Главная > Вибрации в технике, Т. 3. Колебания машин, конструкций и их элементов
НАПИШУ ВСЁ ЧТО ЗАДАЛИ
СЕКРЕТНЫЙ БОТ В ТЕЛЕГЕ
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Пред.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
309
310
311
312
313
314
315
316
317
318
319
320
321
322
323
324
325
326
327
328
329
330
331
332
333
334
335
336
337
338
339
340
341
342
343
344
345
346
347
348
349
350
351
352
353
354
355
356
357
358
359
360
361
362
363
364
365
366
367
368
369
370
371
372
373
374
375
376
377
378
379
380
381
382
383
384
385
386
387
388
389
390
391
392
393
394
395
396
397
398
399
400
401
402
403
404
405
406
407
408
409
410
411
412
413
414
415
416
417
418
419
420
421
422
423
424
425
426
427
428
429
430
431
432
433
434
435
436
437
438
439
440
441
442
443
444
445
446
447
448
449
450
451
452
453
454
455
456
457
458
459
460
461
462
463
464
465
466
467
468
469
470
471
472
473
474
475
476
477
478
479
480
481
482
483
484
485
486
487
488
489
490
491
492
493
494
495
496
497
498
499
500
501
502
503
504
505
506
507
508
509
510
511
512
513
514
515
516
517
518
519
520
521
522
523
524
525
526
527
528
529
530
След.
Макеты страниц

Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше

Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике

ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO

2. НАГРУЗКИ, ВЫЗЫВАЮЩИЕ КОЛЕБАНИЯ СУДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Целесообразно выделить три вида нагрузок, вызывающих установившиеся и неустановившиеся колебания судовых конструкций и корпуса в целом:

1) нагрузки, связанные с неполной уравновешенностью главных и вспомогательных механизмов, с дефектами изготовления гребных винтов, неточностями центрирования и монтажа гребных валов;

2) нагрузки, связанные с работой гребных винтов вблизи корпуса;

3) нагрузки, вызванные воздействием на судно морского волнения.

Нагрузки первого вида. В качестве главных двигателей на современных судах используют турбины или многоцилиидровые дизели. В таких механизмах достигается высокая степень уравновешенности, и они создают весьма незначительные вибрационные нагрузки.

Судно всегда испытывает вибрацию с частотой, соответствующей частоте вращения гребного вала. Ее основные причины — гидродинамическая несбалансированность гребного винта и дефекты изготовления валопровода.

Гидродинамическая несбалансированность гребного винта вызывается различиями в форме и размерах отдельных его лопастей и, следовательно, в величине профильного сопротивления лопастей и развиваемого ими упора. Вследствие этих различий на гребной винт действуют неуравновешенные гидродинамическая сила и момент, векторы которых перпендикулярны оси гребиого вала. Вращаясь вместе с валом, эти сила и момент, передающиеся через подшипники на корпус, создают периодическую нагрузку, изменяющуюся с частотой, соответствующей частоте вращения гребиого виита. К вибрационной нагрузке такой же частоты приводят также неточности, допускаемые при изготовлении гребного вала.

Упомянутые дефекты гребного винта и валопровода имеют случайный характер, и соответствующая им вибрационная нагрузка может быть оценена с использованием нормативных требований к точности изготовления и монтажа движительного комплекса судна [2].

К рассматриваемому виду следует также отиести вибрационные нагрузки, появляющиеся вследствие действия опрокидывающих моментов и активных сил в судовых дизелях. Эти нагрузки возбуждают незначительную вибрацию судна на частотах, кратных частоте вращения гребного вала.

В целом, соблюдение требований к качеству изготовления и монтажа механизмов, валопроводов и гребных винтов обеспечивает с высокой вероятностью, что вибрационная нагрузка первого вида не превзойдет допустимую [10].

Нагрузки второго вида — наиболее существенные источники вибрации судовых конструкций, Вибрационные нагрузки, возбуждаемые идеальным гребным винтом,

работающим за корпусом, можно разделить: а) на нагрузки вследствие изменения упора и профильного сопротивления лопасти в течение каждого оборота винта, что обусловлено неравномерностью поля скоростей потока, набегающего на винт, и экранизирующим влиянием корпуса; эти нагрузки передаются на корпус через подшипники; б) на нагрузки, возбуждаемые также работающим винтом, и определяемые давлениями на поверхности корпуса и выступающих частей судна.

