Введение к работе
Актуальность. Переход России к рыночным условиям и интеграция в мировую экономику определяют необходимость пересмотра и уточнения ряда положений, связанных с эффективностью и конкурентоспособностью транспортного и рыбопромыслового флота.
Практика технической эксплуатации и ремонтов судов показывает, что отказы (замены) часто концентрируются на ограниченных участках корпуса в районах действия экстремальных нагрузок. Так, для сейнеров 65% отказов корпуса сосредоточено на 22% его поверхности , а для танкеров типа "Самотлор" 95% отказов приходится лишь на 17% его поверхности. Во многих случаях отказы определяются низкой надежностью набора при достаточном уровне прочности обшивки, которая доходит до 80% массы перекрытия, но вынужденно также восстанавливается.
Сказанное происходит на фоне старения и трудностей обновления российского флота, массовой продажи и списания судов. Чётко обозначилась и нарастает тенденция передачи надзора за проектированием, постройкой и эксплуатацией судов иностранным обществам. Это неизбежно ведет к отдалению российской науки от решения проблем отечественного флота и постепенной утрате ведущих позиций по ряду направлений.
Российский флот эксплуатируется сейчас благодаря запасам надежности, близким к предельным. Это создает уникальную возможность для их изучения и последующего использования в нормативной базе на проектирование и эксплуатацию новых судов. Основным препятствием здесь является отсутствие унифицированной системы сбора, обобщения и анализа сведений о дефектах и отказах.
В условиях традиционного, хотя и условного, разделения проблемы прочности корпуса на общую и местную, последней уделялось значительно меньше внимания. Достаточно оценить структуру Норм прочности, где 50% отведено проверке требований к эквивалентному брусу. Проектированию перекрытий, их элементов уделено ограниченное внимание и преимущественно по расчетам на эксплуатационные нагрузки. Расчеты на экстремальные нагрузки рекомендуются методами теории предельного равновесия (ТПР), которые пока недостаточно развиты для судовых конструкций и почти не отражены в справочно-методической литературе. Параметры таких нагрузок остаются слабо изученными.
Сложившаяся методология проектирования судовых конструкций, наряду с полуэмпирическими подходами, в своей основе использует модели, обеспечивающие хорошие результаты при условиях близких к классическим схемам строительной механики корабля (СМК). Для обшивки это балки-полоски, для набора - стержневая идеализация. Здесь сохраняются классические гипотезы - плоских сечений, присоединенных поясков, отсутствия давлений между фибрами. Такие модели часто в принципе не
способны описать реальные процессы. Например, смятие стенок балок ото льда не может быть описано при допущении об отсутствии давлений между фибрами, концепция присоединенных поясков при локальных нагружениях теряет убедительность, гипотеза плоских сечений "разрушается" при доминировании сдвига над изгибом. Использование этих моделей нередко ведёт к ошибочным представлениям и не позволяет корректно решать задачи обеспечения надежности корпуса.
Коррозия и износ в рамках существующих подходов учитываются упрощенно - суммированием или вычитанием коррозионной надбавки. Формально, вторая половина срока эксплуатации не обеспечивается нормативной базой. Сама концепция коррозионных надбавок не учитывает важную роль местного износа в формировании отказов.
Экстремальные нагрузки с уменьшением обеспеченности могут локализоваться как во времени, так и в пространстве. Степень локализации для разных элементов отлична. Приверженность к традиционным расчетным моделям нередко ведет к довольно грубым упрощениям в представлении расчетных нагрузок и повышает меру их условности в отражении реальных процессов.
С позиций совершенствования проектирования и экспертизы эксплуатационной надежности наиболее актуальны исследования конструкций в области реальных отказов. Необходимость учета здесь больших пластических деформаций, распора и влияния местного коррозионного износа существенно усложняет задачу. Этой области, перекрывающей нормативные отказы и ограниченной реальными отказами, отводится основное внимание данной работы.
Цель работы - повышение эффективности судов на основе развития научно-методического обеспечения для использования резервов эксплуатационной надежности корпусных конструкций.
Исходя из анализа современного состояния проблемы исследований закономерностей физического старения, условий работы и поведения судовых конструкций, определяющих нормативные отказы и разрушения в области больших деформаций, сформулированы следующие основные задачи для достижения указанной цели.
1.Развитие прикладных методов расчета конструкций в области больших пластических деформаций с учетом коррозионного износа и оценка условий, определяющих отказы.
2.Совершенствование на их основе методик расчетного проектирования и экспертизы конструкций в районах экстремальных нагрузок с экспериментальной оценкой погрешностей и проверкой основных положений.
3.Разработка концепции и организационной схемы формирования унифицированного компьютерного банка дефектов и технического состояния корпусов судов, находящихся в эксплуатации.
4.Разработка системы оперативного контроля и управления надежностью корпусов судов на основе выявления резервов, применения подкреплений или эксплуатационных ограничений.
