Математическое и численное моделирование поведения подводных тросовых систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат технических наук Младова, Татьяна Александровна

• Младова, Татьяна Александровна
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Младова, Татьяна Александровна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1 Анализ работы подводных тросовых систем

1.2 Анализ работы якорных устройств для удержания ПТС

1.2.1 Материал для анкерных устройств.

1.2.2 Типы анкерных устройств.

1.3 Существующие методики расчета свайных анкеров.

1.4 Выводы. Постановка задачи.

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ПОДВОДНУЮ ТРОСОВУЮ СИСТЕМУ.

2.1 Теоретические предпосылки, общие положения и определение параметров расчета.

2.2 Математическая модель воздействие волн на сооружение.

2.2.1 Вычисление коэффициентов сопротивления и инерции.

2.2.2 Определение скоростей и ускорений.

2.3 Алгоритм реализации математической модели и численный расчет на ЭВМ.

ГЛАВА 3 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

РАСЧЕТА ВЕРХНЕГО СТРОЕНИЯ ПОДВОДНОЙ ТРОСОВОЙ СИСТЕМЫ.

3.1 Особенности ПТС, требования к ним и выбор конструктивной схемы.

3.2 Исследование верхнего строения ПТС.

3.2.1 Математическая модель расчета верхнего строения

ПТС на основе метода контурных уравнений.

3.2.2 Применение математической модели для определения критической силы, при которой конструкция теряет работоспособность.

4 3.3 Оценка провисания троса.

ГЛАВА 4 ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ

АНКЕРА В ГРУНТЕ (МОДЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ)

4.1 Описание модельного эксперимента для свайного анкера.

Цель и методика.

4.2 Результат модельных экспериментов.

4.3 Выводы по экспериментам.

4.4 Анализ модельных экспериментов

• для анкеров с уширением.

ГЛАВА 5 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЕРЖАЩЕЙ

СИЛЫ АНКЕРОВ.

5.1 Численное моделирование методом конечных элементов.

5.2 Определение держащей силы с использованием метода конечных элементов.

5.3 Расчет коэффициента удержания в различных

• средах грунта.

ГЛАВА 6 СОПОСТАВЛЕНИЕ РАСЧЕТНЫХ

И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ.

6.1 Определение несущей способности свайного анкера на выдергивающую нагрузку по СНиП.

6.2 Определение несущей способности свайного анкера с использованием метода конечных элементов.

6.3 Определение несущей способности свайного анкера

• на наклонную выдергивающую нагрузку по методу

Стоценко-Коровниковой.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическое и численное моделирование поведения подводных тросовых систем»

Разрушения подводных тросовых систем (ПТС) приносят огромные материальные потери и в определенной степени тормозят развитие некоторых отраслей народного хозяйства, связанных с использованием ПТС. В представленной работе осуществлено решение комплекса проблем, связанных с моделированием поведения подводных тросовых систем, что может послужить основанием для успешного проектирования и эксплуатации ПТС.

Подводные тросовые системы используются как система удержания для надводных сооружений (платформ, барж), используются как ограждающие конструкции или ловушки, а также как гибкие биотехнические сооружения для выращивания морских организмов и водорослей /66/.

При проектировании и эксплуатации подводных тросовых систем чрезвычайно важной является оценка внешних воздействий (волн, течений), оценка прочности таких систем и оценка держащей способности анкерных закреплении в грунте.

Цель работы - разработка и экспериментальное обоснование математических и численных моделей поведения гибких и полугибких элементов используемых в подводных тросовых системах, в том числе и моделей для оценки держащей силы анкерных закреплений.

Научную новизну работы составляют:

- математическая модель и компьютерная программа для оценки влияния внешних воздействий (волн и течений) на сооружение;

- математическая модель расчета на прочность подводной тросовой системы по методу контурных уравнений;

- численная модель и экспериментальное обоснование оценки держащей силы анкерных закреплений подводных тросовых систем.

Достоверность результатов обеспечения: экспериментальным обоснованием исходных положений исследований, сравнением результатов расчета с результатами существующих норм и методик, с численными расчетами по методу конечных элементов.

