СУДОСТРОЕНИЕ 3'2000
БОРЬБА С ВИБРАЦИЕИ НА СУДАХ - ЗАДАЧА СОВРЕМЕННОГО СУДОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА
В. Л. Александров, канд. техн. наук (ГУП «Адмиралтейские
верфи»), А. П. Матлах, канд. техн. наук, В. И. Поляков,
канд. техн. наук (СПбГМТУ) удк629.5.018:629.553
Уровень вибрации в обитаемых помещениях судов — один из важнейших показателей комфортности, а значит, и конкурентоспособности на внешнем рынке. Следует отметить, что уровни вибраций, фактически измеряемые в местах пребывания экипажей на танкерах отечественной и зарубежной постройки, часто превышают требования национальных санитарных норм вибрации и международного стандарта ISO 2631/1 [1,2].
Российскими кораблестроителями накоплен большой опыт борьбы с вибрацией на судах различных типов и назначений.
В середине 70-годов в результате создания и развития новых структурных методов (группа методов ортогональной прогонки, метод конечных элементов, метод суперэлементов [3—5]) и появления быстродействующих ЭВМ стало возможным использование при расчетах вибрации многомерных расчетных схем корпусных конструкций с учетом сложных деформационных взаимодействий и различных видов колебаний. Были созданы принципиально новые расчетные методики, позволяющие достоверно прогнозировать уровни вибрации судов различных типов и назначений. Параллельно с созданием расчетных методик, на базе измерительных лабораторий ЦНИИ им. академика А. Н. Крылова и ЦНИИМФ был сформирован банк экспериментально определенных параметров ходовой вибрации судов, что позволило своевременно корректировать создаваемые расчетные методики.
К началу 80-годов в отрасли сложилась система борьбы с повышенной вибрацией на судах, в центре которой находился ЦНИИ им. академика А. Н. Крылова. С участием других научных центров он разрабатывал расчетные методики и программы вибрационных испытаний головных судов, осуществлял авторский надзор за применением расчетных методик в конструкторских бюро, проводил контрольные измерения вибрации на головных судах. ЦКБ-проектант на стадии технического проекта рассчитывало параметры вибрации судна, разрабатывало, в случае необходимости, по согласованию с ЦНИИ им. академика А. Н. Крылова, противовибра-ционные мероприятия и следило за внедре-
нием этих мероприятий в процессе постройки судна. Разумеется, все эти действия выполнялись под наблюдением Регистра СССР. Роль завода-строителя в этой системе была довольно скромной и ограничивалась участием заводской лаборатории в измерениях параметров ходовой вибрации в процессе сдаточных испытаний судна.
Эта система работала весьма эффективно и позволяла в большинстве случаев обеспечить на вновь построенных судах уровни вибрации, соответствующие действующим нормам Регистра СССР. Однако в новых экономических условиях отлаженная система борьбы с повышенной вибрацией оказалась неработоспособной, чему есть как объективные, так и субъективные причины.
К числу объективных причин относятся следующие:
ряд судостроительных заводов приступил к строительству коммерческих судов по иностранным проектам, которые не содержат в своем составе расчеты параметров вибрации (это согласуется с требованиями многих иностранных классификационных обществ);
нередки случаи, когда технический проект судна выполняется одним конструкторским бюро, а рабочий — другим, при этом в ходе рабочего проектирования вносятся изменения, которые могут существенно влиять на динамические характеристики конструкций;
часто в процессе постройки судна по требованию заказчика выполняется внутренняя перекомпоновка надстройки (последнее относится, как правило, к иностранным заказчикам), что влечет за собой изменение собственных частот перекрытий надстройки.
К субъективным причинам можно отнести снижение уровня квалификации специалистов конструкторских бюро отрасли, выполняющих расчеты вибрации на стадии проектирования на судне. А если учесть, что крупнейшие российские верфи планируют в будущем полностью взять на себя техническое и рабочее проектирование новых судов, то становится ясно, что сегодня центр борьбы с повышенной вибрацией судна пе-
б*
ТЕХНОЛОГИЯ СУДОСТРОЕНИЯ И МАШИНОСТРОЕНИЯ
СУДОСТРОЕНИЕ 3*2000
ремещается на судостроительный завод.
ГУП «Адмиралтейские верфи» с 1992 г. ведет систематические работы по созданию эффективного комплекса противовибрационных мероприятий, которые могут активно применяться на стадии строительства танкеров [6].
Анализ параметров ходовой вибрации танкеров 1 8 проектов отечественной и зарубежной постройки показал [7], что основными причинами повышенной вибрации в обитаемых помещениях танкеров являются резонансы основных частот вертикальных колебаний палуб надстроек. Поэтому в ГУП «Адмиралтейские верфи» главным направлением борьбы с повышенной вибрацией на танкерах в местах пребывания экипажа принято исключение названных выше резонансов. Причем упор делается на экспериментальное определение частот собственных колебаний конструкций с помощью процедуры частотных испытаний [8]. Согласно этой процедуре моногармонические колебания испытываемой конструкции возбуждаются с помощью электродинамических вибраторов и фиксируются вибропреобразователями на магнитной ленте. При варьировании частоты возмущающей силы строится амплитудно-частотная характеристика, и собственные частоты испытываемой конструкции идентифицируются по резонансным пикам на амплитудно-частотной характеристике.
