WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
Министерство образования Российской Федерации НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра «Строительная механика корабля и сопротивление материалов» Экспериментальное определение напряжений в корпусе судна Методические указания к лабораторной работе для студентов специальностей «Динамика и прочность машин» и «Кораблестроение» по курсам «Конструкционная прочность» и «Конструкция корпуса корабля» Составители: к.т.н., доц. Вешуткин В.Д.

к.т.н., доц. Орешкин Ю.Н.

ст. преп. Жуков А.Е.

Нижний Новгород, 2006 Введение Обеспечение общей продольной прочности корпуса судна в целом представляет собой важнейшую задачу проектирования судна. Для этого необходимо предварительно определить внешние нагрузки, напряжения и деформации, вызываемые этими нагрузками, и установить необходимые запасы прочности.

При плавании судна на его корпус действуют внешние нагрузки двух основных категорий: силы, действующие при плавании на тихой воде и дополнительные силы, возникающие в корпусе при плавании на волнении [4]. Обе категории внешних нагрузок вызывают общий продольный изгиб корпуса судна.

В результате многочисленных натурных экспериментов было установлено, что к корпусам судов при общем продольном изгибе с достаточной точностью применима гипотеза плоских сечений и все положения балочной теории. Для определения напряжений, действующих в связях корпуса нужно знать геометрические характеристики площади поперечного сечения корпуса. Для этого вводится понятие об эквивалентном брусе.

1. Цель лабораторной работы Лабораторная работа преследует следующие цели:

– экспериментальная проверка применимости гипотезы плоских сечений и балочной теории при общем продольном изгибе корпуса судна;

– экспериментальная проверка полного участия непрерывных продольных связей в общем изгибе корпуса судна;

– пересчет на натурное судно по масштабам подобия нормальных напряжений, замеренных в модели, и сравнение их с допускаемыми напряжениями.

2. Теоретические положения Напряжения при общем продольном изгибе в вертикальной плоскости определяют с помощью известных зависимостей теории изгиба балок [1] Mzi Ns =, = (1) I I где M, N — изгибающий момент и перерезывающая сила, действующие в данном поперечном сечении корпуса; zi — отстояние i-той связи поперечного сечения от его нейтральной оси; I -главный центральный момент инерции рассматриваемого поперечного сечения корпуса относительно его нейтральной оси, S — статический момент части площади поперечного сечения корпуса, лежащей выше или ниже горизонтали, на уровне которой определяются касательные напряжения; — суммарная площадь продольных связей поперечного сечения, пересекаемых горизонталью, на уровне которой определяются касательные напряжения. Условно принято считать изгибающий момент положительным при растянутой палубе и сжатом днище (случай перегиба судна). Значения z выше нейтральной оси считаются положительными, а ниже нейтральной оси — отрицательными.

Для определения и необходимо знать величину момента инерции поперечного сечения, для которого определяются напряжения, однако не все связи поперечного сечения корпуса участвуют в восприятии изгибающего момента в одинаковой степени. Если отдельные конструктивные элементы не имеют достаточной конструктивной перевязки с основными связями корпуса или выполнены из другого материала (с меньшим модулем нормальной упругости Е ), то в них возникнут напряжения меньшей величины, чем в соседних связях, т.е.

эффективность работы таких связей в составе корпуса снижается.

Обычно в расчетное поперечное сечение корпуса включают следующие связи:

– продольные связи, идущие по всей длине судна;

– продольные связи ограниченной длины, которые рассматриваются как прерывистые связи, степень участия которых определяется в зависимости от типа и протяженности связи.

К связям, идущим по всей длине относят: листы наружной обшивки и настилов, палуб, платформ, второго дна, все непрерывные продольные балки днища, бортов, палубы и продольных переборок.

К связям ограниченной длины относятся палубные перемычки между грузовыми люками, надстройки и рубки, продольные комингсы (в пределах одного люкового выреза), продольные балки фундаментов и т. д. Вопросы включения прерывистых связей в состав эквивалентного бруса изложены в работах [4,5,6,7].

