прочным размерам конструкции и вероятностным характеристикам волнения (см. гл. 5). При анализе волновых воздействий на корпус судна и обусловленных ими напряжений в качестве основной внутренней расчетной функции используется амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) волновых изгибающих моментов. Для аналогичной задачи при проектировании корпуса МБУ непосредственно вводятся АЧХ напряжений аs, i(w) для различных точек корпуса. АЧХ используются для получения спектральной плотности выходного процесса - напряжения Ss(w) по спектральной плотности входного процесса – волнения St(w) при условии линейности системы, или по известной теореме статистической динамики
где w – частота волнения (см. гл. 5); St(w) – спектр стационарного режима волнения конкретной балльности и среднего периода; F(a)– функция, учитывающая распределение волновой энергии по направлениям a, относительно генерального направления распространения волн. Точнее говоря, Ss(w) – псевдоспектр напряжений, так как напряжения изменяются во времени с кажущейся частотой встречи ПБУ и волнения. Для неподвижной ПБУ псевдоспектр и спектр (спектральная плотность) совпадают. В практике прочностных расчетов используются в основном спектр 2-го Конгресса по конструкции и прочности (спектр Пирсона – Московица), спектр JOINSWAP (Joint North Sea Wave Project). Знание спектра или псевдоспектра выходного процесса Ss(w) позволяет вычислять такую важную характеристику случайной величины, как дисперсия D напряжений или среднеквадратичное отклонение волновой компоненты напряжений от уровня напряжений на тихой воде – стандарт напряжений (D )0, 5. Знание стандарта позволяет найти краткосрочное и долговременное распределения напряжений, т. е. величины напряжений разной обеспеченности (вероятности превышения). В современной практике проектирования МБУ задачи оценки волновых нагрузок и расчета прочности решаются раздельно (как и для судов), при этом нагрузки определяются в предположении абсолютной жесткости корпуса, учитывая только его перемещения как жесткого целого - качку. В задаче о волновых нагрузках корпус рассматривается как твердое тело, имеющее шесть степеней свободы. На воздействие найденных нагрузок производится оценка прочности конструкций корпуса ПБУ как сложной многократно статически неопределимой упругой конструкции, что возможно только с использованием современных численных методов. В зависимости от используемого подхода к определению НДС (стержневая или пластинчатая конечно-элементная идеализация) должен быть использован тот или иной вид волновых нагрузок. Если используется пластинчатая идеализация для элементов корпуса ПБУ (рис. 3.3), то волновое воздействие задается в виде волновых давлений по смоченной поверхности и инерционных сил масс ПБУ при качке, распределенных по объему корпуса в конкретные моменты времени. При использовании стержневой идеализации (рис. 3.4) воздействие задается в виде интегральных характеристик указанных давлений и сил по ширине в поперечных сечениях (вертикальные и горизонтальные интенсивности распределенных нагрузок) – вертикальной qy , горизонтальной qz , крутящего момента mкр также для конкретного отрезка времени. Рассмотрим зависимости для определения волнового давления: p = p1+p2+ p3 + p4 +p5, (3.10) где р– суммарное волновое давление; слагаемые р1 – р5описаны ниже. Компоненты давления, обусловленные собственно волнением: р1 – давление в набегающей волне, «крыловская» составляющая давления, которая определяет так называемую главную часть возмущающих сил; р2 – дифракционная составляющая давления.
Рис. 3.3. Пластинчатая конечно-элементная модель корпуса ППБУ (а)и детальный вид модели, использующей оболочечные конечные элементы (б)
Рис. 3.4. Преобразование давлений в систему погонных нагрузок в поперечных сечениях (а)и приложение погонных нагрузок к стержневой конечно-элементной модели корпуса ППБУ (б): qy, qz – вертикальная и горизонтальная нагрузки; mкр – крутящий момент Компоненты давления, вызванные качкой ППБУ: р3 – инерционно-демпфирующая составляющая; р4 – инерционно-массовая составляющая; р5 – дополнительная гидростатическая составляющая, обусловленная перемещением при качке. Разбиение общей волновой нагрузки на сумму отдельных составляющих является приближенным и обосновано только для линейных задач. Интегрированием давления по смоченному контуру l(х)(рис. 3.5) можно получить волновые вертикальные и горизонтальные погонные нагрузки и волновой скручивающий момент в сечениях корпуса
где qyволн(x, t) – горизонтальная волновая погонная нагрузка по длине смоченной поверхности; qzволн(x, t)– вертикальная волновая погонная нагрузка в сечениях х по длине смоченной поверхности; ткрволн(х, t) – крутящий волновой погонный момент. Переход к погонным нагрузкам рационален в случае, когда одно из главных размерений существенно больше других (например, ППБУ катамаранного типа). При решении задачи в линейной постановке контур интегрирования l{х)соответствует смоченному контуру на тихой воде, который зависит от рассматриваемого состояния ПБУ. ОХ – ось, параллельная наибольшему главному размерению, OY и OZ – оси координат, связанные с корпусом (см. гл. 5). Интенсивности qy, qz
Рис. 3.5. Воздействие волн на корпус ППБУ (а)и эпюра гидростатического давления на наружный контур поперечного сечения при действии волнения (б
cчитаются положительными при совпадении их направления с направлениями соответствующих осей координат, положительные крутящие Моменты ткрнаправлены против часовой стрелки, если смотреть из начала координат в положительном направлении оси ОХ. Интенсивности погонных нагрузок так же, как и суммарное давление, можно представить в виде суммы аналогичных составляющих, поэтому, не теряя общности проблемы, достаточно рассмотреть компоненты суммарного волнового давления р1 – р5. Давление р1определяется в предположении, что на каждую точку погруженной поверхности корпуса ППБУ действует такое дополнительное давление (по отношению к давлению на тихой воде), какое было бы в этой точке и при отсутствии корпуса, т. е. в предположении, что наличие корпуса не влияет на поле давлений в набегающей волне. Это давление определяет ту часть возмущающих сил, которая называется также " крыловской" составляющей, так как впервые указанная гипотеза для ее определения была предложена Л. Н. Крыловым. Главная часть возмущающей волновой нагрузки составляет основную часть суммарного волнового воздействия на корпус. Волновое давление р1в точке (х, у, z)в момент времени t определяется заданной системой волн в виде зависимости
