Проектирование корпусных конструкций подводной лодки

;

;

.

Выбираем следующие значения коэффициентов:

;

.

Предел текучести материала:

Сталь - 600 МПа.

2.2.2 Оценка устойчивости оболочки ПК

Критерии устойчивости для оболочки ПК имеют вид:

а) для обшивки между шпангоутами

Расчет производим тремя приближениями:

1) используется формула для идеальной оболочки без шпангоутов;

2) учитывается наличие шпангоутов на оболочке;

3) учитываются поперечные переборки, т.е. конечность оболочки.

Расчет приближениями позволяет сбалансировать параметры ОК, и полученные в проверочных расчетах напряжения будут близки к допускаемым при соблюдении условий прочности. Т.о. конструкция будет рациональна, т.е. будут отсутствовать чрезмерные запасы прочности и устойчивости.

В первом приближении пренебрегаем влиянием шпангоутов и поперечных переборок на напряженно-деформированное состояние оболочки прочного корпуса, т. е. считаем, что обшивка оболочки ГА находится в условиях безмоментного напряженного состояния. Так как при действии всестороннего равномерного давления на круговую цилиндрическую оболочку безмоментное напряженное состояние соответствует случаю бесконечно длинной оболочки, то в рассматриваемом приближении может быть определена только толщина обшивки прочного корпуса.

Толщина обшивки:

б - численный коэффициент, определяемый по формуле:

и зависящий от отношения площади свободного пояска к площади стенки

;

а также от параметра

.

Значение г принимаем в пределах от 0,4 до 0,6. Проектирование профиля шпангоута выполняем в следующем порядке. Принимая в первом приближении при выбранном диапазоне значений г, определяем значение б и Н. После этого в последующих приближениях уточняем значение в и находим значение Н. Описанный выше расчет ведем до выполнения условия .

В расчетах Н - расстояние между серединами толщин свободного пояска и обшивки корпуса.

Фактическую высоту стенок шпангоута определим по формуле

.

Толщину свободного пояска при проектировании профиля принимаем больше толщины стенки на 4-6 мм.

Отсюда при назначении толщины свободного пояска ширина пояска:

;

Где

.

Проектирование профиля шпангоута из стали

;

- толщина стенки

м;

- толщина свободного пояска

м.

Принимаем .

- коэффициент б ;

- высота профиля

м.

Уточняем значение в:

.

Вычисляем б₁ и Н₁:

;

м.

Уточняем значение в:

.

Вычисляем б₁ и Н₁:

;

м.

- условие выполнено.

Фактическая высота стенки шпангоута

м.

м².

м.

Принимаем b=0,199 м.

Рис. 2

В связи с большой стоимостью титана, выбираем проектирование конструкции из стали.

При проектировании профиля должны выполняться условия:

1);

2)

: 0,012+0,006>0,01- условие выполняется

Таблица 3

Определение элементов поперечного сечения балок

;

1) см⁴;

2) см⁴;

3) см⁴.

Отстояние от оси сравнения до центра тяжести:

;

см.

Момент инерции профиля:

;

см⁴?24,8^.10^-4 м⁴.

Проверим выполнение условия:

24,8^.10^-4 м⁴?2,5^.10^-4 м⁴ - условие выполняется.

2.7 Проверочный расчет прочности и устойчивости ПК

2.7.1 Расчет прочности обшивки и шпангоутов ПК

При оценке напряженного состояния в обшивке ПК проверка условий прочности производится по напряжениям в сечениях у шпангоутов и посредине шпации. Проверке подлежат также напряжения в шпангоутах.

Проверочный расчет прочности для вычисления напряжений выполним по методу Папковича П. Ф., который помимо упоминавшихся ранее факторов учитывает еще влияние на напряженно-деформированное состояние ПК осевых сжимающих усилий.

1. Параметр

.

2. Параметр

;

.

3. Параметр

;

.

Определим по таблицам или графикам в функции от параметров u и функции Папковича: .

;

;

;

Найдем функции :

;

;

;

;

;

;

;

.

Суммарные нормальные напряжения в поперечных и в продольных сечениях обшивки. Как посредине пролета (х = 0), так и у шпангоутов (х = ).

;

МПа;

МПа;

;

МПа;

МПа;

;

МПа;

МПа;

;

МПа;

МПа.

