Снижение трудоёмкости экспериментального подтверждения прочности судовых виброизоляторов при воздействии длительной вибрации на основе исследования их напряженно-деформированного состояния

Никишов, Сергей Юрьевич

Снижение трудоёмкости экспериментального подтверждения прочности судовых виброизоляторов при воздействии длительной вибрации на основе исследования их напряженно-деформированного состояния тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

Никишов, Сергей Юрьевич АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Снижение трудоёмкости экспериментального подтверждения прочности судовых виброизоляторов при воздействии длительной вибрации на основе исследования их напряженно-деформированного состояния»

Автореферат диссертации на тему "Снижение трудоёмкости экспериментального подтверждения прочности судовых виброизоляторов при воздействии длительной вибрации на основе исследования их напряженно-деформированного состояния"

На правах рукописи

НИКИШОВ СЕРГЕЙ ЮРЬЕВИЧ

СНИЖЕНИЕ ТРУДОЁМКОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО

ПОДТВЕРЖДЕНИЯ ПРОЧНОСТИ СУДОВЫХ ВИБРОИЗОЛЯТОРОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ДЛИТЕЛЬНОЙ ВИБРАЦИИ НА ОСНОВЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИХ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

Специальность 01.04.06 - Акустика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Санкт-Петербург - 2013 00554222О

005542225

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет» на кафедре физики.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Голованов Владимир Иванович

доктор технических наук, старший научный сотрудник,

ведущий научный сотрудник ФГУП «Крыловский ГНЦ»

Пархоменко Владимир Николаевич

доктор технических наук, профессор, старший научный сотрудник НИИ КиВ ВМФ ВУНЦ ВМФ «BMA»

Гладилии Юрий Алексеевич

кандидат технических наук, доцент специалист ВШХ ОАО «Концерн «НПО «Аврора»

ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится 26 декабря 2013 года в 16-00 ч. в ауд. У-167 на заседании диссертационного совета Д 212.228.04 при Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете (СПбГМТУ) по адресу: 198262, Санкт-Петербург, Ленинский пр., д. 101.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, подписанные и заверенные печатью учреждения, прошу направлять по адресу: 190008, Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, д. 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГМТУ. Автореферат разослан ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, профессор

Б.П. Васильев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В основе создания акустически качественных морских объектов лежит акустическое проектирование, которое является частью системного проектирования. Анализ отечественного и зарубежного опыта в области судовой акустики показывает, что достижение низких уровней шумности невозможно без использования конструктивных судовых средств и методов акустической защиты, предназначенных для снижения колебательной энергии источников на путях ее распространения.

Исследования, проведенные ведущими институтами отрасли, позволили сформулировать, в общем виде, основные принципы проектирования малошумных перспективных морских объектов, среди которых основное место занимает широкое применение комплекса средств акустической защиты (САЗ).

Наиболее распространенными САЗ в судостроении являются резинометаллические виброизоляторы. В отечественном судостроении вместо термина «виброизоляторы» зачастую используется термин «амортизаторы». Значительная доля снижения шумности морских объектов достигается за счет повышения эффективности именно САЗ, в первую очередь, резинометаллических амортизаторов (РМА).

К настоящему времени для основного виброактивного судового оборудования создана номенклатура амортизаторов, применение которых успешно решает задачу снижения вибрационной энергии, передаваемой через опорные связи. Вследствие этого на современных судах определяющей становится вибрационная энергия, передаваемая через неопорные связи, в первую очередь, через трубопроводы судовых трубопроводных систем. Уменьшение величины этой энергии, передающейся на несущие конструкции через подвески трубопроводов, может быть достигнуто путем применения для судовых трубопроводов, наряду с широко

распространенными подвесками, такими как тип IV и ПТАКСС по ОСТ 5Р.5398-83, новых эффективных виброизолирующих подвесок.

РМА и подвески судовых трубопроводов, благодаря разнообразной номенклатуре, отлаженной, хотя и трудоёмкой технологии изготовления при серийном выпуске, нашли широкое применение в судостроении.

Анализ современного состояния проектирования и создания РМА и подвесок в сложившихся рыночных экономических отношениях показал, что применяемый сейчас на практике порядок проектирования амортизаторов и контроля их параметров в процессе производства является дорогостоящим, требует значительных материальных и временных затрат, большого количества испытуемых образцов и не отвечает современным экономическим требованиям. В результате этого получаемая продукция становится неконкурентоспособной, значительно увеличивается цикл ее освоения и внедрения на судах.

Основным фактором, определяющим такое положение, является необходимость экспериментального подтверждения ресурсных характеристик новых РМА и подвесок. Аналогичное положение существует и для серийных виброизолирующих конструкций, для которых в ходе их периодических или квалификационных испытаний, в- соответствие с действующей нормативной, документацией подтверждаются ресурсные показатели всех типоразмеров амортизаторов и подвесок. Осббенно длительным и затратным такой процесс оказывается для типорядов РМА, например, для амортизаторов типа АКСС-И и АКСС-М, имеющим существенное количество модификаций. Аналогичное положение наблюдается также для виброизолирующих подвесок, в которых для трубопроводов различных наружных диаметров используется типовой упругий элемент.

Таким образом, для улучшения сложившейся ситуации необходимо иметь научно обоснованный подход, использование которого позволило бы

существенно сократить время испытаний и количество образцов, необходимых для их проведения.

Цель работы

Обоснование возможности снижения трудоемкости экспериментального подтверждения прочности судовых виброизоляторов при воздействии длительной вибрации на основе исследования их напряженно-деформированного состояния.

