Оценки безопасных условий ледового плавания судов с применением cae -систем
Скачать 2.57 Mb.
|
3.2.3.Результаты моделирования разрушения Для оценки применимости тех же материалов в зоне разрушения льда была смоделирована серия опытов по контактному взаимодействию тел со льдом. Результаты проиллюстрированы на следующем эксперименте. Стальной шарик диаметром 32 мм, массой 134 г скатывался по наклонному жёлобу и ударялся о ледяной покров. Угол наклона жёлоба с горизонтом составлял 45°, высота начала движения – 1 м. В результате падения шарик делал вмятину во льду (лунку) и отскакивал на определённую дистанцию. Измерялись глубина лунки и дальность первого отскока. Качественно оценивалась форма лунки. Было проведено несколько серий замеров на ровных бесснежных участках ледяного покрова естественного водоёма в осенний период. Температура льда колебалась в пределах от -2°C до -7°C. Модельный шарик представлял собой недеформируемое тело. Линейные и угловые скорости его движения задавались программно. Участок льда моделировался прямоугольным параллелепипедом, который был разбит конечноэлементной сеткой с переменным шагом. Минимальный размер восьмиузловых объёмных элементов непосредственно в зоне контакта и её окрестностях не превышал 2 мм. Количественная оценка результатов моделирования приведена на рис. 48 и 49. При этом номера прямых (пунктирных) линий соответствуют нумерации материалов, принятой для моделирования ползучести (п. 3.2.2). Материал с №5' – это упругопластический материал с изотропным упрочнением, дополненный критериями разрушения (материал №5 без критерия удаления). Как показывает анализ результатов расчёта дальности отскока (Рис. 48), наиболее близки к экспериментальным данным модели с материалами, в которых присутствуют критерии разрушения (№№2, 3, 5'). Однако прямо противоположную картину демонстрирует другой параметр – глубина смятия (разрушения) льда (Рис. 49). Здесь наиболее приемлемыми являются «неразрушаемые» материалы (№№1, 4, 6).
Причиной обозначенных противоречий и неадекватности упомянутых материалов является не только несоответствие реологических моделей натуральному льду. В применимости ко льду основным недостатком конечноэлементного моделирования «разрушаемых» материалов является удаление элемента из матрицы жёсткости по достижении критерия разрушения (напряжения или деформации). Типичный характер разрушения льда при этом показан на рис. 50. Очевидно, что данная модель соударения расходится с физически приемлемой картиной.
Натурные наблюдения показывают, что удар твёрдого тела о кромку льда вызывает её смятие, а разрушенный лёд выжимается на поверхность в виде мелкораздробленной ледяной крошки. Выжимание раздробленного льда в зоне контакта предполагает наличие некоторого промежуточного слоя конечной толщины, образующегося между поверхностью тела и неразрушенной массой кристаллического льда [58]. Разрушение в твёрдых телах связано с образованием поверхностей разрыва, по одну сторону от которых материал является упругим телом, а по другую может рассматриваться как вязкая жидкость. Подобная форма разрушения льда применена в модели №5. При этом по достижении любого из критериев разрушения (64) элемент остаётся в матрице жёсткости, но компоненты девиатора напряжений обнуляются, элемент теряет способность противостоять растягивающим нагрузкам, т.е. ведёт себя подобно жидкости. Негативным последствием такого подхода является значительное увеличение времени расчёта. Явный метод решения нелинейных задач в CAE-системах обладает существенным недостатком – условной устойчивостью. Сходимость решения здесь не будет зависеть от временного шага интегрирования, если он меньше определённого значения. Это значение определяется по критерию Куранта [80]:
где  – характерный размер конечного элемента; – плотность материала; – модуль Юнга материала.Шаг интегрирования в процессе расчёта уменьшается пропорционально сокращению характерного размера лимитирующего элемента (элемент деформируется). Поэтому для снижения временных затрат элемент должен быть удалён из матрицы жёсткости при достижении какого-то предельного шага интегрирования  . Параметр находится в результате компромисса между затраченным временем и ошибкой расчёта, связанной с досрочным удалением элемента. Достижение этого компромисса поясняет рис. 51. Здесь приняты следующие обозначения. – относительный шаг интегрирования, при котором элемент удаляется из матрицы жёсткости:
где  – максимальный (начальный) временной шаг интегрирования, определяемый согласно (65). – относительная ошибка расчёта, возникающая вследствие удаления элемента:
где  – расчётное значение параметра; – репрезентативное (измеренное) значение параметра. – относительная длительность расчёта:
где  – длительность расчёта при заданном значении относительного шага интегрирования; – длительность расчёта для модели только с критериями разрушения (без критерия удаления элементов).