Практическое значение и реализация результатов работы: предложенные модели расчета элементов подводных тросовых систем обеспечивает возможность рационального использования конструкций при максимальных нагрузках и эксплуатации сооружения на более длительный срок.

Апробация работы. Материалы работы докладывались и получили одобрение на Международной конференции, г. Владивосток 1997г.; ХХХУ научно-технической конференции, г. Владивосток 1999г., научно-техническом семинаре кафедры «Теории сооружений» ДВГТУ, 2001г.; научно-технической конференции, г. Комсомольск-на-Амуре, 2001 г.; Объединенном научном семинаре кафедр Морского института ДВГТУ, 2003г.

Структура и объем работ. Диссертация состоит из введения, шести глав, списка литературы и приложения.

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Младова, Татьяна Александровна

выводы

1) Разработана математическая модель и методика учета влияния на ПТС внешних воздействий (волнения моря, подводные течения).

2) Создана компьютерная программа для вычисления внешних нагрузок на ПТС в зависимости от параметров волнения и течения.

3) Разработана математическая модель и методика расчета прочности верхнего строения ПТС с учетом больших перемещений и провисания тросов.

4) Создана компьютерная программа учета провисания тросов ПТС.

5) Выполнено физическое моделирование (модельный эксперимент) поведения различных анкеров в грунте.

6) Разработана численная модель и методика расчета на основе МКЭ определения держащей силы анкера в грунте.

7) Выполнено сопоставление результатов определения несущей способности свайных анкеров, полученных различными способами при произвольных направлениях усилия в оттяжке ПТС.

8) Разработанные в диссертации математические и численные модели и методики позволяют расчетным путем с достаточной точностью определять для ПТС:

• внешние нагрузки на ПТС со стороны моря;

• усилия в тросах верхнего строения ПТС и в оттяжках к анкерам;

• держащую силу свайных анкеров при произвольных направлениях в оттяжках.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Младова, Татьяна Александровна, 2004 год

1. Абелев М.Ю. Строительство промышленных и гражданских сооружений на слабых водоносыщенных грунтах. М., 1983.

2. Александров М.Н. Об усилиях в сложных якорных канатах. труды Л. кораблестр. Ин-та,1961, вып. 33, с. 29-40.

3. Бабаев Н.Б., Агагусейнов Ю.А., Жорницкий И.Д., Самарский В.Н. Основные направления работ по созданию плавучих технических средств. — Труды ин та Гипроморнефть. Баку, 1973, вып. 4, с. 4 - 14.

4. БерезанцевВ.Г. Раасчет прочности оснований сооружений. М., 1960.

5. К. Бреббиа, С.Уокер. Динамика морских сооружений: Пер. с англ. — Л.:Судостроение, 1983.-232 с.

6. Войтуковский Я.И. Справочник по теории корабля: В трех томах. Том 1. Гидромеханика. Сопротивление движению судов. Судовые движители. Л.: Судостроение, 1985. - 768 с.

7. Вялов С.С. Проблемы фундаментостроения на вечномерзлых грунтах/Юснования, фундаменты и механика грунтов. 1987. - № 5.

8. Галахов И.Н. Основные положения расчета прочности полупогружных платформ на волнении. Судостроение, 1976, № 8, с. 12 -14.

9. Гандерсон Р.Х. Учет ветров, волн и погодных условий при конструировании морского сооружения. — Инженер нефтяник, 1973, с. 47-51.

10. Герсеванов Н.М., Польшин Д.Е. Теоретические основы механики грунтов. М., 1973.

11. Горбунов-Посадов М. И. Расчет конструкций на упругом основании. М., 1973.

12. Горлин С.М. , Слезингер И.И. Аэродинамические измерения. Методы и приборы. М., Наука, 1964.

13. ГОСТ 25100-82. Грунты. Классификация. М., 1982.

14. Давыдов И.Н., Мелешков Н.Г. Экспериментальные исследования и расчет держащей силы мертвых железобетонных якорей и якорных систем. — Труды коорд. совещ. по гидротехнике. JI., Энергия, 1964, вып. 12, с. 341-353.