Задачи исследования

- проанализировать особенности конструкций типовых широко применяемых амортизаторов и новых амортизирующих конструкций (например, судовых подвесок трубопроводов);

- сформировать их расчетные модели;

- провести расчеты напряженно-деформированного состояния всех типоразмеров подвесок и амортизаторов рассматриваемого типоряда;

- по результатам расчета выделить элементы с максимальными напряжениями;

- экспериментально подтвердить полученные результаты, т.е. провести ресурсные испытания как выбранных элементов с максимальными напряжениями, так и каких-либо других элементов того же типа;

-разработать подход к сокращению времени проведения ресурсных испытаний и уменьшения количества образцов амортизаторов, необходимых для их проведения.

Научная новизна

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

¡.Показана возможность применения расчетного способа для обоснования более экономичного подхода к проведению ресурсных испытаний.

2. Разработан новый подход к подтверждению ресурса типоряда судовых амортизаторов и виброизолирующих подвесок трубопроводов с подобными упругими элементами, выполненными из типовой

амортизационной резины, на основе исследования их напряженно-деформированного состояния.

3. Предложена конструкция нового унифицированного упругого элемента для эффективных виброизолирующих подвесок трубопроводов малых диаметров, экспериментально определены основные характеристики. Практическая ценность Практическая ценность работы заключается в:

-разработке практического подхода, позволяющего сократить время проведения ресурсных испытаний и количества испытуемых образцов;

-создании на основе предложенной конструкции унифицированного упругого элемента типоряда виброизолирующих подвесок для трубопроводов малых диаметров.

Использование результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими актами.

Методы исследования

Теоретические исследования выполнены на основе апробированных прикладных методах расчета, которые позволяют определить параметры напряженно-деформированного состояния РМА и подвесок. Использовались современные методы численного моделирования, позволяющие достаточно точно рассчитывать основные характеристики любых конструкций.

Экспериментальные исследования выполнялись по аттестованным методикам измерений на аттестованном стендовом оборудовании с использованием поверенных средств измерений.

Основные положения, выносимые на защиту На защиту выносятся следующие основные результаты работы: 1. Новый подход к подтверждению ресурса типоряда судовых амортизаторов и виброизолирующих подвесок трубопроводов с подобными упругими элементами, выполненными из типовой амортизационной резины, на основе исследования их напряженно-деформированного состояния.

2. Результаты экспериментального исследования ресурсных показателей типорядов некоторых амортизаторов и виброизолирующих подвесок трубопроводов.

3. Конструкция нового унифицированного упругого элемента для эффективных виброизолирующих подвесок трубопроводов малых диаметров.

Достоверность результатов

Достоверность и обоснованность полученных результатов обусловлена:

— внутренней непротиворечивостью сделанных предположений;

— использованием для расчетов апробированных методов, а для экспериментальных исследований - современного аттестованного оборудования, аттестованных методик и поверенной аппаратуры;

— подтверждением основных положений результатами экспериментальных исследований.

Лнчный вклад автора

При непосредственном участии автора проводились: эксперименты, выполнялись расчетные исследования, производилась обработка и анализ данных, а также их интерпретация. Разработан подход к сокращению объема ресурсных испытаний однотипных образцов амортизаторов; алгоритм проведения расчета с использованием предлагаемого подхода; предложена конструкция виброизолирующей судовой подвески с новым унифицированным упругим элементом.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на:

— И международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы динамики и прочности материалов и конструкций: модели, методы, решения», СамГУПС, г. Самара, 2011 г.;

— межотраслевых научно-практических конференциях «Военное кораблестроение России. ВОКОР-2011, ВСЖОР-2012» 1 ЦНИИ МО РФ, Санкт-Петербург, 2011 - 2012 гг.;

- международной научно-технической конференции с участием молодых ученых «Динамика и виброакустика машин», г. Самара, 2012 г.;

-научной конференции «Сессия научного совета РАН по акустике и XXV сессия Российского акустического общества», г. Таганрог, 2012 г.

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 5 научных работ, в том числе 2 статьи, 3 доклада на научно-технических конференциях. В личном авторстве опубликована одна работа, авторская доля в остальных работах от 25 до 50 %. В изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК РФ, опубликовано 2 научно-технические статьи: одна без соавторов, авторская доля в другой -70 %.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и 5 приложений. Основной материал изложен на 92 страницах текста и содержит 24 рисунка, 14 таблиц. Список использованной литературы включает в себя 85 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, определены цели и задачи исследования, определены научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, кратко изложено содержание работы по главам.

В первой главе проведен анализ современного состояния вопроса создания и внедрения на производстве новых амортизирующих конструкций. Обозначены проблемы, возникающие при подтверждении их ресурсных характеристик, а также имеющиеся пути их решения. Представлен обзор работ по численному определению основных характеристик резинометаллических амортизирующих конструкций.

Во второй главе проанализированы конструкции имеющихся средств акустической защиты судовых трубопроводов, обоснована потребность

отрасли в новых эффективных виброизолирующих подвесках и предложена конструктивная схема подвески для трубопроводов малых диаметров с новым унифицированным упругим элементом. Изложены принципы формирования конечно-элементной модели подвесок данного типа, приведены результаты экспериментальных исследований по определению их основных характеристик, произведен анализ полученных результатов и выбор наиболее напряженного типоразмера подвесок. Дано обоснование возможности сокращения времени проведения ускоренных ресурсных испытаний и количества образцов подвесок, необходимых для их проведения. Произведена оценка виброизолирующей эффективности подвески с предлагаемым унифицированным упругим элементом.