3. Экспериментальное определение напряжений в продольных связях корпуса Величины деформаций и напряжений в местах установки тензорезисторов (тензодатчиков) определяются по формулам = 2,53 (ni - n0) 10-6 = 2,53 ni 10-6, (2) = E, (3) где ni — разность показаний прибора при нагруженном (nj) и ненагруженном (n0) объекте испытаний. Модуль упругости материала модели принимается равным E = 3,28 103 МПа (определен экспериментально). По полученным нормальным напряжениям строятся эпюры по рассматриваемым поперечным сечениям корпуса как показано на рис.7.

4. Пересчет результатов экспериментального исследования модели на натурное судно Нормальные напряжения при общем изгибе корпуса пересчитываются по формулам [2] µ iн = iм, iн = iм, (4) Mн где µ = — масштаб изгибающих моментов, равный µ =, Mм Pн = — масштаб силового подобия (Mн, Pн — изгибающий момент и Pм усилие соответственно в натурном судне; Mм, Pм — изгибающий момент и усилие в модели соответственно);

Lн Bн = = — масштаб подобия габаритных размеров;

Lм Bм tн(пр.) = — масштаб подобия толщин.



tм Значения м студенты получают из эксперимента, значения µ или задает преподаватель. Нормальные напряжения для судна, полученные пересчетом с модели, сравниваются с допускаемыми, для наиболее удаленных связей (полки комингса, палубы и днища). Величина допускаемых напряжений задается преподавателем. Делается заключение о прочности корпуса натурного судна.

5. Описание лабораторной установки Лабораторная установка (рис. 1), предназначена для исследования напряжений в поперечном сечении корпуса. Она состоит из модели корпуса судна (1), наклеенных на модель тензорезисторов (тензодатчиков) (2), соединительных проводов (3), опорных устройств (4), универсального испытательного стенда (5), регистрирующих приборов (6), нагружающего устройства, состоящего из грузового винта (7), динамометра (8), распределительной траверсы (9), грузовых рам (10), распределенной по площади нагрузки (мешочки со стальной дробью) (11).

Условно конструктивно-подобная модель (1) корпуса судна пр. 19610, выполненная в масштабе = 27,5, является объектом исследования. В качестве материала модели использовано листовое органическое стекло толщи- 8 4 10 1200 ИБ К ЦПУ Рис. 1. Схема установки ной 1, 1,5, 2, 2,5, 3, 5 мм. Масштаб подобия толщин = 6, масштаб подобия модуля продольной упругости = 64. Модель имеет упрощенную форму обводов оконечностей. В ней воспроизведены основные продольные связи корпуса:

днищевые стрингеры, настил второго дна, бортовые стрингеры, платформы, двойные борта, продольные непрерывные комингсы. Воспроизведены также все рамные поперечные связи. Легкие продольные балки входят в площадь соответствующих пластин. Основные элементы поперечного сечения модели приведены на рис. 2.

Рис. 2. Основные элементы поперечного сечения модели Тензодатчики (2) с базой 5 мм и начальным сопротивлением R0 100 Ом наклеены на модель в соответствии со схемой их размещения, представленной на рис. 3. Тензодатчики предназначены для измерения деформаций в месте их установки.

(8) (9) (28) (29) 2 22 (11) (10) (31) (30) 1 0 21 4 5 24 (7) (6) (27) (26) 12 13 14 32 33 (17) (16) (15) (37) (36) (35) Рис. 3. Схемы расположения тензодатчиков Соединительные провода (3) предназначены для соединения тензодатчиков в измерительные полумосты и дальнейшего соединения полумостовых схем с измерительными приборами.

Опорные устройства (4) служат для подвешивания модели в испытательном стенде в соответствии с необходимой схемой нагружения. Каждая опора представляет собой силовую раму жестко соединенную с определенным поперечным сечением корпуса. Каждая такая рама подвешивается к стенду с помощью шарнирных тяг и обеспечивает шарнирное опирание модели в заданном сечении.