15. Данилов Ю.А. Гидродинамическое сопротивление сетей, ниток и тросов. М.: ВНИРО, 1968. - 42 с.

16. Дарков А.В., Шапошников Н.Н. Строительная механика. -М.: Высш. шк, 1986.

17. Девнин С.И. Аэродинамический расчет плохообтекаемых судовых конструкций. — JT.: Судостроение, 1967. — с. 224.

18. Дробленков В.В., Каневский Г.И., Подъемная сила и вязкостное сопротивление плоских профилей в вязкой несжимаемой жидкости. — В сб.: Вопросы судостроения, 1982, вып. 32, с. 93 102.

19. Жеребко К.В., Петрова А.Н., Чудинов Ю.Н. Учет нелинейности в математической модели шарнирной стержневой системы. Межвуз. сборник, ПМТФ.

20. Жемочкин Б.Н. Практические методы расчета фундаментных балок и плит на упругом основании. М., 1962.

21. Жорницкий И.Д., Самарский В.Н. Основные направления работ по созданию плавучих технических средств. — Труды ин — та Гипроморнефть. Баку, 1973, вып. 4, с. 4- 14.23.3авриев К.С., Шпиро Г.С. Расчеты фундаментов мостовых опор глубокого заложения. М., 1970.

22. Завадовский Н.Ю., Русецкий А.А. Метод расчета давлений на лопастя гребных винтов. —Труды НТО Судпрома, JI., Судостроение, 1977, вып. 253, с. 65-77.

23. Зареков В.П. Руководство к решению задач прикладной теории упругости: Учеб. Пособие для студентов строительной специальности вузов. — 2-е изд., испр. И доп. М.: Высш. Шк., 1987. - 254 с.

24. Иванов П.Л. Грунты и основания гидротехнических сооружений Учеб. для гидротехн. спец. вузов. М.: Высшая школа, 1985. - 352 с.

25. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. — М. Л.: Госэнергоиздат, с. 1960. - 265.

26. Кандауров И.И. Механика зернистых сред. Л. М., 1966.

27. Каневский Г.И., Подъемная сила и вязкостное сопротивление плоских профилей в вязкой несжимаемой жидкости. В сб.: Вопросы судостроения, 1982, вып. 32, с. 93-102.

28. Караманский Т.Д. Численные методы строительной механики. М.,1981.

29. Кацман Ф.М. Пропульсивные качества морских судов. Л., Судостроение, 1971.

30. Красников Н.Д. Сейсмостойкость гидротехнических сооружений из грунтовых материалов. М., 1981.

31. Косте Ж., Санглера Г. Механика грунтов. М. 1981.

32. Кульмач П.П. Якорные системы удержания плавучих объектов (Вопросы статики и динамики плавучих сооружений на якорях). — Л.: Судостроение, 1980.336 с.

33. Лифенко П.Л. Метод определения эффективного поля скоростей в месте расположения движетеля. Труды НТО Судпрома, Л., Судостроение, 1980, вып. 313, с. 34-40.

34. Масленников A.M. Расчет строительных конструкций численными методами: Учеб. Пособие. Л.: Изд-во Ленингр. Ун-та, 1987, 224 с.

35. Малышев М.В. Прочность и устойчивость инженерных конструкций: Межвузовский сборник научных трудов / Алтайский политехнический институт им. И.И. Ползунова. Барнаул: Б.И., 1987. - 147 с.

36. Мелешков Н.Г. Экспериментальные исследования и расчет держащей силы мертвых железобетонных якорей и якорных систем. Труды коорд. со-вещ. по гидротехнике. JL, Энергия, 1964, вып. 12, с. 341-353.грунтов и устойчивость оснований сооружений. М., 1980.

37. Младова Т.А. Исследование работы свайного анкера с уширением. //Строительство и Архитектура. Книга 1. Ч. 2: Тез. Докл. ХХХУ научно-технической конференции (Владивосток, 15-17 апреля 1995г.) /Владивосток: ДВГТУ, 1995. С. 54-55.

38. Младова Т.А. Анализ систем горизонтального удержания для гидробиотехнических систем. //Строительство и Архитектура. Ч. 2: Тез. Докл. ХХХУ1 научно-технической конференции (Владивосток, 11-19 апреля 1996г.) /Владивосток: ДВГТУ, 1996. С. 143-144.

