Основы обеспечения прочности корпуса МБУ

⇐ ПредыдущаяСтр 7 из 8Следующая ⇒

За более чем столетний период стальное транспортное судокорпусостроение накопило большой опыт эксплуатации и проектирования корпусных конструкций, который концентрируется в Правилах проектирования и постройки различных классификационных обществ. Опыт строительства и использования МБУ - ответственная инженерная работа, требующая индивидуального подхода, часто качественно новых знаний о взаимодействии технического объекта с окружающей средой и другими элементами системы добычи и переработки УВ. Корпус МБУ – одна из основных составляющих (или подсистем) буровой установки, которая вмещает в себя все остальные подсистемы. Обеспечение надежности корпуса МБУ при эксплуатации непосредственно влияет на эффективность всего комплекса освоения морских нефтегазовых месторождений.

Система обеспечения прочности (безопасности эксплуатации) корпуса любого плавучего сооружения (транспортного или специального судна, МБУ) на стадии проектирования состоит из следующих компонент, которые тесно связаны между собой:

- критерии прочности конструкции – формальные условия, которые должны быть обеспечены при проектировании, строительстве и эксплуатации корпуса. Необходимо отметить, что помимо системы критериев прочности (проектировочных критериев) существует система критериев дефектации (эксплуатационных критериев), оперирующих с величинами износа, параметрами усталостных трещин и остаточных пластических деформаций, применяемая для определения эксплуатационной пригодности конструкции во время очередных освидетельствований и осмотров;

- методы прогнозирования действующих на конструкцию нагрузок, описанные в предыдущей главе. Следует еще раз подчеркнуть, что сложность прогнозирования внешних сил на корпус МБУ заключается прежде всего в их вероятностном характере при действии разнообразных по своей природе внешних воздействий: волнения, ветра, донного грунта, землетрясения и т. д.;

- система нормативных вероятностей отказа по тому или иному критерию отказа. Вероятности отказа – экономическая основа длительной эксплуатации техники в сложных природных условиях, связанная со страхованием технических средств, людских ресурсов и экологических последствий аварии.

Проектировочные критерии отказа формируются на основе анализа возможных опасных состояний элементов корпусных конструкций. При эксплуатации конструкции корпуса МБУ возможны следующие виды опасных состояний:

- появление обширных зон пластического деформирования в узлах отдельных перекрытиях, что ведет к снижению способности конструкции воспринимать дальнейший рост нагрузки.. Это означает, что конструкция при нагружении достигла некоторого предела. По этой причине критерий, связанный с таким состоянием, называется критерием предельного состояния;

- хрупкое разрушение конструктивных элементов, т. е. нарушение сплошности конструкции без заметного роста нагрузки и предварительного образования областей пластического деформирования судо-корпусного материала. Опасно своей непредсказуемостью и часто ведет к катастрофическим последствиям. Этот вид отказа предупреждается повышенными требованиями к материалу корпуса;

- появление и распространение усталостных трещин вследствие цикличности внешнего воздействия (периодичность волновых и ветровых нагрузок);

- потеря устойчивости конструктивных элементов.

Существуют следующие критерии надежности конструкции.

Предельное состояние. Основной признак достижения предельного состояния – достижение максимальными напряжениями в конструкции значения предела текучести судокорпусного материала:

s_max= s_т. (4.1)

Под действующими значениями напряжений в теории упругости понимается некоторая комбинация нормальных и касательных или главных напряжений в точке конструкции. Для сталей в качестве обобщенных напряжений рекомендуется использовать эквивалентные напряжения

(4.2)

где s₁, s₂, s₃ – главные напряжения в точке конструкции. Таким образом, подставляя (4.2) в (4.1), критерий предельной прочности Можно сформулировать в следующем виде:

max (s_eqv) = s_т. (4.3)

Классическая теория проектирования корпусных конструкций использует как меру несущей способности конструкции величину предельной нагрузки Q_пр, т. е. нагрузки, при приложении которой конструкция переходит в предельное состояние. Таким образом, Q_пр– характеристика конструкции, а не внешнего воздействия эксплуатационной среды. Характеристикой внешнего воздействия является величина внешней нагрузки Q. Условие надежной работы конструкции можно записать так:

P(Q> Q_пр)£ P_н, (4.4)