В настоящее время для виброизоляции трубопроводов малых диаметров применяют подвески ПТАКСС с амортизаторами АКСС-25И, либо подвески тип VI. Жесткость подвесок велика, поэтому для малого веса участка трубы частота собственных колебаний, обеспечиваемая такими подвесками в направлении нормальном к оси трубопровода, имеет большие значения.

Очевидно, что для судовых трубопроводов малых диаметров необходима разработка новых эффективных виброизолирующих подвесок.

Наиболее удачным представляется создание одного упругого элемента для подвесок на все типоразмеры трубопроводов малого диаметра. Такой упругий элемент должен быть выполнен в виде резиновой полосы, от которой в процессе монтажа подвески отрезается кусок требуемой длины. Форма полосы должна быть такой, чтобы обеспечивалась небольшая жесткость. На верхней и нижней гранях резиновой полосы необходимо сделать ряд вырезов так, как это показано на рисунке 1. Размер и форма верхних и нижних вырезов были определены по результатам расчетных оценок, проводимых с использованием программного комплекса АЫБУБ.

Рисунок 1. Вид нового унифицированного упругого элемента подвесок для судовых трубопроводов малых диаметров

Конструктивная схема подвесок судовых трубопроводов с использованием нового упругого элемента представлена на рисунке 2.

2 \ I Трубопровод

Рисунок 2. Конструктивная схема подвески с новым упругим элементом: 1 - унифицированный упругий элемент; 2, 3 - полухомуты; 4 - элементы крепления; 5 - хвостовик

Форма вырезов обеспечивает технологичность монтажа конструкции для труб различного диаметра, не допуская смыкания вырезов, что гарантированно обеспечивает высокие вибро изолирующие свойства подвески.

Образцы подвесок выдержали без разрушения и появления дефектов полный объем межведомственных испытаний. Таким образом, установлено, что изготовленные подвески отвечают регламентированным судостроительной отраслью требованиям, которые предъявляются к ним.

Обычно считается, что ресурсные испытания должны проводиться для всех типоразмеров, что для 20 подвесок, рассчитанных на различные наружные диаметры, потребует значительных затрат как временных, так и материальных ресурсов. Однако, для типоряда предлагаемых подвесок, в которых используется одинаковые упругие элементы, целесообразно использовать подход, основанный на сопоставлении напряжений, возникающих в материале упругого элемента при его циклическом деформировании. Суть такого сопоставления заключается в следующем.

При монтаже упругих элементов на трубопроводы и эксплуатации в них возникают напряжения. Величины этих напряжений зависят от наружного диаметра трубопровода. Режим ускоренных испытаний определяется амплитудой, частотой и количеством циклов деформирования. Для подвесок всех трубопроводов малых диаметров эти величины одинаковы. Учитывая эти факторы, можно утверждать следующее. Если подвески, в упругом элементе которых реализуются максимальные напряжения, выдерживают без разрушения весь цикл ресурсных испытаний, то и подвески, в упругих элементах которых реализуются меньшие напряжения, также без разрушения выдерживают такой цикл испытаний.

Таким образом, поскольку очевидно, что для предлагаемых подвесок максимальные напряжения реализуются в подвесках, устанавливаемых на трубопроводы минимального диаметра, возможно проводить ресурсные испытания только на таких подвесках. При условии, что они без разрушения выдерживают требуемый цикл испытаний, этот результат можно переносить на остальные типоразмеры подвесок, т.е. можно считать, что все подвески выдерживают требуемый цикл испытаний.

С целью оценки эффективности подвески с новым упругим элементом были произведены сравнительные измерения перепадов вибрации на трубопроводе, наружный диаметр которого равен 38 мм, системы охлаждения судового оборудования. Результаты измерений перепадов вибрации приведены на рисунке 3.

а>

е-

С 40

35 30 25 20

Частота, Гц

Рисунок 3. Значения перепадов вибрации на подвесках с новым упругим элементом и подвесках типа ПТАКСС, установленных на трубопроводе наружным диаметром 38 мм

Как видно из рисунка, эффективность подвески с новым унифицированным упругим элементом на 10-15 дБ превосходит эффективность широко используемой подвески типа ПТАКСС и, тем более, тип VI. Данные результаты позволяют предложить использование нового упругого элемента в подвесках для трубопроводов малого диаметра, как альтернативу подвескам тип ПТАКСС и тип VI.

В третьей главе, на основе результатов ресурсных испытаний подвесок, полученных в предыдущей главе, обоснована возможность использования в качестве критерия, определяющего длительную

вибрационную прочность амортизаторов, величин эксплуатационных напряжений, возникающих в их упругих элементах. Эта величина определяется путём расчета напряженно-деформированного состояния упругого элемента. Для описания связи между напряжениями и деформациями при конечных деформациях использован феноменологический подход.

Типоряды современных амортизаторов включают в себя большое количество модификаций. Осуществление ресурсных испытаний всех типоразмеров и модификаций амортизаторов, используемых потребителями, не представляется возможным вследствие их существенной продолжительности. Для существенного сокращения объема и, следовательно, длительности и стоимости испытаний амортизаторов целесообразно использовать подход, аналогичный подходу, примененному к испытаниям подвесок. Иными словами целесообразно использовать метод, суть которого заключается в следующем. Рассматривается типоряд виброизоляторов, в котором все типоразмеры имеют подобную форму, а их упругие элементы выполнены из одного и того же материала. Для каждого типоразмера численно определяются величины напряжений, которые действуют при эксплуатации в упругом элементе с учетом его взаимодействия с металлической арматурой. При использовании такого подхода предполагается, что самым слабым звеном в амортизаторе является упругий элемент, а не металлическая арматура. Из всей номенклатуры амортизаторов выбираются типоразмеры с наибольшими напряжениями, которые и подвергаются ресурсным испытаниям в соответствии с заданной моделью эксплуатации. При оценке ресурса РМА обязательным условием является выявление зон с максимальными напряжениями, которые являются основными источниками развития повреждений. Именно эти максимальные напряжения определят работоспособность упругого элемента амортизатора, а не средние значения напряжений. Так как типоразмеры амортизатора одного типа имеют близкую геометрию, можно считать, что если типоразмеры

амортизаторов с максимальными напряжениями выдержали цикл ресурсных испытаний, то и все прочие типоразмеры также его выдержат.

