МУ 2.2.4.1518-03
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
2.2.4. ФИЗИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ ПРОИЗВОДСТВЕННОЙ СРЕДЫ
Расчетная оценка
уровней вибрации в обитаемых помещениях морских судов
Дата введения 2003-06-30
1. РАЗРАБОТАНЫ: Медико-технический центр гигиены объектов судостроения, морской техники и транспорта ФГУП "Центральный научно-исследовательский институт им. академика А.Н.Крылова" (В.П.Копченов, И.М.Белов - руководитель творческой группы, В.С.Бояновский, к.т.н. Э.И.Иванюта, к.т.н. Ю.А.Никольский).
2. УТВЕРЖДЕНЫ Главным государственным санитарным врачом Российской Федерации, Первым заместителем Министра здравоохранения Российской Федерации Г.Г.Онищенко 29 июня 2003 г.
3. Вводятся в действие с 30 июня 2003 г.
4. ВВЕДЕНЫ ВПЕРВЫЕ.
1. Область применения
1.1. Методические указания устанавливают правила расчетов вибрации в обитаемых помещениях судов на стадии проектирования в обеспечение мероприятий по предотвращению повышенной вибрации и по снижению ее до допустимых уровней, согласно п.8.1 санитарных норм СН 2.5.2.048-96 "Уровни вибрации на морских судах".
1.2. Методические указания предназначены для организаций, осуществляющих проектирование морских судов и центров госсанэпиднадзора, осуществляющих государственный санитарно-эпидемиологический надзор.
1.3. Методические указания распространяются на расчеты вибрации однокорпусных водоизмещающих морских судов длиной более 30 м, плавающих по чистой воде и во льдах.
2. Нормативные ссылки
2.2. Санитарные нормы СН 2.5.2.048-96 "Уровни вибрации на морских судах".
2.3. Правила классификации и постройки морских судов. Морской Регистр судоходства Российской Федерации, 1999.
3. Общие положения
3.1. Целью расчетов является определение уровней вибрации палуб помещений в местах пребывания экипажа и пассажиров.
3.2. Расчету подлежат продольная и вертикальная составляющие вибрации в октавах со среднегеометрическими частотами 2, 4, 8, 16, 31,5 и 63 Гц, полностью определяющие вибрационные условия обитания на судах.
3.3. Расчет производится для спецификационных вариантов загрузки судна на основных эксплуатационных режимах.
3.4. В качестве основных источников вибрации в судовых помещениях рассматриваются:
- работающие гребные винты;
- главные малооборотные и среднеоборотные дизельные энергетические установки.
Для судов ледового плавания и ледоколов, помимо вышеуказанных возмущающих сил, учитываются также усилия от ударного взаимодействия корпуса со льдом.
3.5. В качестве основного метода расчетов используется метод конечных элементов (МКЭ). Методические указания ориентированы на использование компактных типовых расчетных схематизаций, позволяющих максимально снизить трудоемкость расчета при сохранении достаточной для практики точности. Правила сведения реального корпуса и надстройки к компактным моделям базируются на результатах теоретических и экспериментальных исследований, а также на опыте расчетов по натуроподобным моделям [1].
3.6. Структура и порядок расчетов в общем виде представляются следующим образом:
- на первом этапе для оценки возможности возникновения резонансных явлений в диапазоне изменения частот основных гармоник периодических возмущающих усилий выполняются расчеты частот свободных колебаний корпуса судна в целом, надстройки и палуб помещений;
- на втором этапе выполняются расчеты уровней вынужденной вибрации палуб обитаемых помещений и оценивается их допустимость;
- на третьем этапе (при необходимости) разрабатываются рекомендации по применению конструктивных или других мероприятий, направленных на снижение уровней повышенной вибрации, оценивается эффективность и достаточность принятых для этого в каждом конкретном случае мер.
4. Расчетное прогнозирование уровней вибрации палуб помещений морских транспортных судов
4.1. Требования к значениям собственных частот
Морские транспортные суда, как правило, имеют компактную многоярусную надстройку, а в качестве главного двигателя - малооборотный или среднеоборотный дизель. Сопоставление возможных значений низших собственных частот корпуса, надстройки и палуб помещений этой группы судов с диапазоном частот, в котором в процессе эксплуатации судна изменяются частоты возмущающих сил от работы гребных винтов и главных двигателей, позволяет заключить, что основными факторами, определяющими возможность возникновения повышенной вибрации в помещениях, как правило, являются:
- в октавах со среднегеометрическими частотами 2 и 4 Гц - совпадение или близость низших частот свободных вертикальных колебаний корпуса и частот возмущающих сил первого и второго порядков;
- в октаве со среднегеометрической частотой 8 Гц - совпадение или близость первой собственной частоты продольных колебаний островной надстройки и лопастной частоты;
- в октаве со среднегеометрической частотой 16 Гц - совпадение или близость низших собственных частот палуб помещений и частот основных порядков малооборотных дизелей;
- в октаве со среднегеометрической частотой 31,5 Гц - совпадение или близость низших собственных частот палуб помещений и частот основных порядков среднеоборотных дизелей.
В октаве со среднегеометрической частотой 63 Гц проблем, связанных с нарушением вибрационных условий обитания на судне, обычно не возникает.