где P(Q > Q_п_p) – вероятность превышения действующей нагрузкой Q пороговой величины Q_пр, . Р_н– нормативная вероятность отказа конструкции. Использование неравенства (4.4) для практического проектирования осложняется тем, что величины Q_п_pи Q случайны и зависят от ряда факторов. Нагрузка Q является случайной по причине стохастического характера внешних условий (высоты волн, скорости ветра, толщины льда, ускорения грунта при землетрясении - см. гл. 3), обусловленного не только разбросом параметров внешней среды, но и вероятностью попадания МБУ в тот или иной режим нагружения за все время эксплуатации сооружения. Предельная нагрузка Q_прявляется случайной из-за разброса свойств судокорпусного материала и случайности технологических факторов (свойства сварных швов, разброс размеров полуфабрикатов и т. д.). Значительную неопределенность в величины Q_п_pи Q вносят применяемые методы расчета как внешних нагрузок, так и напряженно-деформированного состояния конструкции. С этой точки зрения вполне оправдано постоянное стремление к совершенствованию методов анализа прочности конструкций и методов прогнозирования параметров внешних нагрузок, идущее по пути сужения круга априорных допущений, в результате чего уменьшается неопределенность в компонентах неравенства (4.4).

В настоящее время установлено, что изменчивость внешнего воздействия больше, чем изменчивость свойств конструкции. Это обстоятельство привело к тому, что учитывается только случайность нагружения, a Q_прпринимается постоянной. В практике проектирования неравенство (4.4) представляется в более простом виде

Q£ h₁Q_пр, (4.5)

гдеh₁ – коэффициент безопасности, h₁ < 1.

Работу конструкций МБУ не удается описать каким-либо одним режимом нагружения по причине комплексности внешнего воздействия (см. гл. 3), что приводит к преобразованию условия предельной прочности (4.5) к виду

s_eqv_,_S = h₁s_т, (4.6)

где s_eqv_,_S – максимальные суммарные эквивалентные напряжения в конструкции при действии функциональных (рабочих) или экстремальных (режим выживания) нагрузок. Возможна аналогичная запись неравенства (4.6) для напряжений сжатия или касательных напряжений. Значения коэффициентов безопасности, используемые классификационными обществами, приведены в табл. 4.1. Эти коэффициенты позволяют обеспечить вероятность отказа конструкций МБУ по критерию предельного состояния Р_н= 10^-4 -10^-5 для стальных конструкций и Р_н=10^-6-10^-8 для бетонных и стальных береговых конструкций. Вероятности Р_нприведены для одного года эксплуатации.

Таблица 4.1

Коэффициенты безопасности h_ для критерия предельного состояния

	Вид напряжений
Состояние	Эквивалентные, изгиб, растяжение	Касательные	Сжатие
Экстремальное Функциональное	0, 8-0, 85 0, 6-0, 7	0, 53 0, 40	0, 76 0, 57

Критерий устойчивости. Введение этого критерия связано с наличием в составе корпуса МБУ большого количества свободных стержней (распорки, раскосы, стойки), которые работают в том числе и на сжатие. При анализе устойчивости стержней и назначении их прочных размеров используют следующее условие:

s_сж £ h₂s_кр. (4.7)

где s_сж– сжимающие напряжения в стержне; s_кр – критические напряжения; h₂ – коэффициент безопасности по условию устойчивости. Для определения h₂ можно рекомендовать следующую зависимость:

(4.8)

где , Е – модуль упругости материала; l – гибкость стержня l=l/r, l – длина стержня, r – радиус инерции поперечного сечения стержня, , I, S – момент инерции и площадь поперечного сечения стержня соответственно.

Критерий усталостной прочности предназначен для учета при проектировании возможности появления усталостных трещин в отдельных узлах конструкции корпуса. Причиной образования трещины, как правило, являются микродефекты основного материала конструкции и дефекты сварных швов. Скорость распространения трещины зависит от величины амплитуды (размаха) знакопеременных циклических напряжений, количества циклов нагружения, способности материала сопротивляться циклическим нагрузкам, уровня постоянной составляющей напряжений, степени неравномерности (концентрации) поля напряжений в узле, состояния противокоррозионной защиты и т. д. Целью расчетов усталости является определение ресурса (долговечности) конструкции или назначение прочных размеров конструктивных элементов для обеспечения заданного ресурса. Рассмотрим основные факторы, влияющие на усталостный ресурс конструкции, способы их моделирования и подходы к оценке усталостной долговечности элементов корпуса.

Способность материала сопротивляться циклическим знакопеременным нагрузкам может быть описана стандартной кривой усталости (рис. 4.1). Кривая усталости получается на основе статистической обработки усталостных испытаний образцов материала и отделяет область разрушения образцов при нагружении параметрами (s, N)от области неразрушения, как правило, с обеспеченностью 0, 025. Это означает, что 97, 5 % всех испытаний попадает в область выше кривой усталости. Испытания проводятся на базе большого числа циклов (10⁷–10⁸). Уровень напряжений, при котором не происходит разрушения, называется пределом выносливости s_-1.