Неоднородность потока, набегающего на винт, создается вследствие нескольких причин, среди которых главную роль играет так называемый попутный поток за корпусом — вызываемое движением судна сложное поле скоростей. Это поле имеет как регулярную составляющую, обусловленную потенциальной частью потока, так и случайную, связанную с турбулентностью, вызванной влиянием пограничного слоя судна.

Осевая (направленная вдоль оси гребного вала) и окружная составляющие скорости регулярной части попутного потока могут быть рассчитаны или измерены с использованием модельного эксперимента. Это позволяет выполнить расчет периодических сил, действующих на винт.

Рис. 1

Осевую составляющую удобно представить в виде

где скорость судна; зависящая от координат в плоскости диска винта составляющая осевой скорости.

В качестве примера на рис. 1 показаны изменения составляющих поля скоростей попутного потока за один оборот лопасти двухвинтового судна. Величины соответствуют точкам на окружности радиуса где диаметр винта. Положительное направление осевой составляющей скорости — в корму, окружной — в направлении вращения лопасти. Начало отсчета углов 6 от оси вращения при вертикальном положении лопасти вверх.

Функции периодические и могут быть представлены в виде рядов Фурье на интервале

При вращении лопасти винта каждая составляющая разложения (2) приводит к гармоническому колебанию скорости потока относительно лопасти с частотой где частота вращения винта,

После обращения определение периодической нагрузки на винт сводится к задаче окружных и осевых гармонических колебаний лопастей в однородном потоке жидкости. При решении такой задачи лопасть следует рассматривать как закрученное относительно толстое крыло конечного размаха и сложной формы в плане и, кроме того, учитывать эффект решетки. Решение подобных задач отличается значительной сложностью, поэтому при расчетах находят применение различные приближенные методы.

Для получения приближенных решений применяют гипотезу стационарности и принимают допущение о двумерном обтекании лопасти и замене ее тонкой колеблющейся пластинкой [2, 15, 19, 22].

Экранизирующее влияние корпуса приводит к дополнительным периодическим изменениям нагрузки на лопасть винта, поскольку при вращении меняется расстояние лопастей от корпуса. Приближенный учет этого обстоятельства выполняется с помощью упрощенного представления формы экрана, например, при замене корпуса бесконечной пластиной [2].

Периодическая составляющая нагрузки на гребной винт с достаточной для практических целей точностью может быть представлена как моногармоническая, изменяющаяся с частотой где число лопастей винта.

Динамическая нагрузка на гребной винт наряду с рассмотренной детерминированной имеет случайную составляющую, связанную с влиянием морского волнения, качки судна и турбулентности попутного потока, Расчет статистических характеристик этой составляющей нагрузки возможен на основе спектральных методов, однако весьма трудоемок и в настоящее время еще не достаточно разработан.

Нелинейные эффекты, обусловленные выходом лопастей из воды при качке судна и кавитацией, значительно усложняют задачу определения динамической нагрузки на винт.

Возмущающая нагрузка второго из отмеченных выше типов, связанных с работой идеального гребного винта за корпусом, имеет вполне детерминированный характер и рассчитывается с использованием имеющихся решений задачи о движении лопасти винта вблизи экранов, создаваемых корпусом судна и выступающими частями [15, 19, 22].

В целом расчеты возмущающей нагрузки второго вида имеют низкую точность вследствие приближенности определения поля скоростей набегающего потока, неучета истинной геометрии винтов и экранов, влияния нелинейных факторов. Поэтому важны натурный и модельный эксперименты.

Нагрузки третьего вида. Динамические нагрузки, связанные с воздействием на судно морского волнения, можно разделить: а) на нагрузки, линейно зависящие от кинематических параметров волнения; б) на нагрузки, определяемые нелинейными эффектами (выходом оконечности судна из воды при качке и последующим ударом днища, погружением носовой оконечности в воду до уровня, на котором имеется значительный развал шпангоутов, заливанием палубы, ударами воли в борта судна и кормовую оконечность).

