Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Расчетное проектирование конструкций машинного отделения по условиям вынужденной вибрации и металлоемкости

Диссертация: Расчетное проектирование конструкций машинного отделения по условиям вынужденной вибрации и металлоемкости
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Первый механический двигатель — паровая машина — работала на тихоходные гребные колеса. Корпус таких пароходов был на первых порах деревянным, что обеспечивало высокое отношение жесткость/масса конструкции. С переходом на паровые турбины и гребной винт повысилась частота возбуждающих вибрацию внещних сил. Металлический корпус с меньшим соотношением жесткость/масса, чем деревянный, имеет более… Читать ещё >

Расчетное проектирование конструкций машинного отделения по условиям вынужденной вибрации и металлоемкости (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • 1. Анализ внешних усилий, вызывающих вибрацию корпусных конструкций машинного отделения
    • 1. 1. Источники вибрации машинного отделения судна и их классификация
    • 1. 2. Расчетная методика определения внешних гармонических усилий на * * основные силовые конструкции
    • 1. 3. Динамика кривошипного механизма
    • 1. 4. Неуравновешенность многоцилиндровых рядного и У-образного ДВС
    • 1. 5. Требования Российского морского Регистра судоходства к параметрам внутренней вибрации
  • 2. Численное определение параметров свободной и вынужденной вибрации силовых конструкций машинного отделения
    • 2. 1. Метод конечных элементов в решении стационарных динамических задач строительной механики
    • 2. 2. Исследование модельных параметров типовых конструкций машинного отделения и выбор оптимальной идеализации
    • 2. 3. Расчет модальных характеристик силовых конструкций машинного отделения со малоборотным дизелем
    • 2. 4. Определение амплитуд вынужденной вибрации конструкций машинного отделения для стандартных режимов
  • 3. Подход к проектированию силовых конструкций машинного отделения из условий снижения параметров вибрации и металлоемкости
    • 3. 1. Постановка проектной задачи как задачи оптимизации
    • 3. 2. Анализ влияния проектных параметров на массовые и динамические. характеристики типовых конструкций
    • 3. 3. Проектировочный расчет конструкции фундамента из условий снижения амплитуд перемещений и скоростей вынужденной вибрации при сохранении/улучшении массовых показателей

Проблема вибрации судовых конструкции с особой остротой встала перед инженерами — судостроителями при появлении на судах и кораблях относительно высокооборотных двигателей, работающих на гребной винт с длинным валопроводом.

Первый механический двигатель — паровая машина — работала на тихоходные гребные колеса. Корпус таких пароходов был на первых порах деревянным, что обеспечивало высокое отношение жесткость/масса конструкции. С переходом на паровые турбины и гребной винт повысилась частота возбуждающих вибрацию внещних сил. Металлический корпус с меньшим соотношением жесткость/масса, чем деревянный, имеет более высокие частоты собственных колебаний конструкции таких судов имели худшие вибрационные характеристики, что отрицательно сказывалось на долговечности клепаных соединений, которые «ослаблялись» под действием вибрации. Положение усугубилось с установкой на суда неуравновешенных двигателей внутреннего сгорания — двигателей Дизеля. Широкое использование двигателей Дизеля началось с применения в 1903 году главной машины мощностью 25 л. с на одном из судов в акватории реки Волги. Серьёзность проблемы вибрации в начале 20-го века подтверждается эпизодом, описывающим процесс регистрации местной вибрации при сдаточных испытаниях эскадренного миноносца в книге А. Н. Крылова. «Мои Воспоминания». В кормовом районе верхней полубы устанавливалась табуретка, на которую ставился стакан с водой. Если половина жидкости в стакане выплёскивалась под действием вибрации, то констатировали, что «вибрация составляла половина стакана.» Если исчезала четверть жидкости, то «вибрация составляет четверть стакана». Предварительный обзор работ по вибрации корабля позволяет условно разделить этот процесс периодических колебаний корпусных конструкций на:

1) Общую вибрацию, при которой в процесс колебаний вовлекается весь или большая часть судового корпуса;

2) Местную, при которой осцилирует ограниченный район конструкции.

Необходимо отметить условность такого разделения, т. е., общая и местная вибрация взаимосвязаны по параметрам, масштабам и возбуждающим силам. В зависимости от применяемых традиционных расчетных моделей, местная вибрация может подразделяться на:

• вибрацию пластин;

• вибрацию балок набора;

• вибрацию перекрытий .