Кривые относительной ошибки и относительных временных затрат получены автором в результате статистической обработки обширного ряда расчётных моделей контактного взаимодействия тел со льдом. Как следует из рис. 51, является монотонно возрастающей функцией, активный рост которой начинается после  , а – убывающей. Сумма этих функций  имеет при  ярко выраженный минимум. Полученное значение  может быть принято в качестве оптимального, т.е. обеспечивающего достаточную точность расчётов при приемлемых временных затратах. Такая реализация сохраняет адекватность модели как количественно (материал №5 на рис. 48 и 49), так и качественно (рис. 52).
Таким образом, для описания реологии пресноводного поликристаллического льда в CAE-системах может быть использована модель упругопластического материала с изотропным упрочнением и критерием текучести Мизеса. В зоне ползучести эта модель может применяться без критериев разрушения. Для зоны разрушения более применима гидродинамическая модель поведения разрушенных элементов. В целях экономии времени расчёта без существенных потерь точности допустимо использовать критерий удаления разрушенных элементов, представляющий собой предельный шаг интегрирования. 3.3. Выбор алгоритмов контактного взаимодействия тел со льдом При движении судна в ледовых условиях результирующие нагрузки на корпус и движительно-рулевой комплекс будут определяться их непосредственным контактом с ледяным покровом, а также взаимодействием отдельных ледяных образований между собой и с водой. Примеров явного описания алгоритмов контакта льда с этими средами в задачах с конечноэлементной формулировкой к настоящему времени автором не обнаружено. В источниках [90,105,106] приводятся лишь косвенные упоминания о применённых моделях в использованных CAE-системах. При этом мировая литература по численным методам расчёта контактных взаимодействий деформируемых тел насчитывает уже сотни наименований работ, опубликованных за несколько последних десятилетий [10]. Выбор для адаптации велик. Однако к этому обилию следует относиться критично – уже сам факт, что одновременно существует великое множество контактных алгоритмов, говорит о том, что они не идеальны. Современные CAE-системы, претендующие на универсальность, предлагают пользователям несколько десятков алгоритмов расчёта поведения контактных границ тел. Они апробированы многолетней практикой и дают надёжные результаты. Корректность применения алгоритма в первую очередь определяется знанием физики моделируемого процесса, поэтому в наиболее усовершенствованных пакетах предусмотрены возможности корректировки предлагаемых моделей или создания авторских. Всю совокупность методов можно разделить на две группы: несимметричные и симметричные. Несимметричные алгоритмы предусматривают деление контактных поверхностей на главную и подчинённую (master - slave), в симметричных такое подразделение отсутствует. Кроме этого в каждой группе предусмотрены модели с условием разрушения одной или нескольких поверхностей (eroding) или без такого условия. В настоящем параграфе проведён сравнительный анализ результатов моделирования процесса соударения льдин между собой и с металлической конструкцией. Для описания удара был применён ряд стандартных (встроенных) алгоритмов системы LS-DYNA при использовании контактов из обеих групп, как с условиями разрушения, так и без них. В результате анализа предложены модели контакта, хорошо описывающие натурные данные. 3.3.1.Моделирование контакта льда с конструкцией Для обоснования выбора модели контактного взаимодействия льда с конструкцией автором был поставлен ряд натурных экспериментов. Результаты проиллюстрированы на следующем примере. Подопытная металлическая конструкция (Рис. 53) имитировала рамную шпацию судового корпуса (1 – обшивка, 2 – рамный набор, 3 – холостой набор). Льдина 4 представляла собой заострённый блок (угол заострения – 90°) массой около 4,5 кг. Размеры элементов конструкции и льдины приведены в табл. 8. Ледяной блок соскальзывал по специальному жёлобу и ударял острым краем конструкцию. Замерялись продольная составляющая силы удара, стрелки прогибов элементов конструкции. Качественно оценивался характер повреждений конструкции, льдины и движения льдины в процессе контакта. При симулировании удара использовались модели материалов и их физико-механические характеристики, показанные в табл. 6 (модель №5), 7 и 9. Части конструкции описывались четырёхузловыми элементами оболочечного типа с размерами около 5 х 6 мм. Ледяной блок состоял из восьмиузловых элементов объёмного типа при средней длине ребра 5 мм. Общее количество элементов в модели составило около 55 000. Начальная скорость соударения льдины с конструкцией задавалась программно.
