СОДЕРЖАНИЕ
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ............................................4
ВВЕДЕНИЕ...........................................................6
ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ГО АСВП.........................12
1.1 Особенности конструкции несущего комплекса АСВП с ГО
баллонетного типа................................................12
1.2 Обзор работ по исследованию ГО АСВП.........................14
1.3 Основные проблемы проектирования ГО.........................20
1.3.1 Материалы ГО.............................................20
1.3.2 Внешние силы, действующие на ГО..........................23
1.3.3 Методики моделирования ГО................................24
1.4 О связи физического и вычислительного экспериментов при
проектировании ГО СВП............................................24
1.5 Формулировка задач исследования.............................26
ГЛАВА 2 ПОСТАНОВКИ ЗАДАЧ АЭРОГИДРОУПРУГОСТИ И
ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛЬНЫХ НАГРУЗОК ДЛЯ АСВП С ГО БАЛЛОНЕТНОГО ТИПА..................................................27
2.1 Математическая модель тонкостенной оболочки :...............27
2.1.1 Определяющие соотношения нелинейной теории оболочек 27
2.1.2 Метод конечных элементов в анализе тонкостенных
оболочечных конструкций........................................31
2.1.3 Методы интегрирования уравнений статики и динамики 34
2.1.4 Модель надувной оболочки.................................37
2.2 Математическая модель турбулентного течения двухфазной
жидкости с границами раздела сред................................39
2.2.1 Осредненные уравнения Навье-Стокса и составная модель
турбулентности Ментера.........................................39
2.2.2 Основные принципы численной реализации...................44
2.3 Моделирование взаимодействия ГО баллонетного типа с потоком
жидкости в составе несущего комплекса АСВП.......................47
2.3.1 Математическая формулировка задачи взаимодействия упругого
тела и потока жидкости.........................................47
2.3.2 Вычислительные аспекты решения связанных задач теории
оболочек и аэрогидродинамики вязкой жидкости...................48
2.3.3 Тестирование алгоритма решения сопряженных задач в АЫБУБ
МесИашсЫ-АЫБУБ СБХ.............................................53
2.3.4 Постановка задачи аэрогидроупругости бортового ГО в составе несущего комплекса АСВП при движении по водной поверхности 59
2.3.5 Постановка задачи аэроупругости носового ГО при действии на
него набегающего потока воздуха................................61
2.4 Моделирование предельных нагрузок на ГО и корпус АСВП при
движении по твердой поверхности..................................63
2
2.4.1 Вычислительные подходы к моделированию взаимодействия упругой пневматической оболочки с твердой поверхностью....63
2.4.2 Постановка задачи определения предельных нагрузок на ГО и корпус АСВП при движении по твердой поверхности...........63
ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МАТЕРИАЛОВ ГО. ТЕСТИРОВАНИЕ МЕТОДИК РАСЧЕТА ГО...............................66
3.1 Механ ические характеристики материалов ГО..................66
3.1.1 Определение механических характеристик материалов ГО 66
3.1.2 Свойства материала ГО после эксплуатации................69
3.2 Задача о сжатии пневмобаллона...............................72
3.2.1 Лабораторный эксперимент по сжатию пневмобаллона........72
3.2.2 Сопоставление экспериментальных данных и результатов численного расчета........................................74
3.3 Расчетно-экспериментальное исследование формы бортового ГО....77
3.3.1 Описание натурного эксперимента по определению формы бортового ГО..............................................77
3.3.2 Вычислительный эксперимент по определению формы бортового ГО баплонетного типа......................................78
ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ГО БАЛЛОНЕТНОГО ТИПА АМФИБИЙНЫХ СВП..................................81
4.1 Моделирование несущего комплекса АСВП при учете упругости элементов ГО..................................................81
4.1.1 Модели элементов несущего комплекса АСВП................82
4.1.2 Результаты решения задачи аэрогидроупругости бортового ГО баллонетного типа.........................................85
4.1.3 Результаты решения задачи аэроупругости носового ГО 88
4.2 Анализ предельных нагрузок на корпус и ГО баллонетного типа при движении по модельной пересеченной местности..................91
4.2.1 Результаты моделирования препятствия «уступ»............93
4.2.2 Результаты моделирования препятствия «бревно»..........100
4.2.3 Обсуждение и оценка полученных результатов.............104
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................107
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.................................109
3
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
Перечень принятых обозначений
Ои - водоизмещение судна полное, т.
1п - длина воздушной подушки, м.
Ви - ширина ВП, м.
<2 - расход воздуха в ВП, м3 /с.
Рп - среднее давление в ВП, Па.
Рвя - давление в баллонете верхнего яруса гибкого ограждения, Па.
рня - давление в баллонете нижнего яруса гибкого ограждения, Па.
Ивя - радиус цилиндрической части баллонета верхнего яруса, м.
Яия - радиус цилиндрической части баллонета нижнего яруса, м.
с/ - клиренс судна на воздушной подушке (расстояние от экрана до жесткого корпуса), м.
Иу - высота препятствия типа «уступ», м.