При определении нагрузок третьего вида морское волнение представляется как последовательность стационарных процессов, спектральная плотность которых зависит от интенсивности волнения, характеризуемой высотой волн -ной обеспеченности и величины среднего периода волн Закон распределения ординат волн принимается нормальным. Широкое применение находит спектр рекомендованный вторым Международным конгрессом по прочности и конструкции судов

Поскольку упругие колебания корпуса вызываются высокочастотными составляющими спектра волнения, расчет амплитудно-частотной характеристики вибрационной нагрузки первого из отмеченных выше типов производится на основе следующих допущений [3]: а) судно не испытывает качки, а его поступательная скорость изменяет лишь частоту нагрузки и не сказывается на ее величине; б) принимаются во внимание только две составляющие: нагрузка, зависящая от давлений в волнах, не возмущенных присутствием судна, и инерционная часть нагрузки, связанной с дифракцией волн возле судна; в) гидродинамические усилия для каждого сечения судна определяются из решения двумерной задачи.

При движении судна навстречу синусоидальным волнам интенсивность нагрузки на корпус может быть найдена по приближенной зависимости

где X — длина волны; ее высота; ширина сечений судна на уровне невозмущенной свободной поверхности воды; плотность воды.

Абсцисса х отсчитывается от середины длины судна (связанная с судном и неподвижная системы координат показаны на рис. 2).

Частота нагрузки со связана со скоростью судна и длиной волны X зависимостью

где частота волны.

Рис. 2

Рис. 3

Значения коэффициента и можно определять по рис. 3 в зависимости от отношений где коэффициент общей полноты подводной части корпуса; коэффициент полноты мидельшпангоута. Величины определяют по формулам

где V — объем; площадь миделевого сечения погруженной в воду части корпуса.

Рис. 4

Рис. 5

Коэффициент зависит от отношений где площадь произвольного сечения погруженной в воду части корпуса. В табл. 1 содержатся предельные значения коэффициента при фики для определения этого же коэффициента при конечных значениях приведены на рис. 4—8,

1. Значения коэффициента при

(см. скан)

При расчете вибрации, вызываемой нагрузкой [см. уравнение (4)], интерес представляют только резонансные колебания, соответствующие первому тону. Поэтому достаточно определить обобщенную силу

где первая форма свободных упругих колебаний корпуса судна. С учетом (4) получается

где

После определения расчет вибрации на встречном нерегулярном Двумерном волнении производится с помощью спектральных методов теории случайных процессов [3, 9]. Расчет характеристик волновых нагрузок второго типа (нелинейных) выполняется с учетом предположения о независимости смещений и скоростей корпуса судна от рассматриваемых нагрузок (расчет в первом приближении).

Необходимое условие появления нагрузок второго типа при движении навстречу Двумерным волнам

где линейное и угловое смещения судна при качке; вертикальное смещение свободной поверхности волны; характерный уровень относительных смещений, при котором нагрузки в сечениях судна становятся существенно нелинейными если определяется нагрузка при ударах днища о волну; если определяется нагрузка, связанная с заливанием палубы, и

Во многих случаях, например при изучении ударов днищем о воду, помимо необходимого условия (8) должно быть сформулировано дополнительное (достаточное) условие, поскольку удар следует не за каждым выходом носовой оконечности из воды.

В качестве дополнительного может быть в этих случаях использовано условие превышения некоторого порогового значения относительной скорости

Величины должны определяться с помощью испытания модели на регулярном волнении [9, 24].

Процессы считаются нормальными и узкополосными.

Рис. 6

Рис. 7

Рис. 8

Амплитуды относительных смещений и скоростей подчиняются закону распределения Рэлея, что позволяет найти вероятность появления рассматриваемой нагрузки (вероятность удара) на данном стационарном режиме волнения;

где — стандарты относительных смещений и скоростей.

Средний интервал между ударами

Определение закона распределения нагрузок второго типа связано с преодолением значительных трудностей из-за нелинейности процесса нагружения. Известные в настоящее время решения [4] имеют низкую достоверность и пока не проверены на практике.

В практических расчетах применяется условный метод, в рамках которого определяется ударная нагрузка для некоторых экстремальных условий. При этом реальное волнение заменяется регулярным с длиной волны, равной длине судна, и высотой, составляющей нормированную долю длины. Рассчитываются качка судна, скорости и перемещения сечений судна относительно невозмущениой поверхности волны. Динамическая нагрузка определяется на основе известных приближенных решений двумерной задачи о погружении тел в жидкость [17].

1
Оглавление
email@scask.ru