39. Младова Т.А., Петрова А.Н., Тарануха Н.А. Расчет провисания нити. Программа расчета на ЭВМ. КнАГТУ, 2003г. (направлена на регистрацию в федеральный орган по интеллектуальной собственности)

40. Младова Т.А., Чижиумов С.Д., Тарануха Н.А. Расчет волновых нагрузок. Программа расчета на ЭВМ. КнАГТУ, 2003г. (направлена на регистрацию в федеральный орган по интеллектуальной собственности)

41. Мустафаев А.А. Расчет оснований и фундаментов на просадочных грунтах. М., 1972.

42. Натансон И.П. Краткий курс высшей математике. М., 1968.727с.

43. Основания и фундаменты: Справочник/ Г.И. Швецов, И.В. Носков, А.Д. Слободян, Г.С. Госькова; Пол. Ред. Г.И. Швецова.-М.: Высш. Шк., 1991. -383 е.: ил.

44. Петров М.Р. Кандидатская диссертация. Метод узловых координат

45. Попов Б.Г. Транспортировка подводного груза на весовом упругом тросе. Всерос. Конф., посвящ. 40-летию со дня основания каф. «Аэрокос. Системы», М.: Изд-во МГТУ. 2000, с. 68. Библ.1. Рус.

46. Пронкин Б.И., Стоценко А.А. Прочность и устойчивость инженерных конструкций: Межвузовский сборник научных трудов / Алтайский политехнический институт им. И.И. Ползунова. Барнаул: Б.И., 1987. - 147 с.

47. Рабинович И.М. Основы строительной механики стержневых систем. М., 1956.454с.

48. Рекач В.Г. Руководство к решению задач прикладной теории упругости: Учеб. Пособие для студентов строительной специальности вузов. — 2-е изд., испр. И доп. М.: Высш. Шк., 1984. - 287 с.

49. Рекач В.Г. Расчет гибкой растяжимой нити по деформированному состоянию. В сб.: Исследования по теории сооружений, М., 1970, вып. ХУ111.

50. Рыбаков J1.C. О теории одной плоской циклической стержневой структуры ферменного типа.// Изв. РАН. МТТ. 1998. №3. С. 117-127.

51. Русецкий А.А. Метод расчета давлений на лопастя гребных винтов. — Труды НТО Судпрома, JI., Судостроение, 1977, вып. 253, с. 65-77.

52. Руководство по проектированию свайных фундаментов. / НИИ оснований и подземных сооружений им. Н.М. Герсеванова. М.: Стройиздат, 1980. -151 стр.

53. Самарин И.К. Расчет оснований гидротехнических сооружений.М.,1971.

54. Самарский В.Н. Основные направления работ по созданию плавучих технических средств. Труды ин - та Гипроморнефть. Баку, 1973, вып. 4, с. 4 —

55. Сахно Е.Ф. Об одной особенности сопротивления воды движению многониточных составов. В сб.: доклады конференции «Мореходные качества судов и технических сооружений», - т. 2, Варна, 1983.

56. Савинов А.В. Программа SKOPT для расчета забивных призматических свай по предельным состояниям с выбором их оптимальных типоразмеров. Саратов. Межвуз. Научн. Сб. 1999, с. 110-114.

57. Симвулиди И.А. Расчет инженерных оснований на упругом основании. М., 1968.

58. Синицин А.П., Жемочкин Б.Н. Практические методы расчета фундаментных балок и плит на упругом основании. М., 1962.

59. Слезингер И.И. Аэродинамические измерения. Методы и приборы. М., Наука, 1964.

60. Смирнов Г.Н. Океанология. М.: Высшая школа, 1974. - 344 с.

61. Соболевский Ю.А. Водоносыщенные откосы и основания. Минск,1975.

62. Соколовский В.В. Статика сыпучей среды. М., 1960.

63. Стоценко А.А. Гидробиотехнические сооружения. Владивосток: ДВГТУ, 1984.- 136 с.

64. Стоценко А.А. докторская диссертация. Владивосток, 1992.