В этих выражениях верхний знак при слагаемых в правой части относится к внутренним, а нижний - к внешним волокнам оболочки.

Цепные напряжения в продольных сечениях посредине пролета

;

МПа.

Напряжения в шпангоутах

;

МПа.

Проверим условия прочности

;

;

- условие выполняется;

;

;

- условие выполняется;

;

;

- условие выполняется.

Напряжения в конструкции меньше, чем допускаемые, следовательно прочность обеспечена.

При проектировании ГА бывает необходимо знать уменьшение объема корпуса в результате гидростатического обжатия. Уменьшение объема в пределах отсека определим по формуле

2.7.2 Расчет устойчивости обшивки и шпангоута ПК

Следующим этапом проверочного расчета является вычисление критических нагрузок для обшивки между шпангоутами и отсека в целом и проверка условий устойчивости.

Определим:

1. Теоретическое критическое давление для участка обшивки между шпангоутами по формуле Мизеса

;

;

n=10…20 - число волн потери устойчивости по периметру оболочки, обращающие в минимум, зависит от отношений h/l и l/r .

Находим n по монограмме для определения числа волн потери устойчивости гладкой цилиндрической оболочки в окружном направлении.

;

;

n=16

;

2. Теоретическое критическое давление для отсека в целом (потеря устойчивости обшивки вместе со шпангоутами)

;

;

rшп.= r r;

Расчет по формуле выполняем для нескольких значений n, после чего определяем наименьшее значение . При вычислении радиуса шпангоута rшп величина , определяющая отстояние нейтральной оси шпангоута от срединной поверхности оболочки, берется со знаком плюс при внешнем расположении шпангоутов и со знаком минус при установке внутренних шпангоутов.

;

rшп=4+0,208=4,2 м.

=13,73 МПа;

=10,09 МПа;

=14,59 МПа.

Наименьшее значение

=10,09 МПа

3. Средние напряжения в обшивке и шпангоутах, соответствующие верхнему критическому давлению для обшивки между шпангоутами в целом с учетом возможных отклонении от правильной геометрической формы

;

МПа;

;

МПа

4. Коэффициент , учитывающий влияние напряжений на устойчивость оболочки, определим отдельно для обшивки и отсека.

;

;

5. Действительные критические давления для обшивки (Pкр)обш и отсека (Ркр)отс находим по формуле

.

Путем подстановки в неё величин относящихся соответственно к обшивке между шпангоутами и отсеку в целом, получим:

МПа;

МПа.

6. Проверим условия устойчивости

1);

8,88 МПа > 6 МПа - условие выполнено;

2) ;

7. МПа > 7 МПа - условие выполнено.

Оба условия устойчивости выполнены.

Таблица 4

Сводная таблица результатов проверочного расчета прочности и устойчивости ПК ГА

Прочность и устойчивость спроектированной конструкции обеспечена, причем действующие напряжения близки к допускаемым, что говорит о рациональности конструкции.

3. Проектировочный расчет элементов плоской межотсечной переборки

Плоская переборка состоит из обшивки, вертикальных стоек, которые опираются на шельфы или платформы, горизонтальных ребер. Толщина листов обшивки, расположения и профиль стоек переборки определяются по условиям весовой оптимизации переборки с учетом конструктивных и технологических требований.

3.1 Горизонтальная и вертикальная шпации

Предварительно принимаем (см. рис 3.):

а=600 мм - расстояние между горизонтальными ребрами;

b=600 мм - расстояние между вертикальными ребрами.

Рис.3 Расчётная схема плоской межотсечной переборки

При установке на переборке горизонтальных ребер жесткости (обычно с целью повышения устойчивости пластин обшивки) для определения расстояния между стойками используем выражение

,

где - коэффициент удельной площади профиля по моменту сопротивления (для наиболее сварного двутаврового профиля =0,5);

l1 - расчетный пролет стойки;

P - давление на переборку (1 МПа);

Ki - коэффициент расчетного момента, выбираем из диапазона 0,07...0,1;

a - расстояние между горизонтальными ребрами;

- предел текучести переборки;

- допускаемые напряжения в середине пролета пластины обшивки переборки в её сечении, параллельном длинным сторонам опорного контура. Обычно принимается .

- коэффициенты, зависящие от соотношения сторон пластины обшивки переборки (см. табл.4).