Выбор наиболее напряженных типоразмеров осуществляется расчетным путем на основании решения взаимосвязанных задач, а именно:

- обобщения и описания физико-механических свойств резин, применяемых для изготовления упругих элементов амортизаторов;

-определения параметров напряженно-деформированного состояния всех типоразмеров рассматриваемого типоряда амортизаторов, возникающего в их упругих элементах при действии статической сжимающей, растягивающей и сдвиговой нагрузок, и определения типоразмеров с максимальными значениями этих напряжений. Величина нагрузки, прикладываемой в направлении каждой из главных осей конструкции, соответствует номинальной.

Обширные работы, проведенные в Ленинградском государственном университете по расчету резинотехнических изделий, показали эффективность использования трехконсгантного (//, /?, ri) потенциала

Ф = 4[(1 + Р) V- 3) + (1 - Р) VI- 3)] • (1)

где [х-модуль сдвига линейной упругости; /?-безразмерная постоянная материала; я - варьируемый параметр дробности; /¡, h — инварианты деформаций.

При расчете РМА, работающих при умеренных деформациях (0,3<Я<4), большое значение имеет простота потенциала и малое количество постоянных, подлежащих определению на основании обработки экспериментальных данных.

В работе рассмотрены три вида упругого потенциала (1) применительно к этим резинам, а именно:

потенциал Трелоара п = 2, /? = 1 ;

потенциал Черных п= 1;

потенциал Муни-Ривлина п =2.

Параметры, входящие в потенциалы Трелоара (« = 2, /?= 1), Муни-Ривлина (« = 2) и Черных (и=1), вычисленные с использованием метода спрямляющих координат, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Параметры упругих потенциалов исследуемых резин

Марка резины Муни-Ривлин (и = 2) Черных (и = 1) Трелоар (п = 2,Р= 1)

С,, МПа С2, МПа ц, МПа Р МПа

1-10942 0,7 0,033 1,46 1,39 1,48

1-10943 0,43 0,2 1,26 0,80 1,26

1-10945 0,2 0,05 0,49 1,4 0,5

1-10947 0,21 0,038 0,5 1,46 0,5

В таблице 2 приведены значения модуля сдвига, полученные из обработки экспериментальных данных по одноосному деформированию резин, и полученного экспериментально статического модуля сдвига, соответствующие линейной упругости.

Таблица 2. Сопоставление значений модуля сдвига линейной упругости, МПа

Марка резины п= 1 п = 2 п = 2,р=\ Эксперимент

1-10942 1,46 1,47 1,48 1,5

1-10943 1,26 1,25 1,26 1,27

1-10945 0,49 0,5 0,49 0,5

1-10947 0,5 0,49 0,5 0,52

Из анализа данных таблиц 1 и 2 следует:

- трехпараметрический упругий потенциал (Трелоара, Муни-Ривлина, Черных) пригоден для описания закона деформирования амортизационных резин марок 1-10942,1-10943,1-10945 и 1-10947;

- изменяя значения порядка дробности п, можно удлинять для рассматриваемого материала интервал, в котором справедлив соответствующий закон упругости;

- точность определения постоянных материала Р в большей степени определяется точностью экспериментальных данных, полученных при малых значениях деформирования.

Интервалы применимости упругих потенциалов для рассмотренных амортизационных резин приведены в таблице 3.

Таблица 3. Границы применимости упругих потенциалов для амортизационных резин при одноосном деформировании

Марка резины п= 1 я = 2 п = 2, ц = 1

растяжение, Ai сжатие растяжение, Ai сжатие, растяжение, Ài сжатие, ii

1-10942 — 0,75 - 0,75 - 0,75

1-10943 1Д 0,94 1,1 0,94 1,1 0,90

1-10945 1,3 0,6 1,4 0,76 1,65 0,6

1-10947 1,4 0,6 1,4 0,8 1,67 0,59

Из анализа таблицы 3 следует, что в рассмотренном интервале деформирования 0,7<Л<1,7 упругие потенциалы описывают свойства амортизационных резин марок 1-10942, 1-10943, 1-10945 и 1-10947, которые используются для изготовления упругих элементов амортизаторов АКСС, практически одинаково. Таким образом, для выполнения расчетных оценок выбран потенциал Муни-Ривлина, как наиболее простой и удобный в работе.

В четвертой главе приведено описание алгоритма расчета основных характеристик РМА, последовательности построения конечно-элементной модели, определения напряженно-деформированного - состояния при действии статической нагрузки. Приведены результаты расчета нагрузочных характеристик и исследования напряженно-деформированного состояния выбранной номенклатуры РМА при действии статической нагрузки, произведен анализ полученных результатов.

Основное внимание уделено исследованию напряженно-деформированному состоянию существующих амортизаторов.