Условность такого подразделения подтверждается высокой чувствительностью результатов прогнозирования параметров вибрации (амплитуд и частот колебаний) к граничным условиям и схемам идеализации конструкции (пластины, балки с присоединенным пояском, перекрытия). Повышение точности прогноза должно обеспечиваться применением более адекватных универсальных методов, основанных на применении вычислительной техники.

Процесс вибрации — энергоемкий физический процесс, для инициации или поддержания которого необходим разовый или постоянный подвод энергии. При разовом подводе энергии (например, при ударах о волны — слеминге или ударах о лед) колебания затухают. Корпус судна может испытывать последствия удара на протяжении нескольких десятков секунд. На рис В.1 показана запись параметров постударной общей вибрации корпуса судна, причиной которого является удар носовой оконечностью судна о крупное ледовое образование.

Настрой" Загись ГЬооотр «Проо."трреэупьтатоп~*-— „“ —- —————» ««*» ~ ' 1 «— - - —- - - ~ • ¦ - г5 /1 <

125 и. л.

711 83 —— Л*88. V 1 к ч4*.

125 ч.

Ш 02 03 04 05 05 ОГ 03 03 10 11 12 13 14 15 16 17 18 13 20 21 22 23 24 25 26 2? 2″ 23 Л 31 32 Частота Ценена.

• аоог ддддддопдг дддддг дддддддддг дд ато.

Файл результатов 0 fednrrrv2005lcetoads2005Q911 10 000Ш Л*. длительность загнем 1535.4250сгк.

Рис В. I Запись датчика продольного угла поворота поперечного сечения (1), продольной и поперечной компоненты горизонтального ускорения (2, 3) и двух датчиков деформаций (4) после удара левым бортом форпика о консолидированную часть тороса на скорости 6.1 уз.

При постоянном подводе энергии осциляции конструктивных элементов носят установившийся характер. Внешние силы постоянного характера, вызывающую вибрацию корпусных конструкции по источникам возбуждения могут быть классифицированы следующим образом.

• Ходовая вибрация, вызываемая регулярным периодическим воздействием волн на корпусе судна. Волновая вибрацияобщая вибрация корпуса, как плавающей балки, наблюдается на низших частотах собственных колебаний корпуса (0.5 — 2.0 Гц);

• Вибрация конструкций в районах установки оборудования с вращающимися или движущимися элементами (двигатели внутреннего сгорания, турбины, электродвигатели, генераторы, компрессоры, насосы и т. д.) Значительная местная вибрация конструкций достигается, если частоты возбуждающих сил близки к частотам собственных колебаний конструкции, т. е., конструкция эксплуатируется в ре леи мах, близких к резонансному. Резонансный режим значительно сокращает долговечность конструкции из-за быстро развивающихся усталостных повреждений.

• Отдельно принято выделять вибрацию, вызываемую вращением гребного винта и валопровода. Водопровод, опирающийся на подшипники, подвержен крутильным колебаниям, которые передаются на окружающие конструкции. Вращаясь, вал с закрепленным на нем массивным гребным винтом, изгибается, что вызывает дополнительные пульсации реакций на опорных подшипниках. Частота упомянутых периодических возбуждающих сил, передаваемых на корпусные конструкции равна частоте fв вращения гребного вала. Еще одним источником периодических сил является пульсации давления при прохождении лопасти гребного винта вблизи наружной обшивки кормовой оконечности. Частота пульсаций давления равна /в •пв 5 где пв — количество лопастей гребного винта (рис. В.2).

Машинное отделение.

Рис.В.2. Пульсации давления на лопастной частоте в районе кормовой оконечности.

Целью настоящей работы является разработка метода анализа вибрации конструкций машинного отделения, основанного на использовании пакетов численного моделирования. Конструкция машинного отделения нагружается осциллирующими силами от неуравновешенной дизельной энергетической установки. Завершающая часть работы описывает метод выбора размеров прочных конструктивных элементов машинного отделения по условию отстройки частот вынужденных сил и собственных колебаний.

Общий алгоритм разрабатываемой процедуры показан на рис.

Расчётное проектирование рассматриваемых конструкций затрагивает две проблемы:

1. Проблему определения внешних сил.

2. Проблему определения внутренних параметров конструкции, находящейся под действием внешних сил.

По этой причине в диссертации рассматриваются вопросы анализа реактивных усилий, передаваемых с корпуса неуравновешенного двигателя внутреннего сгорания на.

В.З. фундаментные конструкции и численные методы прогнозирования состояния конструкции под действием периодических сил. Сопоставление параметров вынужденной ^" «-^нет.

Удовлетворяются^-^?®Рации с допускаемых уровнем^-^^ г.