В связи с изложенным, к значениям собственных частот указанных конструкций на стадии проектирования предъявляются следующие требования, имеющие целью исключение возможности их резонансных колебаний:
- значения частот первых трех тонов свободных вертикальных колебаний корпуса должны отличаться от частот возмущающих сил и моментов первого и второго порядков на расчетных режимах хода судна не менее чем на 10%;
- значение низшей собственной частоты продольных колебаний (основной частоты) островной надстройки должно отличаться от лопастной частоты не менее чем на 20%;
- значения низших собственных частот набора и настила полей палубных перекрытий помещений должны превышать значения частот возмущающих сил, не менее чем на 30 и 50% соответственно.
4.2. Расчеты свободных колебаний
4.2.1. Построение расчетной модели корпуса и надстройки
Для определения собственных частот корпуса и надстройки в качестве основного расчетного метода используется метод конечных элементов. В начальной стадии проектирования для приближенной оценки собственной частоты надстройки применяются аналитические формулы, приведенные в прилож.1.
При использовании МКЭ в качестве расчетной математической модели принята плоская пластинчато-стержневая схематизация судна (рис.1), моделирующая распределение жесткостных и массовых характеристик корпуса и надстройки.
Рис.1. Типовая расчетная модель судна
4.2.1.1. Корпус
Корпус набирается из прямоугольных пластинчатых элементов, работающих в плоском напряженном состоянии. Толщины этих элементов - , м определяются из условия:
, (1)
где - площадь связей корпуса, работающих на сдвиг в сечении
-го шпангоута, м
;
- высота борта в сечении
-го шпангоута, м.
Верхняя палуба и днище моделируются стержнями, работающими на растяжение-сжатие. Площади поперечных сечений стержней , м
, моделирующих верхнюю палубу и днище в сечении
-го шпангоута, принимаются одинаковыми и вычисляются по формуле:
, (2)
где - эффективный момент инерции поперечного сечения относительно горизонтальной оси судна на
-м шпангоуте, м
.
Масса корпуса с учетом присоединенной массы воды равномерно распределяется по площади соответствующих пластинчатых элементов. Стержневые элементы вводятся с погонной массой равной нулю.
Рекомендации по определению эффективных жесткостных характеристик расчетной модели корпуса и присоединенных масс приведены в прилож.2 и 3.
4.2.1.2. Надстройка
Основными параметрами, влияющими на значение первой собственной частоты надстройки, являются:
- жесткость надстройки на сдвиг;
- массовая нагрузка надстройки;
- жесткость крепления надстройки к корпусу.
Жесткость надстройки на сдвиг определяется, главным образом, наружными боковыми стенками, внутренними протяженными (не менее двух третей длины надстройки) плоскими продольными переборками и, в меньшей степени, палубами ярусов. Суммарные толщины этих связей, включенных в расчетную схему без учета имеющихся в них вырезов (дверей, иллюминаторов, люков и т.д.) и без подкрепляющего их набора, образуют толщины соответствующих пластинчатых элементов. Торцевые стенки надстройки и поперечные переборки в расчетной модели не учитываются. Гофрированные продольные внутренние переборки учитываются с половинной толщиной.
Палубы ярусов надстройки моделируются с помощью стержней, работающих на растяжение-сжатие. Площадь стержня -го яруса
, м
вычисляется по формуле:
, (3)
где - приведенная толщина палубного настила с учетом продольного набора, м;
- ширина яруса надстройки, м.
Масса надстройки распределяется по пластинчатым элементам соответствующего яруса. Стержневые элементы, моделирующие жесткость палуб, вводятся с нулевой погонной массой.
Надстройка считается жестко скрепленной с корпусом в узлах, где ее боковые или поперечные стенки оперты на борта или прочные переборки корпуса, доведенные от верхней палубы до двойного дна. В остальных узлах перевязка с корпусом считается податливой и конечная жесткость крепления в узле учитывается введением стержневых элементов с нулевой погонной массой, работающих на растяжение-сжатие. Жесткость стержней при этом вычисляется из предварительного статического расчета соответствующей шпангоутной рамы, загруженной единичной сосредоточенной силой.
Надстройка может быть принята жестко скрепленной с корпусом, если она оперта, по крайней мере, на две поперечные переборки.
Погрешность определения собственной частоты надстройки при использовании плоской расчетной модели не превышает 10%, если боковые наружные стенки ее ярусов лежат в одной плоскости или отстоят друг от друга на смежных ярусах менее чем на 2,5 м. В случаях, когда указанное отстояние больше 2,5 м, необходимо использовать пространственную расчетную модель.
4.2.2. Определение основных собственных частот палуб помещений
Методика расчета вибрации палуб помещений рассматривается ниже на примере жилых ярусов надстроек, однако может быть распространена и на палубы помещений, расположенных в корпусе. Палубы ярусов надстроек представляют собой плоские перекрытия, набранные по продольной или поперечной системе набора и разделенные с помощью системы несущих металлических выгородок на ряд полей. Расчету подлежат низшие собственные частоты пластин настила и подкрепляющего набора этих полей. Для некоторых конструктивных типовых вариантов основные частоты этих элементов поля можно определить с помощью аналитических формул.
4.2.2.1. Блок кают при поперечной системе набора
Колебания конструкций этого типа (рис.2) характеризуются двумя собственными частотами, одна из которых является низшей собственной частотой бимса и соответствует колебаниям палубного перекрытия в целом, а вторая - первой частотой палубного настила, подкрепленного бимсами, и характеризует колебания пластин настила относительно бимсов.
Рис.2. Типовая схема палубного перекрытия с поперечной системой набора
Низшая собственная частота бимсов , Гц определяется из условия свободного опирания их по концам:
