ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное

Учреждение высшего образования

«Государственный университет морского и речного флота

Имени адмирала С.О. Макарова»

Кафедра Судостроения

Напряжения и деформации

При сварке корпусных

Конструкций

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЩИХ ОСТАТОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ

ПЛОСКОЙ СЕКЦИИ

 

Методические указания по выполнению контрольной работы

 

 

Санкт-Петербург

2018 год

УДК 621.7911

ББК

 

Рецензент:

Доцент кафедры Судостроения Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова

канд. техн. наук, доц. М. И. Войников

 

 

Яцук, Ю. В. Определение общих остаточных деформаций плоской секции: методические указания по выполнению контрольной работы /Ю. В. Яцук –– СПб.: Изд-во ГУМРФ им. адмирала С.О. Макарова, 2018. – 14 с.

 

Приведены пояснения к выполнению контрольной работы по расчету общих остаточных деформаций, возникающих при изготовлении плоских секции судовых корпусов.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 26.04.02 «Кораблестроение, океанотехника и системотехника объектов морской инфраструктуры» (направленность ‑ Создание и ремонт судов и энергетического оборудования объектов морской и речной техники).

 

 

© ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова», 2017

© Ю. В. Яцук 2018

ВВЕДЕНИЕ

 

Использование сварки при изготовлении конструкций приводит к возникновению в них сварочных напряжений и деформаций. Современный подход к разработке оптимальной технологии выполнения сварочных работ в судостроении включает в себя решение задачи о прогнозировании деформаций и напряжений в конструкциях судового корпуса.

Для выполнения работы студент получает вариант задания, в котором определены размеры плоской секции, входящей в состав судового корпуса.

Пособие разработано с использованием методики, предложенной В. И. Кологривовым [1, 2].

ЗАДАНИЕ НА РАБОТУ

 

Разработать технологию изготовления секции палубного перекрытия, рассчитать общие сварочные деформации секции. Схема секции представлена на рисунке 1, исходные данные для расчёта приведены в таблице 1.

Сварку листов обшивки предполагается выполнять двухсторонней. Набор (как продольный, так и поперечный) выставляется на полотнище и крепится прихватками. Окончательную приварку набора к полотнищу предполагается выполнять автоматической и полуавтоматической сваркой под флюсом ОСЦ-45, а сварку набора между собой – вручную.

 

Рис. 1. Схема секции

Таблица 1

Задание на выполнение работы

Вариант
Длина листа обшивки, мм (А)
Шпация поперечного набора, мм (В)
Смещение стыка продольного набора относительно поперечного шва листов, мм (С)
Ширина листа обшивки, мм (D)
Число продольных ребер между карлингсами, шт
Шпация продольного набора, мм (Н)
Смещение стыка бимсов относительно продольного шва, мм (N)
Толщина листа обшивки, мм
Стенка рамного набора, мм	6 х 380	6 х 360	6 х 340	6 х 320	6 х 300	8 х 300	8 х 320	8 х 340
Полка рамного набора, мм	8 х 120	8 х 140	8 х 120	8 х 140	8 х 120	8 х 140	8 х 120	8 х 140
Продольные ребра жесткости	Р12	Р12	Р10	Р10	Р10	Р10	Р12	Р12
Материал корпуса	ВСт3 сп4	ВСт3 сп4	ВСт3 сп4	09Г2	09Г2	09Г2	09Г2	09Г2

 

Продолжение таблицы 1

Вариант
Длина листа обшивки, мм (А)
Шпация поперечного набора, мм (В)
Смещение стыка продольного набора относительно поперечного шва листов, мм (С)
Ширина листа обшивки, мм (D)
Число продольных ребер между карлингсами, шт
Шпация продольного набора, мм (Н)
Смещение стыка бимсов относительно продольного шва, мм (N)
Толщина листа обшивки, мм
Стенка рамного набора, мм	8 х 360	8 х 380	8 х 380	8 х 360	8 х 340	8 х 320	8 х 300	6 х 300
Полка рамного набора, мм	8 х 120	8 х 140	8 х 120	8 х 140	8 х 120	8 х 140	8 х 120	8 х 140
Продольные ребра жесткости	Р12	Р12	Р10	Р10	Р10	Р10	Р12	Р12
Материал корпуса	09Г2	09Г2	09Г2	09Г2	09Г2	09Г2	09Г2	09Г2