Таблица 5

Коэффициенты для расчета гибких пластин плоской переборки

l1 =3,6 м;

Ki=0,09;

=300 МПа;

b/a=600/600=1;

=2010;

=0,381.

м

Из конструктивных соображений оставляем предварительно выбранные значения расстояний между рёбрами жесткости:

а=600 мм - расстояние между горизонтальными ребрами;

b=600 мм - расстояние между вертикальными ребрами.

a. Полотнище переборки

Минимальная толщина полотнища переборки t выбирается из условия прочности по приведенным напряжениям:

,

м.

3.3 Вертикальные стойки

,

см³

Рис. 4 Схема профиля вертикальных стоек переборки

Площадь сечения профиля:

,

=0,6 - коэффициент перерезывающей силы.

см³.

Вертикальные стойки переборки рассчитываем из условия прочности по минимальному моменту сопротивления.

1) Толщина стенки профиля

;

м.

2) Высота стенки профиля

;

см

3) Площадь стенки профиля

;

см² - условие не выполняется.

Принимаем решение об увеличении tст: tст=0,026 м.

см

см² - условие выполнено

4) Условие устойчивости стенки профиля

,

где ут =300 МПа,

;

8,9<59,73.

Условие устойчивости выполнено.

5) Площадь свободного пояска в первом приближении

;

К=4,5 - в первом приближении;

см²

6) Толщина свободного пояска

;

см

7) Необходимо выполнить условие

;

;

см;

см;

11,2 см >5,78 см

8) Площадь присоединённого пояска

см²;

где принимаем

см

9) Уточняем коэффициент k

;

10) Уточняем площадь свободного пояска

;

11) Условие обеспечения устойчивости свободного пояска

;

;

4<33,47 - условие выполнено.

12) Формула Бубнова (проверочный расчёт прочности профиля)

;

см³

Условие выполнено

Рис.5 Результат проектирования профиля вертикальных стоек переборки

3.4 Горизонтальные ребра жесткости

,

см³.

Минимальная площадь сечения профиля:

,

Где =0,65.

см².

По полученному значению F выбираем несимметричный полособульбовый профиль № 14а ГОСТ 21937-76 с F=14,05 см².

Рис.6 Расчётная схема профиля горизонтального р.ж. переборки

Момент инерции выбранного полособульбового профиля с присоединённым пояском

;

где io=271,51 см⁴ - собственный момент инерции профиля;

уо=8,82 см - ордината центра тяжести профиля;

t=1,3 - толщина присоединённого пояска;

.

l/6=600/6=100 мм;

а=600 мм;

b=100 мм.

см⁴.

;

Рис. 7 Результат проектирования профиля горизонтального р.ж. переборки

;

см³ - условие прочности выполнено.

3.5 Проверочный расчет прочности

;

МПа

;

где Pp - расчетное давление для ПК;

до - толщина обшивки ПК у переборки;

tпр - приведенная толщина листов обшивки переборки

МПа.

Условие устойчивости рассчитываемой пластины имеет вид

;

МПа

;

МПа - прочность обеспечена.

Условие прочности по касательным напряжениям

;

МПа

4. Проектировочный расчёт элементов платформы

Платформы внутри прочного корпуса состоят из настила, бимсов и профильных ребер жесткости и должны быть рассчитаны на усилия, которые могут подействовать на них со стороны плоских переборок, и расчетную поперечную нагрузку, эквивалентную устанавливаемым на платформе механизмов, приборов, устройств и т. п.

Давление действующее на переборку через стойки передается на платформу в результате чего в ней возникают значительные напряжения, которые быстро уменьшаются по мере удаления от переборки.

В связи с этим листы платформы, примыкающие к переборке делаем утолщенными по сравнению с другими листами настила платформы. Значительные напряжения возникают также по линии соединения шельфа платформы с прочным корпусом.

Для уменьшения искажающего влияния платформы на деформацию цилиндрической оболочки прочного корпуса соединение платформы с ПК выполняем скользящим.

4.1 Определение толщины листов настила платформы

Рис. 8 Расчётная схема платформы

Интенсивность давления плоской переборки на платформу Р₀ определим по формуле

,

где =2,4 м - расстояние между платформами;

Р=1 МПа - давление на переборку;

КR=1,1 - коэффициент реакции стоек (для корпуса с двумя платформами)

МПа.