Для выполнения этого было выполнено следующее:

- определена номенклатура РМА, которые будут исследованы;

- построены их конечно-элементные модели;

- выполнены расчеты и определены распределения нормальных напряжений о>, ау, <т2, которые действуют в упругих элементах амортизаторов, для случаев действия сжимающей и растягивающей нагрузок

в направлении главной оси конструкции Z и сдвиговых нагрузок в направлении главных осей конструкции X и Y.

Для расчёта реальных амортизаторов с резиноподобным упругим элементом использованы численные методы. Применение численных методов особенно эффективно для амортизаторов со сложной геометрией, с разрывами физико-механических свойств материала и при сложных граничных условиях.

Для расчета напряженно-деформированного состояния амортизатора с резиноподобным упругим элементом необходимо сначала построить его конечно-элементную модель.

Расчет по методу конечных элементов производится с помощью пакета ANSYS, предназначенного, в том числе, и для решения задач нелинейной теории упругости.

Для проведения численных экспериментов с использованием предлагаемого подхода по сокращению трудозатрат на проведение испытаний для выбранного типоряда РМА с подобными упругими элементами предлагается следующий порядок:

1. Исследуется напряженно-деформированное состояние всех типоразмеров РМА в направлении главных осей конструкции при действии статической сжимающей и растягивающей нагрузки Ро, а также сдвиговой нагрузки. Определяются нормальные напряжения ах, <ту, а2, действующие в упругом элементе при деформировании амортизатора номинальной статической нагрузкой в направлении главной оси Z, а также при действии сдвиговых усилий в направлении главных осей конструкции X и Y.

2. Из результатов расчетов по п. 1 выбираются типоразмеры РМА с максимальными напряжениями.

3. Наиболее напряженные типоразмеры по п. 2 подвергаются ресурсным испытаниям по типовой программе.

4. Если выбранные РМА выдерживают весь цикл испытаний по подтверждению ресурса, то их результаты распространяются на типоряд в целом.

Из анализа данных, полученных в рассматриваемой главе, следует, что при всех рассмотренных видах нагружения (растяжение, сжатие, сдвиг), наибольшие напряжения возникают в резиновых массивах РМА следующих типоразмеров: АКСС-10М, АКСС-15 M, АКСС-25 M, АКСС-120 М, AKCC-300M, АКСС-25 И, АКСС-120 И и АКСС-300 И. Значения нормальных растягивающих и сжимающих напряжений в этих амортизаторах значительно выше напряжений, возникающих в других исследованных типоразмерах.

В пятой главе приведены результаты экспериментального исследования амортизаторов АКСС при длительном вибрационном нагружении с заданными параметрами с целью подтверждения допустимости подхода к сокращению времени проведения ресурсных испытаний и количества опытных образцов РМА с подобными упругими элементами.

Поскольку амортизаторы типа АКСС эксплуатируются в широком спектре по условиям нагружения упругого элемента и температурам окружающей среды, то необходимы испытания с целью подтверждения их ресурсных характеристик.

Так как практическое воспроизведение всего спектра эксплуатационных нагрузок в стендовых условиях невозможно, то необходимо провести ускоренные ресурсные испытания, унифицировав их параметры, установить критерии отказа (предельного состояния) изделий, позволяющие перенести результаты стендовых испытаний на реальные условия эксплуатации. Таким образом, задача сводится к определению параметров вибрационного нагружения в стендовых условиях, эквивалентного эксплуатации. Эквивалентным эксплуатации нагружением является нагружение, вносящее в изделие повреждаемость, равную повреждаемости, которая происходит при реальной эксплуатации.

Определенный режим испытаний имел следующие параметры:

- амплитуда деформирования - (2,0 ± 0,1) мм;

- температура окружающего воздуха — от 20°С;

- частота деформирования — (0,2 ± 0,02) Гц;

- количество циклов деформирования - 7-10б.

Из всех модификаций амортизаторов АКСС для испытаний были отобраны наиболее напряженные типоразмеры, которые были определены по результатам расчета напряженно-деформированного состояния (см. содержание главы 4 настоящей работы). Ресурсные испытания выбранных образцов амортизаторов АКСС проводились на аттестованном испытательном вибрационном стенде гидравлического типа в режиме низкочастотного циклического деформирования, принадлежащем ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Этот стенд обеспечивает при нагружении номинальной статической нагрузкой циклическое деформирование образцов с заданной амплитудой и частотой.

Выбранные образцы амортизаторов типа АКСС успешно прошли ускоренные ресурсные испытания, о чем составлены соответствующие протоколы. В процессе проведения испытаний указанных изделий ни один образец не достиг предельного состояния. Контрольные испытания были проведены на менее нагруженных типоразмерах, в результате которых также были подтверждены их ресурсные характеристики.

Таким образом, на примере уже существующих и всесторонне исследованных амортизаторов показана возможность сокращения времени проведения ускоренных ресурсных испытаний и количества образцов РМА. Предлагаемый подход позволяет в минимальные сроки подтвердить прогнозируемые ресурсные характеристики типорядов вновь разрабатываемых амортизаторов с подобными упругими элементами без изготовления значительного количества опытных образцов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненная работа направлена на изыскание возможности снижения трудоемкости экспериментального подтверждения прочности судовых виброизоляторов при воздействии длительной вибрации и, как следствие, на обеспечение улучшения акустических характеристик судов, проектируемых в отечественном судостроении, посредством сокращения времени на внедрение проектируемых более эффективных амортизирующих конструкций.

Проведенные исследования позволили получить качественно новые результаты и сделать ряд выводов. Они, в основном, сводятся к следующему.