Изменение размеров прочных конструктивных элементов.

Введение

дополнительных конструктивных подкреплений в районах пучности колебаний (топологическая оптимизация).

Рис В. З. Алгоритм применяемой процедуры расчетного проектирования.

Основные результаты работы можно изложить следующим образом:

• Проведён качественный анализу источников вибрации конструкций машинного отделения транспортных судов. Основной источник вибрации — работа двигателей внутреннего сгорония, которые являются неуравновешенными механизмами.

• Разработан подход к расчётному проектированию конструкций машинного отделения, который включает необходимость процедуру и программное обеспечения расчёта внешных сил, передаваемых на фундамент ДВС, процедуру расчёта параметров вынужденных программных продуктов, методы принятия оптимальных решений по назначению прочных размеров конструктивных элементов с учётом действующих норм.

• Разработаны процедуры и программное обеспечения по расчёту периодических сил, передаваемых ДВС и произвольным количеством цилиндров, рядных или У-образных, двухтактных или четырёхтактных.

• Разработаны основные параметры численной модели расчёта вынужденной вибрации конструкций (размер конечного элемента, типы применяемых конечных элементов, способы передачи внешных осцилирующих сил на фундамент). Расчётной подход верифицирован по надёжным аналитическим моделям.

• Полученные результаты применены в процедуре расчётного проектирования конструкции, работающей в условиях вынужденной вибрации, использующую понятия методов оптимизации корпусных конструкций.

Все разработки проиллюстрированы многочисленными расчётными примерами.