Таблица 8 Расчётные размеры конструкции и льдины
Таблица 9 Расчётные характеристики и модель сталей
Примечание. * – марки сталей, использованные в других моделях (п. 6.). Моделирование производилось с использованием шести контактных алгоритмов, которые в наибольшей степени соответствовали физике описываемого процесса (табл. 10). Таблица 10 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Похожие:
 | Общие правила плавания и стоянки судов в морских портах Российской Федерации и на подходах к ним Омский институт водного транспорта (филиал) фбоу впо «Новосибирская государственная академия водного транспорта» |  | Отчет о научно-исследовательской работе Разработка критериев оценки качества очистки внутренних поверхностей трубопроводов систем теплоснабжения жилого фонда г. Красноярска... |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Обеспечить усвоение учащимися особенностей экономико-географического положения, природных условий и природных ресурсов района, акцентировать... | | Объединение специалистов по охране труда прошлое, настоящее, будущее Президент Межрегиональной Ассоциации содействия обеспечению безопасных условий труда «эталон» |
| Рабочая программа по дисциплине «Элементы систем автоматики судов» Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования | | Задачи автоматизированного проектирования 4 развитие cad/cam/cae-систем 10 Остальные, так называемые косвенные проектные работы, занимающие примерно одну треть общего времени на конструирование, могут быть... |
| Положение о режиме работы гоу сош №1173 Положение разработано для регламентирования безопасных условий воспитательно-образовательного процесса и четкой организации труда... | | О назначении ответственных лиц за организацию безопасной работы В целях обеспечения здоровых и безопасных условий труда и проведения учебно – воспитательного процесса, во исполнение ст ст. 212,... |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Распределение обязанностей в работе по созданию безопасных условий труда и предупреждению детского травматизма между членами администрации... | | 1 История развития спортивного плавания Построить график рекордов... Кафедра теории и методики спортивного и синхронного плавания, аквааэробики, прыжков в воду и водного поло |
| 1 История развития спортивного плавания Построить график рекордов... Кафедра теории и методики спортивного и синхронного плавания, аквааэробики, прыжков в воду и водного поло | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Цель урока: Добиться усвоения учащимися условий плавания тел на основе изученного понятия об архимедовой силе |
| Задачами контрольно-пропускного режима в образовательном учреждении... Оу и создание безопасных условий для обучающихся и работников оу и других лиц, находящихся в здании и на территории оу | | Процедуры контроля судов государством порта Ссылаясь на статью 15 (j) Конвенции о Международной морской организации, касающуюся функций Ассамблеи в отношении правил и руководств,... |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... В связи с установлением электронного прибора учета посещения обучающихся и работников школы, а также в целях создания безопасных... | | Город окружного значения нижневартовск В целях эффективной организации образовательного процесса, обеспечения безопасных условий для жизнедеятельности школы, в соответствии... |