Методы исследований. В работе, наряду с обобщением и анализом литературных источников, использованы результаты натурных исследовании экстремальных условий работы конструкций на судах - "Камчатские горы", "Мыс Юдина", "Зверево". Для проверки основных положении, допущений и апробации полученных решений широко использованы модельные эксперименты. Общее число проведённых испытаний в области больших пластических деформаций и разрушения моделей судовых книц, панелей, балок, пластин, оболочек и перекрытий более 300. Дополнительно использованы результаты экспериментов из литературных источников.
В. процессе обработки экспериментальных и обширных статистических данных по опыту эксплуатации, износам и остаточным деформациям корпусов различных судов (более 100) - от малых сейнеров до линейных ледоколов и плавучих доков - использовались методы математической статистики и теории вероятности.
Для расчетов прочности и деформационной способности конструкций, кроме классических методов СМК, метода конечных элементов (МКЭ), методов '11 if, разработан и широко использован прикладной метод расчета для класса физически и геометрически нелинейных задач. При его тестировании и апробации на основе численных процедур использованы методы нелинейного программирования для поиска экстремумов функции нескольких переменных.
Для экономического анализа мероприятий по повышению надёжности корпусов судов использована теория замены объектов в форме метода оптимизации среднегодовых затрат с учетом дисконтирования.
Научная новизна и основные научные результаты.
1 .На основе анализа условий работы и повреждаемости корпусов судов вскрыты дополнительные закономерности реальных процессов физического старения конструкций, недостаточно учитываемые в практике проектирования и экспертизы надежности. Это высокая степень локальности экстремальных нагрузок, связь с ними скоростей и неравномерности коррозионного износа, влияние последнего на процесс накопления прогибов и приспособляемости к нагрузкам.
2.Показано, что режимы работы судов при проводке за ледоколом "на усах" и швартовке во льдах, явно не учитываемые теорией и практикой проектирования, в значительной мере определяют проблемы надежности и
специфику отказов корпусов судов транспортного и промыслового флота. Для швартовки судов во льдах предложена методика и формула оценки нагрузок, а результаты расчетов позволили объяснить особенности распределения отказов корпусов транспортных и промысловых судов, использующих данный режим в эксплуатации.
З.Разработан и широко апробирован прикладной метод расчета прочности и деформационной способности конструкций с учетом физической и геометрической нелинейностей. Его основы используют идеи метода физической дискретизации (МФД), принципы ТПР и соотношения МКЭ для плоских элементов. Показаны его отличия и преимущества перед используемыми в аналогичных задачах методами сосредоточенных (дискретных, разрывных) деформаций ТПР.
4.Получен ряд решений (формул) для несущей способности книц, панелей, пластин, оболочек, балок и перекрытий за пределами теоретически предельных нагрузок в области нормативных и реальных отказов, составляющих основу методики расчетного проектирования и экспертизы отказов. В большинстве случаев они доведены до уровня простых зависимостей, не связанных с необходимостью итерационных вычислений и удобных для решения экспертных и оптимизационных задач.
5.Выполнены широкомасштабные модельные экспериментальные исследования поведения элементов судовых конструкций из стали и цветных сплавов в области больших пластических деформаций и разрушения, в том числе, с имитацией конструктивно-технологических особенностей и эксплуатационных дефектов. Результаты этих экспериментов представляют самостоятельную ценность, хотя они ставились для решения задач апробации предложенного метода, его допущений и полученных решений.
6.Расчётно-экспериментальные исследования условий разрушения пластин и балок-полосок с учетом дефектов и асимметрии поперечного нагружения позволили получить математическое описание поверхности физического отказа в виде разрыва, показать области и причины наличия резервов относительно существующих представлений.
7.Для сложных задач ударного взаимодействия конструкций получены критерии подобия. Разработана и экспериментально апробирована методика моделирования деформирования и разрушения конструкций при ударных воздействиях.
8.На основе критерия равноопасного состояния по запасу остаточной энергоёмкости получена математическая модель поверхности нормативного отказа в координатах деформационных и коррозионных дефектов пластин судового корпуса. Аналогичный подход использован для обоснования уровня необходимого повышения прочности и методики проектирования подкреплений изношенного набора в районах вмятин.
9.Разработана и реализована в форме компьютерной программы концепция унифицированного банка дефектов, как важнейшего условия
развития теории надёжности и нормирования отказов. Предложена система автоматизированной оценки и прогноза технического состояния корпусных конструкций с учётом ограничений на условия эксплуатации и перспектив реновации корпусов судов.
Практическая ценность работы связана с решением важной научно-производственной проблемы методического обеспечения расчетного проектирования и экспертизы эксплуатационной надежности судовых конструкций, воспринимающих экстремальные нагрузки в изношенном состоянии и при больших пластических деформациях. Результаты исследований обеспечивают возможность анализа работы конструкций за пределами нормативных отказов, выявления и использования резервов прочности и долговечности до наступления физических отказов.