1. Предложена и обоснована возможность сокращения времени проведения ускоренных ресурсных испытаний и количества образцов подвесок, необходимых для их проведения. Показана возможность подтверждения работоспособности типоряда амортизирующих конструкций, в которых в качестве упругого элемента используются однотипные упругие элементы, по результатам испытаний изделия с максимальными напряжениями. Полученные результаты позволили предложить такой же подход к подтверждению работоспособности типорядов амортизаторов.

2. Предложен новый подход к подтверждению ресурса типоряда судовых амортизаторов и виброизолирующих подвесок трубопроводов с подобными упругими элементами, выполненными из типовой амортизационной резины, на основе исследования их напряженно-деформированного состояния.

3. Обоснована применимость этого подхода к сокращению времени проведения испытаний на вибрационную прочность и уменьшению количества испытуемых образцов амортизаторов на основе исследования их напряженно-деформированного состояния.

4. На основе результатов анализа основных физико-механических свойств амортизационных резин марок 1-10942, 1-10943, 1-10945 и 1-10947, применяемых для изготовления упругих элементов РМА, обоснован выбор для расчетных оценок реализованный в программном комплексе ANSYS потенциал Муни-Ривлина, как наиболее простой и удобный в работе.

5. Исследовано напряженно-деформированное состояние упругих элементов существующих РМА и определены наиболее напряженные типоразмеры, которые были выбраны для проведения ускоренных ресурсных испытаний.

6. Экспериментально исследованы ресурсные показатели типорядов амортизаторов и виброизолирующих подвесок, результаты подтвердили обоснованность предлагаемого подхода.

Таким образом, предлагаемый подход позволяет в минимальные сроки подтвердить работоспособность вновь разрабатываемых типорядов амортизаторов с подобными упругими элементами без изготовления значительного количества опытных образцов.

Дополнительные результаты диссертационной работы:

1. Разработана конструкция нового унифицированного упругого элемент для эффективных виброизолирующих подвесок судовых трубопроводов малых диаметров (Он < 50 мм).

2. Экспериментально определены основные характеристики, как отдельно упругих элементов, так и подвесок судовых трубопроводов различных диаметров с такими элементами. При этом показано, что вибрационная жесткость виброизолирующих подвесок с предлагаемым новым унифицированным упругим элементом меньше вибрационной жесткости традиционно используемых для трубопроводов малых диаметров подвесок ПТАКСС-25, для трубопроводов £>„ 55 вибрационная жесткость меньше в 1,6 раза, для трубопроводов 22 — в 4,5 раза.

3. По результатам сравнительных натурных испытаний показана более высокая, по сравнению с типом ПТАКСС, виброизолирующая эффективность подвески с разработанным унифицированным упругим элементом.

Результаты работы нашли внедрение:

- в ФГУП «Крыловский государственный научный центр» при численном определении НДС амортизаторов типа АКСС;

- в ООО «НПФ «Анком» при проектировании и создании виброизоляторов;

-в ОАО «СПМБМ «Малахит» при проектировании виброактивных систем трубопроводов.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ I Публикации в изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК РФ:

1. НикишовС.Ю. Новые эффективные виброизолирующие подвески судовых трубопроводов. // М.: Изобретательство. — т. XIII, № 11. — 2013. -с. 25-32. (автор - 100%).

2. Никишов С.Ю., Лепеш Г.В. Сокращение объема ресурсных испытаний резинометаллических амортизаторов по результатам предварительных численных исследований. // СПб: Технико-технологические проблемы сервиса. -№ 3 (25). - 2013. - с. 7-10. (автор - 70%).

П Прочие издания:

3. Никишов С.Ю., Волкова Н.В. Результаты численного определения напряжений в упругих элементах резинометаллических амортизаторов // Сборник трудов 2-й международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы динамики и прочности материалов и конструкций: модели, методы, решения (31 мая — 2 июня 2011г., г. Самара)». - Орел: Госуниверситет — УНПК, 2011. - с. 33-40. (автор - 50%).

4. Волкова Н.В., Голованов В.И., Никишов С.Ю. О возможности расчетного подтверждения требуемого срока эксплуатации резинометаллических амортизаторов на основе численного определения напряжений в упругих элементах // Сборник трудов международной научно-технической конференции с участием молодых ученых «Динамика и виброакустика машин», - Самара, СГАУ, 2012. - т.2, с. 37-38. (автор - 25%).

5. Волкова Н.В., Голованов В.И., Никишов С.Ю. Возможность оценки ресурсных показателей резинометаллических -амортизирующих конструкций на основе численного определения напряжений, возникающих в их упругих элементах // Сборник трудов научной конференции «Сессия научного совета РАН по акустике и XXV сессия Российского акустического общества», — М.: ГЕОС, 2012. - т.З, с. 135-139. (автор-25%).

Издательство СПбГМТУ, Лоцманская, 10 Подписано в печать 20.11.2013. Зак. 4587. Тир.90. 1,1 печ. л.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата технических наук, Никишов, Сергей Юрьевич, Санкт-Петербург

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшегр профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный морской технический

Никишов Сергей Юрьевич

СНИЖЕНИЕ ТРУДОЁМКОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО

Специальность: 01.04.06 - Акустика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, старший научный сотрудник

Голованов Владимир Иванович

Санкт-Петербург - 2013 год

университет»

На

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................4

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА СОЗДАНИЯ И ПОСТАНОВКИ НА ПРОИЗВОДСТВО НОВЫХ АМОРТИЗИРУЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ.....................................................14

1.1 Особенности проектирования и производства РМА и виброизолирующих подвесок..........................................................................14

1.2 Проблемы, возникающие при создании РМА и виброизолирующих подвесок..............................................................................................................16

1.3 Анализ современного состояние вопроса численного исследования РМА.....................................................................................................................19