Универсальный стенд (5) предназначен для размещения модели, крепления опорных устройств, крепления нагружающих устройств. Стенд представляет собой мощный каркас, изготовленный из алюминиевого профиля.

Регистрирующие приборы (6) предназначены для регистрации электрических сигналов с полумостов. В качестве регистрирующих приборов используется многоточечная измерительная цифровая тензометрическая система СИИТ-3.

Нагружающее устройство состоит из грузового винта (7), предназначенного для создания внешней нагрузки с помощью промежуточного рычага (7-1), динамометра (8), предназначенного для измерения усилия прикладываемого к траверсе (9), передающей нагрузку на силовые рамы (10). Для создания распределенной местной нагрузки на модель используются мешочки со стальной дробью c диаметром d=1-2 мм и массой каждого мешочка от 0,75 до 2,5 кг. Мешочки заполнены на 2/3 своего объема, что позволяет имитировать равномерно распределенную по площади этого мешочка нагрузку. Размеры мешочка в зависимости от его массы приведены в табл. 1. Каждый мешочек в пределах своей площади создает давление 1,2310–5 Па. Укладывая различное количество мешочков, либо мешочки разной массы в каждом слое, можно получать различные законы распределения нагрузки. На рис. 4 в качестве примера приведена имитация загрузки трюма сыпучим грузом.

Рис. 4. Имитация загрузки трюма сыпучим грузом Таблица Размеры мешочков для нагрузки дробью Масса, кг 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,25 2,Размеры, см 87,5 810 812,5 815 817,5 820 822,5 6. Измерительная аппаратура Для измерения деформаций моделей судовых конструкций, принятых в лабораторных работах, применяются тензорезисторы (тензодатчики) базой 5 и 10 мм и начальным сопротивлением 100 и 200 Ом соответственно. Тензодатчики (рис. 5) представляют собой тонкую проволоку с высоким омическим сопротивлением (константан, нихром и др.) или же тонкую фольгу, приклеенную между двух листов папиросной бумаги или полимерной пленки в виде петлевой решетки. К концам петлевой решетки припаиваются небольшие концы более толстой проволоки для надежной спайки с монтажными проводами. Тензодатчики наклеиваются в местах конструкций, в которых производится измерение.

При деформировании конструкции тензодатчик получает такие же деформации, что и исследуемая конструкция. Вследствие изменения размеров датчика происходит и изменение их омических сопротивлений. Применяя известную из курса физики мостовую схему, можно измерить изменение тока в диагонали моста при изменении сопротивления в одном из его плеч. Это изменение тока в измерительной диагонали моста определяется обычно измерительной аппаратурой отградуированной в долях относительной деформации или пропорционально им. Для уменьшения объема монтажных работ при исследованиях, один полумост, имеющий постоянные омические сопротивления, предусматривается в регистрирующей аппаратуре. Монтажу на исследуемой конструкции, таким образом, подлежит только один полумост. Он состоит из двух тензодатчиков — рабочего и компенсационного. Рабочий датчик наклеивается непосредственно в том месте, где производится измерение деформаций. Компенсационный датчик в мосте предназначен для устранения неуравновешенности моста вследствие возможной разной температуры плеч полумоста. В связи с этим компенсационный датчик должен располагаться в местах, в которых отсутствует деформация конструкции. На практике компенсационные датчики наклеивают на пластинки, выполненные из того же материала, что и конструкции. Планки с компенсационными датчиками располагаются поблизости от рабочих датчиков.





B B 1 4 а) б) Рис. 5. Тензодатчики а) проволочный; б) фольговый;

1 – проволочная или фольговая решётка из металла с высоким удельным сопротивлением (константан); 2 – бумажная или плёночная подложка; 3 – выводы; 4 – защитный слой бумаги или плёнки; 5 – сварка или пайка; L – база датчика; B – ширина рабочей части датчика В качестве регистрирующих приборов для измерения электрических сигналов с полумостов в лабораторных работах использована тензометрическая цифровая измерительная система СИИТ-3.