Продолжение таблицы 1

Вариант
Длина листа обшивки, мм (А)
Шпация поперечного набора, мм (В)
Смещение стыка продольного набора относительно поперечного шва листов, мм (С)
Ширина листа обшивки, мм (D)
Число продольных ребер между карлингсами, шт
Шпация продольного набора, мм (Н)
Смещение стыка бимсов относительно продольного шва, мм (N)
Толщина листа обшивки, мм
Стенка рамного набора, мм	6 х 320	6 х 340	6 х 360	6 х 380	6 х 380	6 х 360	6 х 340	6 х 320
Полка рамного набора, мм	8 х 120	8 х 140	8 х 120	8 х 140	8 х 140	8 х 120	8 х 140	8 х 120
Продольные ребра жесткости	Р12	Р12	Р10	Р10	Р10	Р10	Р12	Р12
Материал корпуса	09Г2	09Г2	09Г2	09Г2	09Г2	09Г2	09Г2	09Г2

 

ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ

 

Объем продольного (вдоль сварного шва) ΔV_x и поперечного ΔV_y укорочения рассчитывают по формулам:

ΔVx= μx · qп · lш ·α/(с·ρ), см3 ΔVy= μy · qп · lш ·α/(с·ρ), см3

(1)

где μ_x – коэффициент продольного укорочения, при сварке судовых конструкций принимается μ_x=-0,285;

α/(с·ρ) – коэффициент тепловой деформации, см³/Дж (см. табл. 2);

Таблица 2

Характеристики судокорпусных сталей

Материал	ρ, г/см3	α, 1/оС	α/сρ, см3/Дж	εs
ВСт3сп4	7.85	13,1×10-6	3,13×10-6	11×10-4
09Г2	7.85	12,8×10-6	3,06×10-6	15×10-4
10ХСНД	7.85	12,7×10-6	3,04×10-6	20×10-4

 

q_п – погонная энергия сварки, Дж/см;

l_ш – длина сварного шва, см;

μ_y=-1,2·(0,25+0,75·К_пр·(0,1+0,9·К_р)) – коэффициент поперечного укорочения;

К_пр = К_пр(λ)– коэффициент (рисунок 2), зависящий от степени прогрева свариваемых элементов. При первом проходе принимается К_пр =1;

λ – удельная погонная энергия, для стыковых швов принимается λ= q_п/S_п², для случая приварки набора к полотнищу λ= q_пп/S_п², Дж/см³;

Рис. 2. Зависимость коэффициента К_пр от параметра λ

 

q_пп=(0,82-0,2·S_p /S_п)·q_п – часть погонной энергии, затраченная на нагрев полотнища при приварке набора, Дж/см;

q_рп=(0,18+0,2·S_p /S_п)·q_п – часть погонной энергии, затраченная на нагрев полотнища при приварке набора, Дж/см;

S_п – толщина полотнища (или неразрезной связи), см;

S_р – толщина ребра (или разрезной связи), см;

К_р – коэффициент, позволяющий учесть влияние ребер, пересекающих сварной шов, на объём поперечного укорочения. Определяется в соответствии с рисунками 3, 4.

Объём поперечного укорочения от многопроходных швов либо от нескольких швов, расположенных близко, определяется как сумма объёмов укорочения от каждого шва (прохода).

 

Рис. 3. Зависимость коэффициента К_р от параметра γ

Рис. 4. Схема определения параметра γ

а) сварной шов пересекает несколько ребер, γ=0,5·t/S

б) сварной шов полностью размещается между рёбрами, γ=l_ш/S

в) сварной шов расположен между ребром и краем пластины γ=2·l_ш/S

 

Объём продольного укорочения от близко расположенных швов ΔV_xп (зоны пластических деформаций перекрываются) определяется с учётом коэффициента перекрытия К_п:

ΔVxп= μx · qп ·Кп· lш ·α/(с·ρ), см3

(2)

Для многопроходных стыковых соединений К_п=1, при этом учитывается только проход, выполненный с подводом максимальной погонной энергии q_п.

Для двусторонних тавровых швов коэффициент перекрытия К_п определяется с использованием зависимостей:

Кп=1+(Sp+K)·Sп/FS1 FS1=1/(1/F + zc2/JU+εs/(| μx |· qп· α/(с·ρ)), см2

(3)

где индекс “U” в случае продольных связей следует заменить на “y”, а в случае бимсов – на ‘х”.

F_S1 ‑ площадь зоны пластических деформаций после выполнения первого шва, см²;

F ‑ площадь поперечного сечения конструкции, см²;

z_c – расстояние центра тяжести зоны пластических деформаций от оси конструкции y, см;

J_X ‑ момент инерции поперечного сечения конструкции относительно оси x, см⁴;

J_Y ‑ момент инерции поперечного сечения конструкции относительно оси y, см⁴;

К ‑ катет шва, см

ε_s – относительная деформация, соответствующая пределу текучести свариваемого материала (см. табл. 2).