Толщина первого от переборки листа платформы, располагающегося поперек судна, определим по выражению

;

м;

Принимаем t1=0,01 м.

Толщину второго и последующих листов подбираем по соотношению

t2=t1 - (4…6), (мм);

t2=10 - 4=6 мм.

4.2 Определение шпации и размеров продольных ребер жесткости

Если усилия Po вызывают сжатие платформы, то её листы, расположенные у переборки могут потерять устойчивость. Для повышения устойчивости их подкрепляют ребрами жесткости, расположенными вдоль платформы.

Расстояние между продольными ребрами жесткости должно быть не более определенного по формуле

,

где э - напряжение, до которого должна быть доведена устойчивость листов настила платформы.

;

МПа.

м;

Так как С<b - устойчивость пластины не обеспечена.

Увеличиваем толщину t1=0,013 м.

м > 0,65 м

Расстояние между продольными ребрами жесткости должно быть равным соответствующему расстоянию b плоской переборки, b=0,6 м

Предварительно выбираем несимметричный полособульбовый профиль №8 ГОСТ 21937-76.

Момент инерции ребра жесткости определяется из соотношения

,

где f - площадь поперечного сечения самого ребра жесткости;

i - момент инерции ребра жесткости вместе с присоединенным пояскам настила.

Определим момент инерции с присоединенным пояском настила.

,

где iо=35,98 см⁴ - собственный момент инерции профиля;

уо=5,07 см - ордината центра тяжести профиля;

t1=1,3 см - толщина присоединённого пояска;

b - ширина присоединённого пояска

;

L = 0,8 м - шпация ОК;

а=0,6 м;

l/6=0,8/6=0,13 м

f=5,84 см² - площадь сечения профиля

см⁴.

см⁴.

176,6 см⁴ >83,4 см⁴ - условие выполняется, т.е. устойчивость профиля обеспечивается.

Рис 10 Расчётная схема бимсов платформы

Размеры бимсов настила подбираем по моменту сопротивления, подсчитанному по формуле

,

где Р=0,03 МПа - интенсивность расчетной поперечной нагрузки на платформу;

=55 см - шпация ОК;

а1=346 см - ширина платформы.

см³.

Высота стенки профиля

;

см.

Полученная величина момента сопротивления позволяет использовать в качестве балки бимса профильный прокат. По условию прочности момент сопротивления выбранного профиля должен быть не менее расчётного момента сопротивления.

Минимальная площадь сечения профиля:

,

см².

Предварительно выбираем несимметричный полособульбовый профиль № 14b ГОСТ 21937-76.

Момент инерции бимса вместе с присоединенным пояском настила.

;

где io=324,11см⁴ - собственный момент инерции профиля;

уо=8,53 см - ордината центра тяжести профиля;

дn=1,56 см - толщина присоединённого пояска;

b - ширина присоединённого пояска

;

l/6=346/6=57,6 см;

F=16,85 см² - площадь сечения профиля.

см⁴.

;

см.

;

см³ - условие прочности выполнено

;

МПа - условие выполнено.

Проверку устойчивости настила платформы произведем по формуле

;

МПа - условие выполнено.

5. Проектировочный расчёт элементов междубортной прочной цистерны с продольной системой набора

Для выполнения маневров погружения и всплытия ГА, для хранения жидких грузов и некоторых других специальных целей, ГА оборудуются цистернами, которые могут размещаться как внутри прочного корпуса, так снаружи в междубортном пространстве.

По конструкции цистерны делятся на прочные и легкие. Прочные цистерны должны быть рассчитаны на давление, соответствующее предельной глубине погружения, т.е. расчетным для них является расчетное давление для прочного корпуса ГА.

Цистерна имеет набор, состоящий из продольных ребер жесткости, идущих по обшивке цистерны через 50 см, а также из сплошных бракет, устанавливаемых через 2 шпации (на каждом втором шпангоуте прочного корпуса). Ширина междубортного пространства составляет 100 см. Применение продольной системы набора позволяет уменьшить толщину наружной обшивки цистерны.

Рис. 12 Расчётная схема прочной междубортной цистерны

5.1 Наружная обшивка

Толщинy обшивки определим как для жесткой пластины размером l1 x b по формуле:

;

где б, в - коэффициенты, определяемые по табл. 3, зависящие от соотношения сторон пластины.