В 1994 г. методика частотных испытаний, разработанная с учетом особенностей ГУП «Адмиралтейские верфи», была внедрена в технологический цикл постройки танкеров. Обязательными объектами испытаний стали надстройки в целом и палубы жилых и служебных помещений надстроек. В случае, если собственные частоты испытываемых конструкций оказывались в опасной близости от частот возмущающих усилий, проводились конструктивные и технологические мероприятия по отстройке собственных частот конструкций от частот возмущающих усилий, после чего частотные испытания повторялись с целью проверки эффективности и достаточности внедренных мероприятий. В методике приводились приближенные формулы оценки основных частот испытываемых конструкций, что, по
мнению разработчиков, должно было упростить процедуру ее использования [9].
Четырехлетний опыт применения методики частотных испытаний на танкерах пр. 15966 и пр. 17120 показал ее несомненную эффективность и технологичность, но в то же время выявил и ряд недостатков. К их числу относятся:
необходимость проведения повторных частотных испытаний конструкций после внедрения противовибрационных мероприятий; такие испытания плохо вписываются в технологический цикл постройки судна и создают ряд организационных трудностей;
трудности, связанные с идентификацией значений резонансных частот палуб надстроек; дело в том, что спектр собственных частот этих конструкций чрезвычайно плотен, кроме частот перекрытий он содержит частоты многочисленных полей пластин.
В целях преодоления указанных трудностей был разработан алгоритм компьютерного моделирования частотных испытаний, получивший название «виртуальные частотные испытания». Его суть состоит в математическом моделировании физической процедуры построения амплитудно-частотной характеристики. При использовании классического алгоритма поиска собственных частот и форм колебаний конструкций задача сводится к определению собственных чисел и собственных векторов соответствующих матриц, сформированных без учета сопротивления. В результате
спектр собственных частот конструкций содержит все частоты элементов, включенных в расчетную схему, и их идентификация требует подробного анализа собственных векторов, что само по себе непростая задача. Другими словами, эти
трудности существенно превосходят трудности идентификации частот на амплитудно-частотной характеристике, полученной экспериментальным путем.
При использовании процедуры виртуальных частотных испытаний собственные частоты определяются как резонансные при воздействии на конструкцию точечных гармонических усилий. Обязательный учет внутреннего неупругого сопротивления позволяет проводить фильтрацию собственных частот и фиксировать лишь те из них, резонансы которых активно проявляются при данном способе возбуждения конструкции.
В аппаратной части алгоритм виртуальных частотных испытаний сводится к решению системы линейных алгебраических уравнений
[К1] х {X} = {Р} , (1)
где [К1 ] — динамическая матрица жесткости ансамбля конечных элементов, полученная с учетом неупругого сопротивления; {X} — вектор узловых перемещений ансамбля; {Р} — грузовой вектор.
Для формирования системы (1) в принципе может использоваться любая программная оболочка стандартной конечно-элементной конфигурации, например, лицензионные системы «Kosmos» или «Ansis». Однако опыт решения практических задач показал, что наиболее удобно применение специализированной программной системы «Нева-6», разработанной ЦНИИ им. академика А. Н. Крылова [10].
При виртуальных частотных испытаниях надстройки в целом в качестве базовых конечных элементов используется восьмиразмерная четы-рехузловая мембрана и двухраз-мерный стержень, работающий на растяжение—сжатие, а при испыта-
Собственные частоты надстроек танкеров (Гц), полученные в результате натурных и виртуальных частотных испытаний
Значение собственных частот Танкер пр. 17120 Танкер пр. 20070
■Ф ф ♦
Расчетное, полученное в процессе виртуальных испытаний Экспериментальное, полученное в процессе натурных испытаний 11,9 11,3 29.3 31.4 10,5 11.9 15,7 15,1
СУДОСТРОЕНИЕ 3*2000
ТЕХНОЛОГИ;! СУДОСТРОсНМ И МАШИНОСТРОЕНИЯ
ниях палуб надстроек в качестве базового элемента используется стержень, работающий на изгиб со сдвигом, а также на растяжение—сжатие.
Технология совместного использования натурных и виртуальных частотных испытаний состоит в следующем:
виртуальные частотные испытания предшествуют натурным, с их помощью строится амплитудно-ча-стотная характеристика конструкции и определяются ее основные частоты;
проводятся натурные частотные испытания и определяется экспериментальным путем амплитудно-частотная характеристика конструкции;
виртуальн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.