Погонная энергия стыковых и тавровых соединений может быть определена по формуле

qп=θ•Fн, Дж/см

(4)

где θ=65000 Дж/см³ ‑ при полуавтоматической и автоматической сварке под флюсом;

θ=63000 Дж/см³ ‑ при ручной сварке;

F_н ‑ среднестатистическая площадь наплавленного металла, принимаемая в соответствии с данными таблиц 3 и 4, см².

Таблица 3

Характеристики сварного шва, при сварке тавровых швов

Толщина наиболее тонкого из свариваемых элементов, мм	Катет шва, мм	Fн, см2
5÷7		0,130
8÷9		0,180
10÷12		0,250

 

Таблица 4

Характеристики сварного шва, при сварке стыковых швов

Толщина листов, мм	Fн, см2
Односторонняя сварка	Двухсторонняя сварка
	0,58	0,278
	1,01	0,485
	1,30	0,624

 

Укорочение полотнища ΔL_П (в направлении оси х ‑ вдоль судна) и ΔB_П (в направлении оси у) определяются по формулам:

ΔLП=(Кп·Ʃi(ΔVxi)+ 2·Ʃk(ΔVyk))/ (Sп ·4 · D), см ΔВП=(2·Ʃi(ΔVyi)+ Кп·Ʃj(ΔVxk))/ (Sп ·2 · A), см i=1…n, k=1…m,

(5)

где n=3 – число швов, направленных вдоль оси х;

m=1 – число швов, направленных вдоль оси y;

D – ширина листа, см;

A – длина листа, см;

К_п =1 – коэффициент учёта перекрытия пластических деформаций для стыковых швов.

Поскольку предполагается двусторонняя сварка листов обшивки, в формулы (5) формально введён коэффициент К_п для учёта укорочения конструкции «вдоль шва» и коэффициент 2 для учёта укорочения «поперёк шва».

С расчётной точки зрения задача определения деформаций секции, состоящей из обшивки и набора, заменяется задачей определения деформаций системы схематизированных (эквивалентных) балок, каждая из которых состоит из профиля (тавра или полособульба) и присоединённого пояска (рисунок 5). При этом предполагается, что балки одного направления изгибаются независимо одна от другой, что – в частности – приводит к появлению волнистости кромок конструкции.

Для продольных балок (ребер жесткости и карлингсов) ширина присоединённого пояска
b₁=min(H; 50·S_п; 0,17·a), для поперечных балок (бимсов) b₁=min(T; 50·S_п; 0,17·a), где

Н – поперечная шпация, см;

a=2·A – для продольных балок, см;

а=4·D – для поперечных балок, см;

Т – продольная шпация, см.

Расчёт характеристик схематизированных балок выполняется в табличной форме (таблица 5), необходимые для расчёта характеристики полособульбов представлены в таблице 6.

 

а)

б)

в)

Рис. 5. Схематизированная расчетная балка

а) ребро жесткости с присоединённым пояском; б) схема расчета характеристик сечения ребер жесткости

в) схема расчета характеристик сечения карлингсов и бимсов

 

Таблица 5

Расчет элементов сечения схематизированных балок (на примере бимсов и карлингсов)

Элемент	Ширина элемента, см	Высота элемента, см	Аппликата центральной оси элемента, см	Площадь элемента, см2	Статический момент элемента, см3	Момент инерции элемента
Переносный (относительно оси сравнения), см4	Собственный, см4
Присоединенный поясок	b1	s1	z1	b1 × s1	b1 × s1 × z1	b1 × s1 × z12	(b1 × s13)/12
Стенка тавра	b2	s2	z2	b2 × s2	b2 × s2 × z2	b2 × s2 × z22	(b2 × s23)/12
Полка тавра	b3	s3	z3	b3 × s3	b3 × s3 × z3	b3 × s3 × z32	(b3 × s33)/12
ИТОГО	‑‑‑	‑‑‑	zц= Σ(bi × si × zi)/Σ(bi × si)	Σ(bi × si)	Σ(bi × si × zi)	Σ(bi × si × zi2)	Σ(bi × si3)/12
J*= Σ(bi × si × zi2)+ Σ(bi × si3)/12

 

Таблица 6

Характеристики полособульбов (без учёта присоединённого пояска)

Профиль	Размеры профиля, см	Площадь сечения, см2	Собственный момент инерции относительно горизонтальной оси, см4	Аппликата ЦТ профиля (z4), см
Высота, мм	Толщина стенки, мм
Р8		5,0	5,84	36,23	5,07
Р10		6,0	8,63	85,22	5,29
Р12		6,5	11,15	158,0	7,55

 

Момент инерции каждой из схематизированной балки относительно центральной оси вычисляется по формуле:

JU= J*- zц×Σ(bi × si × zi)

(6)

где индекс “U” в случае продольных связей следует заменить на “y”, а в случае бимсов – на ‘х”.