к - безразмерная высота препятствия типа «уступ»
Яу - радиус препятствия типа «бревно», м.
К - безразмерный радиус препятствия типа «бревно»
4
Перечень принятых сокращений
ANSYS CFX CFD комплекс вычислительной гидрогазодинамики
ANSYS Mechanical универсальный конечноэлементный комплекс
вычислительной механики
FSI взаимодействие «жидкость-твердое тело» (fluid-solid
interaction)
ANSYS AUTODYN программный расчетный комплекс, предназначенный
для решения задач нестационарной нелинейной динамики
АСВП амфибийное судно на воздушной подушке
ВП воздушная подушка
ВЯ верхний ярус
ГО гибкое ограждение
ДП диаметральная плоскость
КЭ конечный элемент
ЛБ левый борт
МКО метод конечных объемов
МКЭ метод конечных элементов
НДС напряженно-деформированное состояние
НЯ нижний ярус
ОП основная плоскость
ПБ правый борт
ПВХ поливинилхлорид
СВП судно на воздушной подушке
ЦТ центр тяжести
ЭВМ электронная вычислительная машина
5
ВВЕДЕНИЕ
Амфибийные суда на воздушной подушке (АСВП) за свою более чем столетнюю историю не только прочно заняли определенную нишу в современной транспортной системе, но и стремительно расширяют и укрепляют свои позиции на рынках пассажиро- и грузоперевозок. Амфибийность, высокая скорость, отсутствие необходимости в специально оборудованных причалах, независимость от погодных условий и, как следствие, почти круглогодичный период эксплуатации подобных судов, являются уникальными преимуществами АСВП над другими видами транспорта. Немаловажной особенностью транспорта на воздушной подушке является также более высокая, по сравнению с альтернативными транспортными средствами, эффективность грузоперевозок в условиях труднодоступных регионов Крайнего Севера, Сибири и Дальнего Востока, а также мелководных районов, включая шельфы Северного Ледовитого океана и Каспийского моря.
На сегодняшний день АСВП решают широкий круг задач по транспортировке грузов и пассажиров, выполнению патрульных и спасательных операций как в общегражданских, так и военных целях. Положительный опыт проектирования, производства и эксплуатации АСВП имеется как в нашей стране, так и в Канаде, Великобритании, США, Австралии, Финляндии, Китае [117].
Особую актуальность развитию АСВП придает стратегия Российской Федерации по использованию Арктической зоны в качестве ресурсной базы, декларированная в «Основах государственной политики РФ в Арктике на период до 2020 года и дальнейшую перспективу» [40]. Применение АСВП в Арктической зоне связано с целым рядом задач в логистической инфраструктуре объектов нефте- и газодобычи и, согласно исследованиям ЦНИИ им. А.Н.Крылова [58], экономически целесообразно. Согласно этим же исследованиям ближайшие перспективы развития амфибийного транспорта связаны
6
также с решением задач пассажиро- и грузоперевозок в труднодоступных регионах Севера, Сибири и Дальнего Востока.
Эксплуатация в суровых условиях ставит перед проектантами, помимо обеспечения ходовых и амфибийных качеств, жесткие требования по надежности, ремонтопригодности и безотказности разрабатываемых АСВП. Из опыта проектирования и эксплуатации подобных судов [4, 13, 15] известно, что наиболее важной и ответственной системой АСВП является гибкое ограждение (ГО) воздушной подушки (ВП), решающее задачу формирования области повышенного давления под корпусом судна. ГО АСВП испытывает внешние аэрогидродинамические нагрузки от ВП и набегающего потока, а также динамические нагрузки, зависящие от опорной поверхности, по которой движется судно (вода, снег, лед, песок, камень и т.д.). Эксплуатация АСВП и, следовательно, функционирование ГО происходит в широком диапазоне температур (от -40°С до +40°С), характеризуется воздействием ультрафиолетового излучения, разъедающим действием морских солей и присутствующих в воде нефтепродуктов. Средняя эксплуатационная наработка наиболее уязвимых элементов классического ГО современных серийно выпускаемых АСВП составляет от 300 до 1000 часов [117] и является следствием комплексного и неоднородного воздействия всех вышеперечисленных факторов. Вместе с тем, вклад ГО в себестоимость производства серийных АСВП составляет по различным оценкам от 5% до 13%. Относительно невысокие эксплуатационные характеристики и высокая себестоимость ГО АСВП оказывают влияние на рынки продаж и на развитие амфибийного транспорта на воздушной подушке в целом.