где zв - уравнение волнового профиля в системе координат, связанной с корпусом ППБУ; е-kz – множитель, учитывающий затухание волновых движений воды с увеличением глубины (поправка Смита); k – волновое число. Уравнение волнового профиля при получении АЧХ имеет вид
где wk – кажущаяся частота, которая вычисляется по положению и скорости ПБУ относительно волнения; k1 = kcose, k2= ksine, e – курсовой угол; r0– полувысота волны. Дифракционная составляющая давления р2 обусловлена возникновением дифрагированных волн, отраженных от корпуса ПБУ, как препятствия на пути распространения основной системы волн. Задача дифракции волн на корпусе плавучего сооружения – самая сложная проблема в общей задаче оценки гидродинамических давлении на корпус. В общем виде зависимость для компоненты давления р2 может быть выражена как функция нескольких переменных:
Отметим, что дифракция уменьшает суммарную возмущающую вертикальную нагрузку и возмущающий крутящий (кренящий) момент и увеличивает горизонтальную возмущающую нагрузку. Инерционно-волновая нагрузка – составляющая давления
где Ледовые нагрузки Моря, окружающие территорию Российской Федерации, являются замерзающими. В некоторых из них (например, Черном, Азовском) ледяной покров возникает не каждый год. В арктических морях лед образуется ежегодно, а на части площади акватории не тает даже летом. Даже в наиболее теплом из российских арктических морей – Баренцевом – лед достигает толщины более 1, 5 м. В отличие от ледяного покрова озер, морской лед редко бывает ровным на значительной площади. Вследствие взаимного перемещения ледяных полей по краям взаимодействующих льдин образуются торосы – навалы льда, общая высота которых (включая надводную и подводную части) может превышать 20 м. Обломки льда в торосах первоначально удерживаются только силами трения, тяжести и плавучести. С течением времени внутри тороса на уровне ватерлинии образуется консолидированный слой, представляющий собой прослойку монолитного льда переменной толщины при среднем значении толщины до 5 м и более. Как правило, именно воздействие на МБУ торосистого образования является при определении ледовых нагрузок расчетным сценарием, т. е. тем сценарием, при котором ледовые нагрузки будут наибольшими. Как показывает анализ, практически во всех случаях проектные ледовые нагрузки на МБУ, предназначенную для эксплуатации в Арктике, превышают значения всех остальных нагрузок (волновых, аэродинамических и др.). Поскольку 85 % разведанных запасов углеводородного сырья на континентальном шельфе России приходится на арктические моря, и более 10 % — на дальневосточные моря, для которых также характерны тяжелые ледовые условия, становится очевидной необходимость в надежных методах определения ледовых нагрузок на МБУ. Одним из используемых в настоящее время способов исследования взаимодействия льда с конструкциями является проведение модельных испытаний. Такие эксперименты проводятся в специальных ледовых бассейнах, которые отличаются от традиционных гидродинамических бассейнов наличием систем охлаждения, позволяющих поддерживать температуру воздуха в помещении до -20 °С и ниже. При отрицательных температурах намораживается лед, называемый моделированным. Требования к этому льду вытекают из теории подобия, являющейся теоретической базой модельных испытаний и дающей соотношения, по которым результаты экспериментов могут быть пересчитаны на натуру. В частности, из этой теории вытекает, что предел прочности моделированного льда должен быть во столько раз меньше натурного льда такой же толщины, во сколько модель МБУ меньше натурного объекта. Таким образом, основные усилия исследователей при создании моделированного льда направлены на приготовление льда с пониженной по сравнению с натурным льдом прочностью. Для этого либо вместо воды используются растворы различных химических соединений, либо лед, по мере его нарастания, насыщается пузырьками воздуха или формируется из снежно-ледяной смеси. В некоторых случаях используются материалы, по своему химическому составу не имеющие ничего общего со льдом (например, воскоподобные массы, испытания с которыми можно проводить при комнатной температуре). Тем не менее, ни одна из существующих технологий не позволяет получить моделированный лед cо свойствами, в полной мере отвечающими требованиям теории подобия. По этой причине пересчет результатов модельных испытаний на натуру всегда сопровождается погрешностями, уровень которых практически невозможно проконтролировать. В ходе экспериментов модель МБУ протаскивается сквозь поле моделированного льда или, что реже, поле льда надвигается на модель. Основными результатами опытов являются значения глобальных ледовых нагрузок (модельные испытания не позволяют определить локальные давления льда, необходимые для проектирования металлоконструкций корпуса). Дополнительной целью исследования может быть оценка геометрических характеристик навалов льда перед сооружением. Эт Популярное:
|
Последнее изменение этой страницы: 2017-03-03; Просмотров: 1207; Нарушение авторского права страницы
(3.1)
– средняя скорость ветра, м/с; Dw – пульсационная составляющая скорости ветра. По результатам измерения мгновенной скорости ветра w (рис. 3.1, 
(3.2 
(3.3) 
(3.4)
(3.5
(3.6) 
(3.7 ) 
(3.8)
(3.9)
(3.11)
(3.12)
(3.13)
(3.14)
(3.15)
– ускорения и скорости при качке.