Основная причина усталостных повреждений узлов конструкции корпуса МБУ – волновые воздействия, которые инициируют циклические компоненты напряжений. Изменение волновой компоненты напряжений во времени представляет собой случайный процесс, параметры которого могут быть определены применением полновероятностной схемы прогнозирования волновых нагрузок и соответствующих номинальных (средних по конструктивному элементу) напряжений в основных конструкциях корпуса (см. гл. 3). МБУ предназначается в большинстве случаев для эксплуатации в определенном районе океана или ряде районов. Это обстоятельство позволяет достаточно точно получать вероятностные характеристики волнения (функции совместного распределения высот волн h_3%, периодов tи курсовых углов j в течение года или сезона. Спектральный анализ статистических данных по волнению и предварительный расчет амплитутудно-частотных характеристик номинальных напряжений позволяют по теореме статистической динамики получать спектральную плотность напряжений и рассчитывать параметры закона долговременного распределения напряжений (рис. 4.2) для каждого основного конструктивного элемента.

Как следует из предыдущего изложения, степень сопротивления материала корпуса циклическому нагружению зависит не только от амплитудных напряжений, но и от количества циклов. По этой причине для дальнейшего анализа усталостной прочности необходимо получить еще одну функцию – зависимость между напряжениями sи количеством циклов п(s)за весь период эксплуатации технического средства. Такая функция п(s)называется блок нагружения и рассчитывается следующим путем:

1. По известным вероятностным характеристикам процесса напряжений s   (t) рассчитываются численно вероятностные характеристики скорости процесса ds(t)/dt;

Рис. 4.2. Долговременный закон распределения напряжений в конструктивном элементе (понтон, стойки, раскосы, распорки). Вероятность представлена на горизонтальной оси в отрицательном логарифмическом масштабе в связи с необходимым анализом в области малых обеспеченностей

2. Для ряда уровней напряжений s₀ определяется вероятность совместного события

, (4.10)

что физически означает вероятность превышения напряжениями уровня s₀.

3. По известным зависимостям вычисляется среднее количество превышений напряжения уровня s₀ в единицу времени (например, в год) п₁(s₀);

4. Блок нагружения за весь период эксплуатации Т лет может быть вычислен как

n(s₀) = Tn₁(s₀). (4.11)

Пример блока нагружения показан на рис. 4.3.

До сих пор рассматривались номинальные напряжения в связях конструкции. Известно, что расчетные максимальные локальные напряжения в соединениях и узлах могут в несколько раз превосходить номинальные. Учет концентрации напряжений в практических расчетах производится с помощью коэффициента концентрации напряжений

(4.12)

где s_max – максимальное напряжение в узле или соединении; s₀– номинальное напряжение.

В настоящее время подход к прогнозированию усталостной прочности в большинстве случаев базируется на гипотезе линейного суммирования усталостных повреждений. Предположим, что конструкция отработала при размахе напряжений s_i количество циклов n_i., Тогда мерой повреждения считается отношение n_i /N(s_i), где N(s_i) – соответствующая точка кривой усталости материала (n_i /N(s_i)– парциальное повреждение). Конструкция считается отказавшей (неработоспособной) в соответствии с критерием усталости, если выполняется равенство

Рис. 4.3. Блок нагружения s_* - пороговое значение малых напряжений (обычно s_*=5 МПа)

. (4.13)

Величина D называется индексом повреждения и используется как измеритель усталостного повреждения, т – количество режимов нагружения. Заменяя конечную сумму (4.13) определенным интегралом, получаем выражение для индекса усталостного повреждения:

(4.14)

где p(s)) – плотность вероятности распределения напряжений; s_{  }, – предел выносливости; s_в – временное сопротивление материала. Вероятность повреждения за заданный временной интервал в этом случае определяется как P(D³ 1). Использование индекса повреждения позволяет прогнозировать ресурс узла или соединения по количеству циклов нагружения. Возможны следующие пути увеличения ресурса:

1. Применение узлов или соединений с низким коэффициентом концентрации напряжений К_е, так как напряжения в выражении (4.14) s = K_es_н, где s_н – номинальные (средние) напряжения.

2. Уменьшение общего уровня напряжений s_н за счет дополнительного «вложения» материала в конструкцию.

3. Использование сталей с более высокой усталостной характеристикой N ( s ).

В заключение следует отметить, что появление усталостной трещины является нежелательным, но не катастрофическим событием. По этой причине нормативные вероятности для критерия усталостной прочности выше, чем для критерия предельной прочности.

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 5 678 Следующая ⇒