Основные проблемы, возникающие при проектировании ГО АСВП, можно условно разделить на три группы:
1. Материалы ГО. Применяемые в конструкции ГО преимущественно композиционные материалы состоят из армирующего слоя, обеспечивающего прочность, и обкладочного покрытия, предназначенного для защиты от истирания и обладающего газонепроницаемостью. Физико-механические свойст-
7
ва подобных материалов различны в направлениях нитей основы и утка. Прочностные характеристики материала в значительной степени зависят от условий эксплуатации ГО и имеют тенденцию к снижению с течением времени. Необходимы экспериментальные и расчетные методики для определения механических характеристик композитных материалов ГО, моделирования процессов накопления повреждений и разрушения. Это позволит получать адекватные математические модели и иметь возможность выдвигать требования для разработки новых материалов. Сегодня если такие методики и существуют, то являются коммерческой тайной ограниченного числа фирм;
2. Внешние силы и форма ГО. Форма ГО, как гибкой конструкции, зависит от действующих нагрузок, и наоборот, действующие нагрузки зависят от формы ГО. Поэтому задача определения формы ГО и действующих на ГО сил является связанной и должна решаться в рамках аэрогидроупругости. На текущий момент известные расчеты внешних сил, действующих на ГО АСВП, основываются на уравнениях равновесия плоского сечения конструкции ГО в конечном состоянии и являются весьма приближенными;
3. Расчетные модели. Разработка надежных методик расчета прочности и формы ГО на ранних стадиях проектирования СВП связана с необходимостью учета нестационарного характера действующих сил и сложной пространственной геометрии ГО, учета контактного взаимодействия элементов ГО, как между собой, так и с опорной поверхностью. Для проектных задач ГО АСВП характерна геометрическая нелинейность. Большинство имеющихся методик расчета формы рассматривают лишь плоское сечение ГО. Введение множества допущений и упрощений расчетных схем ведет к не вполне адекватной оценке нагрузок, действующих на ГО, и делает на сегодняшний день ГО наименее изученной и, следовательно, наиболее уязвимой конструкцией АСВП.
Методы физического модельного и натурного экспериментов при всех их преимуществах имеют известные недостатки: дороговизну, длительность
8
и неполную информативность в части изучения детального поведения элементов ГО при действии реальных нагрузок. В последние годы интенсивно развивается направление, ориентированное на создание математических моделей объектов на основе современных численных методов механики сплошной среды и суперкомпьютерных технологий. В дополнение к аналитическим и экспериментальным методам исследования в проектирование внедряется метод вычислительного эксперимента. Сущность метода математического моделирования на ЭВМ и его главное преимущество состоят в замене исходного объекта соответствующим математическим аналогом и дальнейшим экспериментированием над ним с помощью вычислительно-логических алгоритмов. Такой путь позволяет оптимизировать затратную технологию проектирования, сократить сроки создания техники, удешевить сами проекты и поднять их качество.
Для изучения процесса функционирования ГО АСВП в полном объеме необходимо привлечь нестационарную аэрогидродинамику, теорию упругости, теорию колебаний, динамику движения. В отсутствие высокопроизводительных вычислительных средств описанная проблема решалась приближенно. Такой путь не позволял надежно проводить предварительную комплексную научную проработку, поэтому он был ориентирован на последующую экспериментальную доводку изделия на основе испытаний опытных или головных образцов новых СВП.
В диссертационной работе с использованием методов вычислительного и физического эксперимента изучаются процессы взаимодействия ГО АСВП с водной и воздушной средами, а также с твердой опорной поверхностью. Теоретическая часть исследований проводится в трехмерной нестационарной постановке с учетом нелинейностей, как в упругой, так и в аэрогидродина-мической частях задачи. Такой подход позволяет более точно приблизиться к описанию физики реального процесса и позволяет вплотную подойти к нормированию нагрузок на ГО.
9
Целью работы является выбор и тестирование схем расчета статики и динамики ГО баллонетного типа АСВП, позволяющих формировать рациональную аэрогидродинамическую компоновку судна и осуществлять оценку прочности конструкции ГО.
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, а также списка литературы из 120 наименований.
Первая глава содержит обзор известных исследований по расчету формы и прочности ГО АСВП. Определены основные проблемы, стоящие в настоящее время при проектировании ГО. Приведен обзор литературы по решению задач расчетов формы и прочности ГО, динамике движения СВП. Отмечены особенности конструкции несущего комплекса АСВП с ГО баллонетного типа. Поставлены и сформулированы задачи диссертационного исследования.
Во второй главе представлены теоретические основы расчета ГО баллонетного типа, базирующиеся на трехмерной геометрически нелинейной модели оболочки и модели турбулентного течения двухфазной жидкости. Рассмотрены подходы к решению задачи аэрогидроупругости с использованием современных комплексов вычислительной механики и аэрогидродинамики. Предложенный алгоритм по решению задач аэрогидроупругости протестирован на модельной задаче, имеющей аналитическое решение. Изложены методы решения задач динамики ГО на твердой поверхности с учетом контактных взаимодействий.
В третьей главе приводятся результаты определения механических характеристик композитного материала ГО. Также в данной главе содержится расчетно-экспериментальное обоснование выбранных методик расчета элементов ГО. Приводится сопоставление результатов стендовых и натурных испытаний с результатами соответствующих вычислительных экспериментов.
Четвертая глава включает в себя результаты моделирования задач статики и динамики ГО баллонетного типа на примере компоновок серийных
10
- Київ+380960830922