Принимаем расстояние между продольными ребрами b=600 мм, между бракетами l1=1800 мм.

б =6430;

в=0,84.

см.

5.2 Продольные рёбра жёсткости

Подбор профиля ребра жесткости производится по минимальному моменту сопротивления, определяемому из условия прочности ребра как балки, жесткозаделанной на опорах и загруженной равномерной нагрузкой

;

см³

с учетом того, чтобы касательные напряжения в опорных сечениях не превышали допускаемых

;

где - площадь стенки ребра жесткости.

;

см²

Рис.13 Расчётная схема продольного р.ж. цистерны

Продольные рёбра жёсткости рассчитываем из условия прочности по минимальному моменту сопротивления.

1) Толщина стенки профиля

м

2) Высота стенки профиля

см

3) Площадь стенки профиля

см² - условие не выполняется

Увеличим h=25см

см

4) Условие устойчивости стенки профиля

;

;

5) Площадь свободного пояска в первом приближении

;

К=4,5;

см²

6) Толщина свободного пояска

t_свп=tcт+0,2;

tсвп=2,88+0,2=3,08 см

7) Необходимо выполнить условие

;

;

см;

см;

9,14 см >6,25 см

8) Площадь присоединённого пояска

см²;

где см

9) Уточняем коэффициент k

;

10) Уточняем площадь свободного пояска

;

11) Условие обеспечения устойчивости свободного пояска

;

;

2,92<20,5 - условие выполнено.

12) Формула Бубнова (проверочный расчёт прочности профиля)

;

см³

Рис. 14 Результат проектирования профиля горизонтальных р.ж. прочной цистерны

5.3 Поперечные рёбра жёсткости на бракетах

Толщину бракет принимаем равной толщине обшивки цистерны. В бракетах предусматриваем вырезы (размеры выбираем из обычных для данных конструкций соображений). Ослабленные бракеты подкрепляем ребрами жесткости (на каждом втором продольном ребре жесткости).

Профиль ребра жесткости подкрепляющего бракету подбираем по необходимому моменту инерции определяемому из условия устойчивости

;

где a1=а - tпрп - h - длина ребра жесткости.

a₁=100 - 3,08 - 25=71,92 см

см⁴.

Минимальная площадь сечения профиля:

,

Где

=0,42.

см².

Выбираем несимметричный полособульбовый профиль № 12 ГОСТ 21937-76.

По условию прочности момент инерции выбранного профиля должен быть не менее расчётного момента сопротивления I ? i .

Момент инерции выбранного полособульбового профиля с присоединённым пояском

;

где io=157,36см⁴ - собственный момент инерции профиля;

уо=7,55 см - ордината центра тяжести профиля;

дn=2,9 см - толщина присоединённого пояска;

b - ширина присоединённого пояска

;

Принимаем b=25 см.

F=11,13 см² - площадь сечения профиля.

см⁴.

938,9 см⁴ > 652,7 см⁴ - профиль устойчив.

Рис. 15 Результат проектирования профиля поперечного р.ж. прочной цистерны

5.4 Проверочный расчет

При оценке прочности цистерны проверяем:

- напряжения в обшивке цистерны

;

МПа;

777,8 МПа < 800 МПа - условие выполнено.

- напряжения в продольном ребре жесткости

;

где а =1 м - междубортное пространство;

f=щ+S';

l1 =1800 м.

МПа;

934,9 МПа > 800 МПа - условие не выполнено.

- сжимающие напряжения в ребре жесткости, подкрепляющего бракету

;

МПа;

617 МПа 640 МПа.

Проверка устойчивости :

- устойчивость бракеты определим по критерию

;

МПа.

- устойчивость ребра жесткости подкрепляющего бракету проверяется по критерию

;

МПа > урж

Заключение

В ходе выполнения данного курсового проекта нами были получены базовые навыки проектирования корпуса подводной лодки. Целью проведённых расчётов являлось обеспечение прочности и устойчивости корпусных конструкций глубоководного аппарата под действием внешних гидростатических нагрузок на заданной глубине погружения. В результате проделанной работы нами был спроектирован корпус подводной лодки. полностью удовлетворяющий параметрам, указанным в задании.

Список литературы