Разработка унифицированного компьютерного банка дефектов, отказов и технического состояния корпусов с учетом методики оперативной экспертизы ориентирована на систему надзора Регистра Судоходства и обеспечивает возможность решения важной народнохозяйственной задачи -повышения надёжности, эффективности и конкурентоспособности флота.
На защиту выносятся следующие основные результаты работы.
1.Методика оценки нагрузок при швартовке судов во льдах.
2.Метод расчета конструкций в области больших пластических деформаций.
3 .Прикладные решения ряда задач на основе указанного метода.
4.Методика определения условий разрыва изношенных пластин.
5.Методика моделирования больших пластических деформаций конструкций
при ударных воздействиях.
6.Концепция унифицированного банка дефектов, технического состояния и
отказов корпусных конструкций судов.
7.Комплексный критерий оценки технического состояния.
8.Методика автоматизированной экспертизы и прогноза техсостояния.
9.Методика экспертизы корпусов судов с учетом ограничений на условия
эксплуатации и перспектив реновации.
Внедрение результатов работы подтверждается более 20 актами и другими документами, приложенными к работе. В частности, это участие в разработке (совместно с сотрудниками С.-ПбМГТУ) рекомендаций по проектированию и экспертизе надёжности ледовых усилений танкера водоизмещением 116000 т американской корпорации AMOCO для условий Арктики.
Разработанная методология в максимальной степени использована при обобщении опыта эксплуатации (за 220 судо-лет), экспертизы надежности и проектных недостатков корпусов полярных танкеров типа "Самотлор" для финской фирмы "Kvaemer Masa-Yard".
Методики расчетов и проектирования ледовых усилений и усилений в районе слеминга использованы ЦНИИ им. акад. АН. Крылова, КВИМУ и Российским Морским Регистром Судоходства для разработки соответствующих разделов Правил классификации и постройки судов.
Методика моделирования деформирования и разрушения конструкций применительно к решению задачи о вынужденной аварийной посадке летательных аппаратов на воду использовалась ЦАГИ им. проф. Н.Е. Жуковского.
Результаты расчетов больших деформаций рамного судового набора использованы ЦНИИМФ для совершенствования нормативных ограничений остаточных деформаций.
Результаты работы в части нормативно-методического обеспечения оценки технического состояния, ремонтов, подкреплений и реновации корпусов использованы для различных судов ДВМП, ДАЛЬРЫБЫ, ВОСТОКТРАНСФЛОТа, ПРИМОРРЫБПРОМа, ВБТРФ, ЛОРПа и др. судоходных компаний.
Результаты работы в части методического обеспечения дефектации и оценки резервов надёжности использовались для стальных плавучих доков Приморского завода, Находкинского СРЗ, Сов.Гаваньского СРЗ.
Методология работы, реализованная в форме нормативно-методических документов и экспертных компьютерных программ, 4 из которых сертифицированы Регистром, апробирована на более чем 100 судах Дальневосточного бассейна.
За первый год эксплуатации унифицированного компьютерного банка DEFHULL его пополнили данные более 30 дефектации корпусов судов.
Результаты работы используются в учебном процессе Морского института ДВГТУ по курсам "Техническая эксплуатация судов", "Основы надежности и диагностики морской техники", "Прочность морских судов", а также в курсовых и дипломных работах, магистерской и кандидатских диссертациях.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных, республиканских и региональных научно-технических конференциях в Ульсане (1998), Сингапуре (1997), Санкт-Петербурге (1982, 1986, 1989, 1994), Нижнем Новгороде (1980, 1982, 1985), Калининграде (1979, 1981, 1984), Николаеве (1983), Казани (1988), Владивостоке (1978, 1981, 1984, 1990, 1992, 1994, 1996); на конференциях ДВГТУ (1979-1996); на специальных научно-технических семинарах: сектора прочности и коррозии ЦНИИМФа (1989, 1991), научно-исследовательской лаборатории ледовых качеств судов КВИМУ (1989, 1991), кафедры конструкции судов ЛКИ (1991), кафедр конструкции судов и проектирования корабля ДВГТУ (1979-1997); на научно-техническом совете Регистра
Судоходства (1997) и технической учебе Тихоокеанской и Приморской инспекций Регистра (1995-1997).
Отдельные фрагменты исследований положены в основу трёх защищенных в Совете ДВГГУ кандидатских диссертаций - автора (1983), Литвинова Ю.Ф. (1986) и Алексюка АА (1997). Ведется работа с аспирантами по подготовке ещё 3 кандидатских диссертаций.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 66 научных работ (30 в соавторстве), в том числе 7 международных (5 в соавторстве) на немецком и английском языках, раздел монографии, 6 методических разработок, выпущено 10 нормативно-методических документов и 30 научно-технических отчетов, получено 1 авторское свидетельство и 4 допуска (сертификата) Регистра на компьютерные программы.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Она содержит 218 страниц текста, 78 страниц с рисунками и список литературы из 355 наименований. Приложения 1-4 объёмом 172 страницы содержат таблицы, рисунки, листинги программ и копии документов, иллюстрирующие внедрение и практическое использование результатов работы.