65. СНиП 20201-83 "Основания зданий и сооружений". / Госстрой СССР. М.: Стройиздат, 1985.• 69)СНиП 2.02.03-85.Свайные фундаменты. / Госстрой СССР. М.: Стройиздат, 1986.

66. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия. М., 1986.

67. СНиП 2.02.04-88. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. М. 1990.

68. СниП 2.01.01-82. Строительная климатология и геофизика. М., 1987.

69. Тарануха Н.А., Жеребко К.В., Петрова А.Н., Петров М.Р. Математическая модель шарнирной стержневой системы с большими перемещениями. Новосибирск //Известия вузов: Строительство, 2003, №3 (531), с. 12-18.

70. Тарануха Н.А., Чижиумов С.Д. Применение метода граничных элементов к решению некоторых задач гидроупругости. Материалы ХП дальневосточной НТК «Повреждения и эксплуатационная надежность судовых конструкций», Владивосток, ДВГТУ, 1994. С 116-119.

71. Терцаги К., Пек Р. Механика грунтов в инженерной практике. М.,1961.

72. Уокер С. Динамика морских сооружений: Пер. с англ. — JT.Судостроение, 1983.-232 с.

73. Флорин В.А. Теория уплотнения земляных масс. М., 1948.

74. Фридман A.J1. Гидродинамическое сопротивление сетей, ниток и тросов. М.: ВНИРО, 1968. - 42 с.

75. Христофоров B.C., Ташаев A. JL, Мелешков Р. Г. Экспериментальные исследования держащей способности гравитационных якорей и якорей, заглубленных в грунт. Труды коорд. совещ. по гидротехнике. JI., Энергия, 1967, вып. 40, с. 312-322.

76. Цытович Н.А. Механика грунтов. М., 1983.

77. Шапошников Н.Н. Строительная механика. -М.: Высш. шк, 1986.

78. Шпиро Г.С. Расчеты фундаментов мостовых опор глубокого заложения. М., 1970.

79. Чжен П. Отрывные течения, т. 1-3. М., Мир, 1972.

80. Achenbach Е. Experiment on the Flow Past Spheres at Very High Reynolds Numbers. J. Fluid Mesh., 1972, vol. 54, part 3, p. 565-575.

81. Belkhir S.Numerical and physical approach. Proc. 9th Int. Offshore and Polar Eng. May, 1999. C. 625-630.

82. Extreme values of Morison-type processes/ Baar J.J. M. // Appl. Okean Res. 14, № l.-C. 65-68.

83. Wiegel R.L.Oceanographically engineering. Prentice-Hall, 1964.

84. Lap A. Ship Resistance in Shallow and Restricted Water. Report of Resistance Committee, Apendix 5. Proceedings of the 13th ITTC. Berlin - Hambirg 1972. p. 95-123.

85. Longuet-Higgins M.S., Stewart R.W. Changes in the form of short gravity waves on long waves and tidal currents. J. Fluid Mech., 1960, N 8, p. 565-583.

86. Kinsman B. Wind Waves, their generation and propagation on the ocean surface.Prentice-Hall, 1965.

87. Dynamic response of poro-elastic seabed around a mooring anchor with pretension / Takatani Tomiya, // Proc. 3rd Int. Offshore and Polar Eng. Conf., Singapore, June 6 11, 1993. Vol. C. 567-572.

88. Penzien J., Maharaj K., Berge B. Stochastic response of offshore towers to random sea waves and strong motion earthquakes. — In Computers and structures. Pergamon Press, 1972, vol. 2, p. 733-756.

89. Hoerner S. Fluid Dynamic Drag. Published by author, 1965.

90. Taranukha N.A. " Module-Boundary Element". In book: Boundary Element Technology XI.- Computational Mechanics Publications, Southampton- Boston, USA, Honolulu 1996. P. 23-30.

91. Trickey J.C.The design of deepwater moorings using fibre rope tethers. Brest, May, 1999. C. 352-357.

92. Wang Yi-Ming. The transient dynamic of a cable-mass system due to the motion of an attached accelerating mass. 2000. 37,№ 9, c. 1361-1383.