Заключение

.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Артемов Г. А, Волошин В. П, Захаров Ю. В, Шквар А. Я. Судовые энергетические установки Л.:СудостроениеД987.
  2. В.В. Проектирование судов. JL: Судостроение, 1985.
  3. Н.Н., Лентяков В. Г. Некоторые вопросы общей вибрации судов.СУДПРОМГИЗ. Ленинград 1961 г.
  4. Н.В. Конструкция корпуса морских судов. Издательство. Судостроение. Ленинград 1969 г.
  5. Беседин В. Н, Чурбанов Б. М. Судовые дизельные установки. Методические указания к дипломному проектированию. Изд. ЛКИ Ленинград, 1989.
  6. A.B. Морские транспортные суда. Л., Судостроение, 1984. Бронников A.B. Проектирование судов. Л., Судостроение, 1991.
  7. Басов К. A. ANSYS в примерах и задачах. Москва .Компыотер.2002 г.
  8. Басов К. А. Графический интерфейс комплекса ansys. Самоучитель Д.М.К, 2006.
  9. А.И., Глозман М.К, Козляков В. В. Основы выбора конструкций корпуса судна. Издательство. Судостроение. Ленинград 1974 г.
  10. Ю.Бойцов Г. В., Палий О. М., Постнов В. А., Чувиковский B.C. Справочник по строительной механике корабля. В 3-х томах. Л. Судостроение, 1982 г.
  11. П.Васильев А. Л. Введение в проектирование конструкций корпуса судов. Ленинград 1984 г.
  12. А.Л., Глозман М. К., Голубев В. А., Сборовский А. К. Судовые фундаменты. Издательство. Судостроение. Ленинград 1969 г.
  13. М.Н. Вибрация на судне. Москва «Транспорт» 1970 г.
  14. А.И. Проектирование контейнерных судов. Часть-1.Учебное пособие.Л.1985.
  15. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы, (перевод с английского В.М. Картвелишвили). Москва. «МИР «, 1984.
  16. Э.Н. Поисковые методы в проектировании судовых корпусных конструкций, устройств и систем. Учебное пособие, Санкт-Петербург 2006.
  17. Горбачев К. П. Метод конечных элементов в расчетах прочности. Судостроение. Ленинград 1985 г.
  18. В.В., Маттес Н. В. Вопросы вибрации ,» Морской флот «, 1942,№ 10.
  19. В.В., Маттес Н. В. Динамические расчеты прочности судовых конструкций. Ленинград 1974 г.
  20. Ден-гартог Дж. П. Механические колебания. Перевод с английского. Москва 1960.
  21. П.С. Судовые энергетические установки.Тексты лекций. Санкт-Петербург 2006.
  22. Журнал «Significant ship» 1998, 1999, 2000, 2001.
  23. О. Метод конечных элементов в технике.Перевод с английского .Под редакцией акад. Б. Е. Победри. Издательство «Мир». Москва 1975.
  24. Э.И. Определение коэффициентов внутреннего сопротивления при расчетах вынужденной вибрации корпуса.Судостроение, 1982.№ 12.
  25. Э.И., Сочиинский C.B. Определение параметров общей вибрации корпуса судна с учетом взаимодействия его отдельных конструкций, — Судостроение, 1974.№ 6.
  26. B.C., Постнов В.А.Основы теории оболочек. Учебное пособие. Ленинград 1974 г.
  27. А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М. А. ANSYS в руках инженера «Практическое руководство», Москва.2003.
  28. И.И. Борьба с шумом и звуковой вибрацией на судах. Издотельство «Судостроение «JI. 1971.
  29. А.И. Присоединенные массы судна. Справочник. Л. Судостроение 1986.
  30. Я.И. Вопросы прочности морских транспортных судов. Ленинград 1965 г. 31 .Крылов А. Н. Вибрация судов.М.Л.ОНТИ.1936.
  31. A.A. Вибрация корабля. Издание 2-е. Издотельство судостроительной промышленности. Ленинград 1961 г.
  32. Норри.Д, Ж. де Фриз. Введение в метод конечных элементов. Перевоз с английского .Под редакцией акад.Г. И. Марчука. Издательство «Мир». Москва 1981.
  33. Я.Г. Введение в теорию механических колебаний. Москва «Наука» 1991 г.
  34. Пановко Я. Г. Осовы прикладной теории колебаний и удара. Издание 3-е. Машиностроение. Ленинградское отделение 1976 г.
  35. П.Ф. Труды по вибрации корабля. Ленинград., Судостроение, 1960.
  36. В.А., Хархурим. И. Я. Метод конечных элементов в расчетах судовых конструкций. Л., Судостроение, 1979
  37. В.А., Калинин B.C., Ростовцев Д. М. Вибрация корабля. Ленинград «Судостроение» 1983 г.
  38. В.А., Ростовцев Д. М. Суслов В.П. Кочинов Ю. П. Строительная механика корябля и теория упругости. ТОМ ½. Ленинград 1987 г.
  39. Н.Е. Проектирование конструкций корпуса морских судов. Том 1. Л.: Судостроение 1976.
  40. Н.Е. Проектирование конструкций корпуса морских судов. Том 2. Л.: Судостроение 1977.
  41. В.А. Расчет неуравновешенности поршневых двигателей на персональной эвм.Методические указания. Санкт-Петербург 2001.
  42. А.А. Использование методов оптимизации в расчетном проектировании конструкций корпуса. Судостроение. 1985.
  43. А. А. Математические методы проектирования оптимальных конструкций судового корпуса. Ленинград 1990 г.
  44. Российкий Морской Регистр Судоходства, 2003. Правила классификации и постройки морских судов, часть II Корпус.
  45. Рябов Л. И, Курдюмов В. А. Конструкция бортовых перекрытий морских судов. Учебное пособие. Ленинград 1980 г.
  46. Л. Применение метода конечных элементов. Перевод с английского. Под редакцией акад.Б. Е. Победри.Издательство «Мир». Москва 1979.