1.4 Основные направления и пути решения поставленной задачи..............26

1.5 Выводы по главе..........................................................................................27

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА НОВОГО ЭФФЕКТИВНОГО УПРУГОГО ЭЛЕМЕНТА ДЛЯ ВИБРОИЗОЛИРУЮЩИХ ПОДВЕСОК СУДОВЫХ ТРУБОПРОВОДОВ МАЛЫХ ДИАМЕТРОВ................................................29

2.1 Разработка конструктивной схемы нового упругого элемента для подвесок судовых трубопроводов малых диаметров....................................29

2.2 Конструктивная схема подвесок с использованием нового упругого элемента..............................................................................................................33

2.3 Результаты экспериментального определения характеристик предлагаемой подвески.....................................................................................36

2.4 Сравнение эффективностей подвесок типа ПТАКСС и подвесок с новым упругим элементом...............................................................................41

2.5 Выводы по главе..........................................................................................43

ГЛАВА 3 ОБОБЩЕНИЕ И ОПИСАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РЕЗИН, ПРИМЕНЯЕМЫХ В РЕЗИНОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ АМОРТИЗАТОРАХ..........................................................................................44

3.1 Подход к сокращению объема ресурсных испытаний амортизаторов..44

3.2 Основные характеристики амортизационных резин...............................46

3.3 Феноменологический подход к описанию упругих свойств резины.....47

3.4 Выбор формы описания упругого потенциала.........................................56

3.5 Методы расчета амортизирующих конструкций.....................................59

3.6 Выводы по главе..........................................................................................62

ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ТИПОВЫХ РЕЗИНОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ АМОРТИЗАТОРОВ..........................................................................................64

4.1 Описание алгоритма расчета......................................................................64

4.2 Определение номенклатуры исследуемых резинометаллических амортизирующих конструкций........................................................................68

4.3 Конечно-элементные модели амортизаторов типа АКСС......................69

4.4 Результаты численного определения основных характеристик РМА типа АКСС..........................................................................................................72

4.5 Определение типоразмеров амортизаторов типа АКСС с максимальными напряжениями в упругих элементах...................................76

4.6 Выводы по главе..........................................................................................80

ГЛАВА 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РЕСУРСНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АМОРТИЗАТОРОВ ТИПА АКСС.....82

5.1 Ресурсные характеристики амортизаторов типа АКСС..........................82

5.2 Выводы по главе..........................................................................................89

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................90

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ...............................................................................93

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................................94

ПРИЛОЖЕНИЕ А............................................................................................103

ПРИЛОЖЕНИЕ Б............................................................................................104

ПРИЛОЖЕНИЕ В............................................................................................105

ПРИЛОЖЕНИЕ Г............................................................................................106

ПРИЛОЖЕНИЕ Д............................................................................................112

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Актуальность вопроса улучшения акустической скрытности, помехозащищенности собственных гидроакустических станций, а также акустической обитаемости в каютах и на рабочих местах, проектируемых в отечественном судостроении объектов не вызывает никакого сомнения.

Рост мощности и, соответственно, повышение виброактивности современных судовых машин и механизмов влечет за собой усиление звуковых вибраций в судовых корпусных конструкциях и, как следствие этого, повышение уровней шума в судовых помещениях. Это может служить причиной как профессиональных заболеваний обслуживающего персонала, так и усталостных повреждений конструкций. Шум воздействует на человека не только физически и физиологически, но и с социальной точки зрения. Повышенный уровень шума способен:

- нарушать слух;

- раздражать;

- вызывать усталость;

- снижать работоспособность;

- создавать помехи средствам связи.

Долгое пребывание в шумном помещении приводит к постепенному снижению слуховой чувствительности, связанному с повреждением сенсорных органов внутреннего уха. Такая потеря слуха часто не восстанавливается.

Риск потери слуха повышается с ростом уровня шума и с увеличением времени пребывания в шумном помещении, кроме того он сильно зависит от характера шума. Чувствительность к шуму является очень индивидуальной зависимостью. Одни люди могут пострадать за короткое время, другие могут длительно работать, иногда всю трудовую жизнь, в очень шумных помещениях без заметного нарушения слуха. Интенсивный шум

не только нарушает слух, но и способен влиять на кровообращение, вызывать стресс и оказывать другие отрицательные физиологические воздействия.

В основе создания акустически качественных морских объектов лежит акустическое проектирование, которое является частью системного проектирования [1]. Анализ отечественного и зарубежного опыта в области судовой акустики показывает, что достижение низких уровней шумно-сти невозможно без использования конструктивных судовых средств и методов акустической защиты, предназначенных для снижения колебательной энергии источников на путях ее распространения. Комплексный подход к применению этих средств является важной составной частью акустического проектирования судов и представляет собой самостоятельную, сложную в научно-техническом отношении проблему.

К САЗ принято относить амортизаторы, виброизолирующие подвески трубопроводов, шумоизолирующие и звукопоглощающие покрытия, звукоизолирующие кожухи, вибродемпфирующие покрытия, антивибраторы, глушители гидродинамического шума трубопроводов, сильфонные компенсаторы, резинометаллические патрубки, гибкие металлические шланги, резинотканевые и резинотросовые рукава и т.д.

- виброизоляция фундаментных и корпусных конструкций от вибрации машин, механизмов и т.п.;

- противоударная защита оборудования от внешних воздействий, т.е. амортизация [2].

Значительная доля снижения шумности морских объектов достигается за счет повышения эффективности САЗ, в первую очередь, резиноме-таллических амортизаторов.