Укорочение схематизированной балки ΔX, угол поворота одного конца балки относительно другого Ψ_U и стрелку прогиба балки следует определить по формулам:

ΔX=(Ʃi(ΔVxi) + Ʃk(ΔVyk)) / F, см ΨU=(Ʃi(ΔVxi· zci)+ Ʃk(ΔVyk zck))/ JU, рад f= ΨU ×LU/8 i=1…n, k=1…m,

(7)

где индекс “U” в случае продольных связей следует заменить на “y”, а в случае бимсов – на ‘х”;

F – площадь поперечного сечения схематизированной балки, см²;

L_U ‑ длина балки, см;

n – число швов, направленных вдоль рассматриваемой балки;

m – число швов, направленных поперёк рассматриваемой балки;

Расчёт исходных данных, необходимых для использования в формулах (7), выполняется в
таблице 7. При расчёте углов поворота концевых сечений схематизированной балки следует иметь в виду, что в тех случаях, когда поперечная связь соединяется с торцом схематизированной балки, например, при проходе ребра жесткости через вырез в стенке бимса (см. рисунок 6), сварной шов не будет вызывать изгиба балки и, соответственно, не должен учитываться в таблице 7.

Рис. 6. Вырез в рамной связи для прохода ребра жесткости

 

Таблица 7

Расчёт остаточных сварочных деформаций схематизированных балок

Балка	Длина балки, см	Аппликата центральной оси (zц), см	Технологическая операция	Кол-во швов	Длина одного шва, см	Положение центра шва по высоте, см	Отстояние центра шва от центральной оси, см	Погонная энергия шва, Дж/см	Объём укорочения одного шва в направлении оси балки, см3	Объём укорочения одного шва поперек оси балки, см3
Бимс	4×D	По таблице 5	Приварка карлингсов к обшивке		ширина при­соединённого пояска бимса	zш1=0	zc1=zш1-zц	по формуле (4)	‑‑	по формулам (1÷3)
Приварка бимсов к обшивке		длина шва меньше длины бимса!	zш2=0	zc2=zш2-zц	по формулам (1÷3)	‑‑
Приварка ребер жесткости к обшивке		ширина при­соединённого пояска бимса	zш3=0	zc3=zш3-zц	‑‑	по формулам (1÷3)
Сварка стенок рамного набора		высота стенки	zш4=z2	zc4=zш4-zц	‑‑	по формулам (1÷3)
Сварка полок рамного набора		ширина полки	zш5=z3	zc5=zш5-zц	‑‑	по формулам (1÷3)
Сварка холостых ребер с бимсами		высота ребра	zш6=0,5×z4	zc6=zш6-zц	‑‑	по формулам (1÷3)
Карлингс	2×А	…	…	…	…	…	…	…
Ребро жесткости	2×А	…	…	…	…	…	…	…

 

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Кологривов В. И. Сварка судовых конструкций: Методические указания по выполнению контрольного задания № 2 «Определение общих остаточных сварочных деформаций плоскостной секции»: Л.: ЛИВТ, 1987. – 38 с.

2. Кологривов В. И. Сварка судовых конструкций: Программа, методические указания по изучению курса и контрольные задания: Л.: ЛИВТ, 1987. – 34 с.

 

 

О Г Л А В Л Е Н И Е

ВВЕДЕНИЕ.. 3

ЗАДАНИЕ НА РАБОТУ.. 3

ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ.. 5

ЛИТЕРАТУРА.. 12

 

Учебное издание

 

Яцук Юрий Владимирович, канд. техн. наук, доцент

Определение общих остаточных деформаций плоской секции: методические указания по выполнению контрольной работы

Учебно-методическое пособие

 

199106, Санкт-Петербург, 22-я линия, 9

тел./факс 812 -322-33-42, 322-77-26

198035, Санкт-Петербург, Межевой канал, 2

Тел. 812-748-97-19, 748-97-23

e-mail:izdat@gumrf.ru

Ответственный за выпуск Компьютерная верстка

? ?

 

Подписано в печать Формат 60´90/16. Бумага офсетная. Гарнитура Times New Roman Усл. печ. л.. Тираж экз. Заказ №