Краткая характеристика системы:

6.1.Пределы шкалы соответствуют:

– при 4-х активных тензорезисторах ±9999 мкОм/Ом;

– при 2-х активных тензорезисторах ±19998 мкОм/Ом.

6.2. Цена единицы наименьшего разряда кода системы:

– при 4-х активных тензорезисторах 1 мкОм/Ом;

– при 2-х активных тензорезисторах 2 мкОм/Ом.

6.3. Быстродействие не менее 20 измерений/с.

L L 6.4. Сопротивление применяемых тензорезисторов от 100 до 400 Ом.

6.5. Максимальное количество измерительных каналов:

– в режиме с 4-мя и 2-мя активными тензорезисторами – 50;

– с одним активным тензорезистором – 100.

6.6. Выходные сигналы тензорезисторов соответствуют:

– при четырех активных тензорезисторах:

= ni - n0 ; (5) – при двух активных тензорезисторах:

= 2(ni - n0) ; (6) – при одном активном тензорезисторе:

= 4,8(ni - n0), (7) где ni — текущее показание прибора для данного канала, мкОм/Ом;

n0 — начальное показание прибора для этого же канала, мкОм/Ом;

6.7. Относительная деформация в месте установки тензорезистора вычисляется по формуле:

= 10-6, (8) s где s — коэффициент тензочувствительности тензодатчиков.

7. Методика и последовательность выполнения работы Работа выполняется группой студентов в количестве 3-5 человек. Перед началом работы необходимо проверить работоспособность регистрирующей аппаратуры в последовательности, изложенной в разделе 6.

Схема нагружения модели приведена на рис.6, величины нагрузок задаются преподавателем.

Работа выполняется в следующей последовательности.

1. Прикладывается начальная нагрузка (P0).

2. После 2-х минутной выдержки снимаются показания регистрирующих приборов при начальной нагрузке.

3. Прикладывается нагрузка (Pi), согласно заданной преподавателем схемы.

4. После 2-х минутной выдержки модели под нагрузкой записываются показания регистрирующих приборов.

5. Снимается нагрузка (Pi) до значения (P0).

6. Спустя 2 минуты после снятия последней ступени нагрузки повторно снимаются показания приборов при начальной нагрузке (P0).

Опыт рекомендуется повторить не менее 3 раз для получения среднеарифметических значений измерений и оценки в дальнейшем погрешности измерений.

а =1200 а =Pi Pi Pа Pа Mx Рис. 6. Расчетная схема Шп. Рис. 7. Эпюры напряжений в поперечном сечении корпуса — теоретические значения — экспериментальные значения 8. Оформление результатов измерений Результаты работы оформляются в виде отчета по лабораторной работе.

Отчет выполняется каждым студентом на листах формата А4. Форма титульного листа представлена в приложении А.

Содержание отчета 1. Цель лабораторной работы.

2. Схема лабораторной установки и эскиз поперечного сечения модели (рис. 1, 2).

3. Схемы размещения тензодатчиков (рис. 3).

4. Первичные результаты измерений и их обработка (табл. Б.1, Б.2) 5. Таблицы деформаций и напряжений (табл. Б.3, Б.4).

6. Схема нагружения (рис. 6). Эпюры изгибающих моментов; теоретическое определение напряжений для различных связей эквивалентного бруса судового корпуса. Определение геометрических характеристик площади поперечного сечения производится для половины сечения в соответствии с табл. 13.cправочника [1].

7. Сравнительная таблица теоретических и экспериментальных значений напряжений.

8. Эпюры распределения нормальных напряжений по каждому поперечному сечению корпуса (рис. 7).

9. Выводы о работе продольных связей в составе судового корпуса.

10. Пересчет нормальных напряжений в модели, полученных экспериментально на натурное судно и проверка общей прочности корпуса натурного судна по допускаемым напряжениям. Величины масштабов подобия и коэффициенты запаса, а также величина предела текучести материала натурного судна задаются преподавателем.

11. Оценка погрешностей полученных экспериментальных деформаций и напряжений.

12. Общие выводы по работе.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.