РАСЧЕТ УСИЛИЙ В ГИБКИХ ЭЛЕМЕНТАХ ПРИ ШВАРТОВКЕ

РАСЧЕТ УСИЛИЙ В ГИБКИХ ЭЛЕМЕНТАХ ПРИ ШВАРТОВКЕ
ГРУЗОВ
Автор Кочетов А.С., ФЛА, ПСМ-51
Научный руководитель к.т.н., Красноруцкий Д.А.
Для транспортировки грузов используют разные виды техники:
морскую, автомобильную, железнодорожную и авиационную. Большое
множество факторов влияет на выбор того или иного вида доставки груза. В
зависимости от места куда необходимо доставить груз, до того чем же
именно перевозить. Выгодно перевозить крупные грузы водными видами
транспорта, но везде присутствуют водные артерии, железнодорожная
доставка более распространена, но на грузовую платформу не всегда удается
поместить объемный груз, автомобильному транспорту повезло еще меньше.
Для перевозки некоторых грузов приходится перекрывать улицы и
прокладывать маршруты так, чтобы доставить в целостности груз.
Авиационную технику используют для разных типов грузов, начиная
от простого багажа, до самолетов и шаттлов. Такого типа грузы размещаются
как внутри фюзеляжа, так и вне его. От качества закрепления груза зависит
сохранность груза и жизни экипажа. При транспортировке крупногабаритных
грузов в самолетах, эти грузы прикрепляют транспортировочными сетками,
швартовочными ремнями и цепями. Для швартовки груза необходимо
произвести предварительные расчеты швартовочных элементов на случаи
разных перегрузок, в том числе, на случай жесткой посадки. Кроме
неподвижности груза требуется, чтобы швартовочные элементы не
повреждались. При этом желательно минимизировать их количество.
Существуют разные приближенные методики определения усилий в
швартовочных элементах. Например, методика, предлагаемая в инструкции
по технической эксплуатации грузового самолета Ан-26. Она даёт очень
большой запас прочности и рассчитана только на симметричное крепление.
Существуют, по всей видимости, и другие методики приближенной оценки
усилий в швартовочных элементах. Для более точного определения усилий
применяют конечно-элементные пакеты. При этом производятся расчеты с
последовательным исключением элементов, работающих на сжатие. Это
позволяет более точно определять усилия и задавать произвольную схему
швартовки. Недостатком такого подхода является его трудоёмкость, начиная
со стадии подготовки расчетной схемы вплоть до получения конечного
результата.
В данной работе предлагается подход, основанный на моделировании
швартовочных элементов нерастяжимой нитью, находящейся в поле сил
тяжести. Для такой нити известно аналитическое решение. Координаты всех
точек и внутренние усилия нити в плоскости провисания выражаются через
две константы, подлежащие определению из краевых условий. Для
расположения нити в пространстве используется дополнительный параметр,
подлежащий определению. Это угол поворота плоскости провисания,
относительно оси вдоль действия силы тяжести. При моделировании
швартовки известны координаты точек крепления нитей к фюзеляжу и к
грузу. Для определения положения груза имеются три координаты центра
тяжести и три параметра поворота для определения ориентации в
пространстве. От нитей на груз прикладываются силы натяжения. Кроме
того, на центр тяжести могут действовать силы инерции, дополнительные
внешние силы и моменты, силы реакции опор и т.п. Затем составляются 6
уравнений равновесия центра тяжести груза по силам и моментам.
Неизвестными являются для каждой нити три величины, а также три
координаты центра тяжести и три параметра поворота. Для замыкания
системы добавляются по три уравнения для каждой нити. Эти уравнения
определяют положение точки крепления нити к грузу для нового положения
и ориентации груза в пространстве. Таким образом, имеем (3*N+3)
нелинейных уравнений для определения (3*N+3) неизвестных параметров.
Решая эту систему, находим координаты центра тяжести груза, параметры
его поворота и параметры нитей, по которым рассчитываются искомые
усилия в нитях. Исходные данные для такого расчета задаются в виде таблиц
с координатами точек крепления, информацией по начальному натяжению
нитей (или начальными длинами), информацией о грузе и нагрузках,
действующих на него. На выходе имеем натяжения во всех нитях и новое
положение груза. Предлагаемый подход позволяет моделировать разные
ситуации, в том числе, несимметричное закрепление грузов, а простая форма
исходных данных позволит автоматизировать процесс поиска оптимального
решения путем перебора различных вариантов крепления.
Тело
g
Нить 2
Нить 1
Нить n
Рисунок 1. Расчетная схема швартовки груза