  47. Справочник по теории корабля в 3-х томах, под ред. ЯМ. Войткунского. Л. Судостроение, 1985.
  48. С. Колебание в инженером деле. Лениград. (Сентябрь. 1966)
  49. В.Н. Проектирование конструктивного мидель-шпангоута морских транспортных судов. Л.: ЛКИ 1986.
  50. В.Н., Лазарев В. Н., Смирнов Ю. А. и др. Проектирование корпусных конструкций морских судов. Л.: ЛКИ 1987.
  51. В.А. Охрана труда. Методические указания для дипломного проектирования. ЛКИ. 1976.
  52. ЦНИИ имени Академика А. Н. Крылова. Прочность, вибрация и надежность конструкций транспортных судов. Материалы по обмену опытом, Выпуск 398 Ленинград., Судостроение, 1984.
  53. ЦНИИ имени Академика А. Н. Крылова. Методика расчёта местной вибрационной прочности корпусных конструкций (первая редакция), Санкт-Петербург, 2003.
  54. А.В., Кравчук А.С., Смалюк А. Ф. ANSYS для инженеров. Справочное пособие. Москва «Машиностроение «2004. Машиностроение-1.
  55. B.C. Усилия, вызывающие местную вибрацию днищевых конструкций, — Судостроение, 1956.№ 6.
  56. Шиманский Ю. А .Спарвочник по строительной механике корабля. ТОМ 1 под общей редакцией академика Ю. А. Шиманского. Ленинград 1960 г.
  57. Ю.А. Динамичекий расчет судовых конструкций. Ленинград 1963 г.
  58. Е.Н. Расчет вибрационной прочности корпусных конструкций. Научно-технический сборник. Выпуск 6. (Регистр СССР) Транспорт 1976.
  59. Е.Н. Расчет вибрации судовых пластин, подкрепленных ребрами жесткости и соприкасающихся с жидкостью.Труды ЦНИИ им. А.Н Крылова вып. 186.
  60. Г. В. Судовые механические передачи дизельных установок.Учебное пособие, Л.: Изд-во ЛКИ, 1981.
  61. American Bureau of Shipping (ABS).Guidance notes on Ship Vibration, April 2006.
  62. An Introduction to Vibration Aspects of Two-stroke Diesel Engines in Ships (MAN B&W).
  63. Andreas Antoniou., Wu-Sheng Lu. Practical Optimization «Algorithms and Engineering Applications» .Springer, Canada 2007.
  64. Augusto B.Hougaz., Carlos A.N.Dias. FEM Parametric Modeling Applied to the Optimization of a Ship Structure. Proceedings of the 131. ternational Offshore and Polar Negineering Conference. Brazil. May 2003.
  65. Bernard Challen., Rodica Baranescu. Diesel Engine Refence Book. 2nd Edition. Oxford. 1999.
  66. DNV. Rules for classification of Ships. Vibration Class -part (6), Chapter (15).2004.iL
  67. Doug Woodyard. Pounder’s Marine Diesel Engines and Gas Turbines.8 Edition.Oxford. 2004 .
  68. Edrogan Madenci., Ibrahim Guven. The Finite Element Method and Applications in engineering Using ANSYS. The University of Arizona.2006.
  69. Edwin K. P Chong ., Stanislaw H. ZakAn Introduction to Optimization. 2nd Edition. John Wiley & Sons, Inc. Canada, 2001.
  70. Eyres D.J. Ship Construction 5th Edition. Plymouth Polytechnic 2001.
  71. Friedel Hartmann Casimir Katz. Structure Analysis with Finite Elements. Munich, August 2003.
  72. Germanischer Lloyd. (Operation 24/7) GL-Technology, Ship vibration. Hamburg, 2001.
  73. Jorge Tratch Junior. Vibration (Noise) transmission through machinery foundation and ship’s structure. Master of science in Mechanical Engineering, Massachusetts Institute of Technology, June 1985.
  74. Julius Weisbach. The Mechanics of Machinery and Engineering. Vol-2. 1847.
  75. Keith R. Mobley. Vibration Fundamentals. Butterworth-Heinemann. Newnes. USA, 1999.
  76. McGeorge H. D. Marine Auxiliary Machinery, 7th Edition. Elsevier Oxford, 1995.
  77. Michael R. Hatch. Vibration Simulation using MATLAB and ANSYS. Chapman&Hall/CRC. Washington, D. C, 2001.
  78. Nakasone Y., Yoshimoto S. Engineering Analysis with ANSYS Software.U.K 2006.
  79. Paresh Girdhar. Practical Machinery Vibration Analysis and Predictive Maintenance.ELSEVffiR.Newnes.Oxford.2004.
  80. Philippe Rigo and Enrico Rizzuto. Analysis and Design of Ship Structure. SDC 18. 2003.
  81. Pravin P.Varaiya. Lecture Notes on Optimization. California Sept: 1998.
  82. Ravindran A., Ragsdell K.M., Reklaitis G.V., Engineering Optimization. Methods and Applications. 2nd Edition. John Wiley & Sons, Inc. Canada, 2006.
  83. Release 10.0 Documentation for ANSYS/ Guide to the ANSYS Documentation.
  84. Robert Taggart (Editor).Ship Design and Construction. The Society of Naval Architects and Marine Engineers, New York.N.Y. 10 048.1980.
  85. Ship Structure Committee. Ship vibration design guide .SSC 350, 1990.
  86. Ship Structure Committee. Ship vibration prediction methods and evaluation of influence of hull stiffness variation on vibratory response. SSC -249, 1975.
  87. Singiresu S. RAO. Engineering Optimization. Theory and Practice. 3rd Edition. John Wiley & Sons, Inc. Canada, 1996.
  88. Timoshenko S. Theory Of Plates and Shells.2nd Edition. Mcgraw-Hill, Inc. l959.
  89. Vibration/Dynamic Analysis Course in ANSYS. Day-5.Lesson-13.
  90. Vibration Analysis Handbook. 5th Edition.
  91. Vibration Characteristics of Two-stroke Low Speed Diesel Engines (MAN B&W).
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!