Для снижения вибрационной энергии, передаваемой на несущие конструкции по судовым трубопроводам, в настоящее время используются виброизолирующие подвески тип VI, ПТАКСС [3] и для трубопроводов диаметром более 50 мм подвески типа ПВНЗ [4]. Однако, для трубопроводов с наружным диаметром меньше 50 мм специальных эффективных виброизолирующих подвесок не создавалось. В силу этого, значительная часть вибрационной энергии передается на несущие конструкции именно через подвески трубопроводов малого диаметра. Уменьшение величины этой энергии может быть достигнуто только путем применения для судовых трубопроводов малых диаметров новых эффективных виброизолирующих подвесок. Основным в процессе создания таких подвесок является выбор формы упругого (резинового) элемента, который должен удовлетворять целому ряду требований, зачастую противоречащих друг другу [5]. Для этого на начальной стадии проектирования необходимо уметь расчетным путем определять механические характеристики упругого элемента и на этой основе выбирать его форму.

В случае применения вышеперечисленных подвесок для трубопроводов малого диаметра (и, соответственно, малого веса) виброизолирующая эффективность, обеспечиваемая ими, является крайне низкой.

В настоящее время оценка основных механических параметров при проектировании новых амортизаторов и подвесок с резиновым упругим элементом осуществляется в соответствии с РС-590-62 [6]. Подход, изложенный в этом документе, носит эволюционный характер и заключается в последовательном совершенствовании разрабатываемой конструкции, что требует резкого увеличения объема испытаний. Этот путь в значительной мере исчерпал себя. Сегодня в области создания новых конструкций главный упор должен делаться на разработку и внедрение современных методов, позволяющих существенно сократить трудозатраты на экспериментальное подтверждение необходимых характеристик амортизаторов.

Все характеристики амортизаторов и подвесок, полученные расчетным путем в процессе проектирования, подтверждаются результатами соответствующих испытаний опытных образцов.

В соответствии с действующим порядком [7, 8], вновь разрабатываемые и серийно выпускающиеся РМА подвергаются различным видам испытаний. Вновь разрабатываемые подвергаются межведомственным испытаниям. Серийные изделия подвергаются приемо-сдаточным, периодическим, типовым, квалификационным испытаниям.

В ходе этих испытаний проводится подтверждение соответствия изделия требованиям действующей нормативной документации [7, 8]. При этом наиболее длительными и затратными являются испытания, в ходе которых подтверждаются ресурсные характеристики амортизаторов и подвесок. Они входят в состав межведомственных, периодических и квалификационных испытаний.

Необходимо иметь научно обоснованный подход, использование которого позволило бы существенно сократить время испытаний и количество образцов, необходимых для их проведения.

Цели и задачи диссертационной работы

Целью данной работы является обоснование возможности снижения трудоемкости экспериментального подтверждения прочности судовых виброизоляторов при воздействии длительной вибрации на основе исследования их напряженно-деформированного состояния.

В соответствии с указанной целью были поставлены следующие частные задачи:

- сформировать их расчетные модели;

- по результатам расчета выделить элементы с максимальными напряжениями;

- разработать подход к сокращению времени проведения ресурсных испытаний и уменьшения количества образцов амортизаторов, необходимых для их проведения.

Научная новизна работы

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Показана возможность применения расчетного способа для обоснования более экономичного подхода к проведению ресурсных испытаний.

ной резины, на основе исследования их напряженно-деформированного состояния.

Практическая ценность работы

Практическая ценность работы заключается в:

- разработке практического подхода, позволяющего сократить время проведения ресурсных испытаний и количества испытуемых образцов;

- создании на основе предложенной конструкции унифицированного упругого элемента типоряда виброизолирующих подвесок для трубопроводов малых диаметров.

Методы исследования

Теоретические исследования выполнены на основе апробированных прикладных методах расчета, которые позволяют определить параметры напряженно-деформированного состояния РМА и подвесок. Использовались современные методы численного моделирования с применением компьютерных технологий (ANSYS), позволяющие достаточно точно рассчитывать основные характеристики любых конструкций.

Основные положения, выносимые на защиту

На защиту выносятся следующие основные результаты работы: 1. Новый подход к подтверждению ресурса типоряда судовых амортизаторов и виброизолирующих подвесок трубопроводов с подобными упругими элементами, выполненными из типовой амортизационной резины, на основе исследования их напряженно-деформированного состояния.

Достоверность результатов

Достоверность и обоснованность полученных результатов обусловлена:

- внутренней непротиворечивостью сделанных предположений;

- использованием для расчетов апробированных методов, а для экспериментальных исследований - современного аттестованного оборудования, аттестованных методик и поверенной аппаратуры;

- подтверждением основных положений результатами экспериментальных исследований.

Реализация результатов работы

Результаты работы нашли внедрение:

- в ФГУП «Крыловский государственный научный центр» при численном определении НДС амортизаторов типа АКСС (Приложение А);

- в ООО «НПФ «Анком» при проектировании и создании виброизоляторов (Приложение Б);

- в ОАО «СПМБМ «Малахит» при проектировании виброактивных систем трубопроводов (Приложение В).

Личный вклад автора

проведения расчета с использованием предлагаемого подхода; предложена конструкция виброизолирующей судовой подвески с новым унифицированным упругим элементом.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на:

- II международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы динамики и прочности материалов и конструкций: модели, методы, решения», СамГУПС, г. Самара, 2011 г.;

- межотраслевых научно-практических конференциях «Военное кораблестроение России. ВОКОР-2011, ВОКОР-2012» 1 ЦНИИ МО РФ, Санкт-Петербург, 2011 - 2012 гг.;

- научно