Компания OOO «НПП «Орион» основана в 1990 году в Санкт-Петербурге. На базе предприятия обеспечивается полный цикл производства – от идеи, разработки устройства, до создания печатной платы и сборки готового изделия. Серийное, конвейерное производство позволяет контролировать качество и повышать его уровень. Компания OOO «НПП «Орион» сотрудничает со многими производствами, находящимися в Российской Федерации и других странах.

Перед специалистами компании стояла цель – проверить прочность конструкции бортового закрытия при воздействии нормативных статических и динамических нагрузок с последующим изменением конструкции и/или применяемых материалов. Это позволило бы снизить  металлоемкость и оценить возможность замены примененной марки стали с пределом текучести 588 МПа на сталь D40 с пределом текучести 388 МПа. Для решения этих задач ООО «НПП «Орион» обратилась за помощью к специалистам «МЦД». В рамках проекта они выполнили ряд задач:

• Анализ исходных данных, построение расчетных схем;
• Построение математической модели закрытия по имеющейся трехмерной модели;
• Проведение расчета прочности на статические нагрузки в двух положениях;
• Определение зон оптимизации, анализ и синтез нового конструктивного решения;
• Проведение расчета прочности новой конструкции на статические нагрузки в двух положениях;
• Проведение расчета прочности новой конструкции на динамические нагрузки.

Для выполнения работы использовался программный пакет конечно-элементного моделирования Ansys Workbench.

Проведение расчетов

Детали бортового закрытия были выполнены из судостроительной стали D40 ГОСТ 5521.

Плоские элементы конструкции были представлены оболочечными телами, а полособульбы – балочными телами с сечениями. Оболочечные и балочные тела соединены между собой с помощью конформной сетки. Болтовые соединения представлены балочными элементами с диаметрами, соответствующими диаметрам болтов. Гидроцилиндры представлены балочными элементами с диаметрами, вычисленными по массе гидроцилиндров. Шарниры представлены цилиндрическими шарнирными связями с вращательной степенью свободы.

Остальные соединения тел представлены жесткими контактными связями.

Конечно-элементная сетка состояла из линейных элементов первого порядка, треугольных и четырехугольных плоских элементов первого порядка и тетраэдрических объемных элементов второго порядка. Размерность сетки составляла 177 тысяч узлов.

Граничными условиями являлись закрытое и открытое положение.  Эксперты провели расчет прочности для закрытого положения и оценили воздействие давления, качки и удара.

На внешнюю поверхность бортового закрытия действует давление, линейно изменяющее свою величину от 0,03 до 0,07 МПа снизу вверх. Ускорение свободного падения направлено вертикально вниз. Эксперты подтвердили, что превышений допускаемых напряжений не наблюдалось, а конструкция удовлетворяет условиям жесткости и прочности при воздействии давлением.

Для определения отклика конструкции бортового закрытия на гармоническое воздействие при бортовой и килевой качках движение судна было разложено на две составляющие: горизонтальную и вертикальную, определенную относительно линий, соединяющей ЦМ судна и ЦМ бортового закрытия. Были вычислены составляющие ускорения для бортовой, килевой и вертикальной качек. Вычисления показали, что превышений допускаемых напряжений при бортовой, килевой и вертикальной качке нет, а конструкция удовлетворяет условиям прочности.

Эксперты также рассчитали воздействие удара вдоль:

• Оси Х. Была выявлена область повышенных напряжений, являющаяся следствием упрощения геометрии. В данном месте в конструкции присутствовал сварной шов, уменьшающий концентрацию напряжений. Было определено, что конструкция удовлетворяет заданным условиям прочности при ударе вдоль оси X.
• Оси Y. Была выявлена область повышенных напряжений возле отверстий, являющаяся следствием влияния граничных условий. Эксперты выявили области превышения допускаемых напряжений.
• Оси Z. В конструкции наблюдались области превышения допускаемых напряжений – пластины крепления задраек к корпусу. Эксперты сделали вывод, что конструкция не удовлетворяет заданным условиям прочности.

Эксперты также рассчитали воздействие синусоидальной вибрации. На бортовое закрытие действует синусоидальная вибрация с ускорением 20 м/с2 в интервале частот 1-60 Гц.

Во время предварительных расчетов были определены собственные частоты и формы колебаний. Наибольшие перемещения при воздействии синусоидальной вибрацией вдоль оси X возникают при частоте 56,34 Гц, а наибольшие напряжения – при частоте 56,34 Гц. Это позволило сделать вывод, что допускаемых напряжений не наблюдается, а конструкция удовлетворяет условиям прочности при синусоидальном воздействии вдоль оси X.

Наибольшие перемещения при воздействии синусоидальной вибрацией вдоль оси Y возникали при частоте 40,9 Гц, а наибольшие напряжения – при частоте 40,9 Гц. В конструкции наблюдались области превышения допускаемых напряжений, из-за чего конструкция не удовлетворяли условиям прочности при синусоидальном воздействии вдоль оси Y.

Наибольшие перемещения при воздействии синусоидальной вибрацией вдоль оси Z возникали при частоте 42,42 Гц. Эксперты не обнаружили превышений допускаемых напряжений и оценили, что конструкция удовлетворяет условиям прочности при синусоидальном воздействии вдоль оси Z.

Результаты

В результате статических и динамических расчетов было определено напряженно-деформированные состояния (НДС) ботового закрытия в открытом и закрытом положении, а также даны рекомендации по изменению конструкции.

Эксперты обнаружили, что конструкция не удовлетворяет заданным критериям прочности. Были вычислены составляющие ускорения для бортовой, килевой и вертикальной качек. Они рекомендовали увеличить толщину основания и толщины пластин крепления задраек к корпусу. Была также произведена оценка прочности конструкции для заданных расчетных случаев и даны рекомендации по изменению конструкции для уменьшения массы.