Методика данной работы
Используя приведённую методику СПбГМТУ, мы рассматриваем конструкцию яхтенной мачты в упрощенном виде, как ванто-стержневую систему. С помощью программы «MAST» и реальных размеров мачты – получаем значения ветровых нагрузок, действующих на мачту при указанных в расчёте эксплуатационных характеристиках. Далее, с помощью программы «FESTA», мы строим модель системы и производим её нагружение полученными усилиями в программе «MAST». Расчёт на прочность программой «FESTA» позволяет определить коэффициент запаса по устойчивости, а также значения действующих напряжений и деформаций в сечениях конструкции.
Следующим шагом работы является задача исследования характера и величин напряжений, возникающих в конструктивном узле соединения краспиц с хлыстом мачты, при различных условиях работоспособности ванто-стержневой системы судна.
Для этой цели производится геометрическое трёхмерное моделирование данного узла с помощью полнофункциональной системы автоматизации проектных работ «Creo Parametric [ProEngineer]». Проектирование последнего производилось на основе реально существующих и применяемых конструкций геометрии указанного соединения в парусном спорте.
Полученная модель конвертируется в универсальный расчётный комплекс конечно-элементного анализа «Ansys». В данном комплексе производится нагружение граничных сечений рассматриваемого конструктивного узла усилиями, полученными в соответствующих точках конструкции в программе «FESTA». Далее следует анализ полученных напряжений, их характера.
Расчёт ветровых нагрузок
За основу для данной диссертации была взята модель реальной мачты, используемой на яхтах класса «Конрад-25». Построение геометрической модели производилось на основе имеющихся чертежей указанной конструкции [8], правил класса «Четвертьтонник 2012» [9].
Следуя указанной выше методике, первоначальной задачей стал вопрос определения ветровых нагрузок действующих на ванто-стержневую систему яхты при её эксплуатации. Для этого использовались программа «MAST», а также значения размеров системы, ретранслированные из чертежей. В качестве условий расчёта принято, что лавировка яхты происходит при полной парусности, курсом бейдевинд в 30 градусов.
В связи с неопределенностью действительной величины восстанавливающего момента яхты, ветровые нагрузки определены для скорости вымпельного ветра V10=10 м/с. Вычисление нагрузок выполнено программой «MAST» при следующих данных:
Общие данные |
Данные по мачте «Грот» |
||
Длина корпуса (LOA) |
7.65 (м) |
Ширина мачты |
0.08 (м) |
Высота борта (FBIS) |
0.83 (м) |
Высота мачты (от палубы) |
10.6 (м) |
Количество мачт |
1 (шт.) |
||
Количество передних парусов |
1 (шт.) |
Высота от палубы до гика (BAS) |
1.24 (м) |
Восстанавливающий момент яхты (max) |
неизвестен |
Координата пяртнерса координата Xp |
0.00 (м) |
Ct для грота и бизани |
0.00 |
Наклон мачты |
0.00 (гр) |
Cn для грота и бизани |
1.40 |
Коэффициент трения в ликпазе |
0.20 |
|
|||
Данные по фор-штагу |
Данные по парусу «Стаксель» |
||
Высота переднего треугольника (IG) |
8.46 (м) |
Длина передней шкаторины (LF) |
8.10 (м) |
Длина переднего треугольника (J) |
2.62 (м) |
Длина перпендикуляра (LPG) |
3.85 (м) |
Площадь сечения штага |
0.20 (см2) |
Расстояние от путенса до галсового угла (L0) |
0.03 (м) |
Начальное натяжение штага (Ti) |
0.00 (кг) |
Ордината шкотового угла (Ys) |
1.00 (м) |
Координаты (Xf) = штаг-путенса (Zf) = |
2.62 (м) |
Аппликата шкотового угла (Zs) |
0.05 (м) |
0.05 (м) |
|||
|
Пузатость стакселя |
1:10 |
|
Плотность ткани |
4000 (кг/м) |
||
Данные по парусу «Грот» |
Эксплуатационные данные |
||
Длина передней шкаторины (P) |
9.27 (м) |
Скорость ветра (max) |
10 (м/с) |
Длина нижней шкаторины (E) |
3.65 (м) |
Присутствием спинакера |
нет |
Пузатость грота |
1:10 |
Угол установки грота |
0 (гр) |
Плотность ткани |
5000 (кг/м) |
|
|
Значения нагрузок действующих на паруса, ванто-стержневую систему с учётом бегущего такелажа, полученные программой «MAST»:
Общие данные |
Среднее давление на паруса 6.25 (кг/м2) |
Скорость вымпельного ветра 10.00 (м/с) |
Данные по парусу «Грот» |
Усилия в грото-фале R = 141 (кг) |
Усилия в грото-шкоте Rv = -136 (кг) Rh = 172 (кг) |
Усилия в гике Rx = 135 (кг) Ry = 0 (кг) |
Распределённая нагрузка Qx = -0.146 (кг/см) по длине мачты «Грот» Qy = 0.081 (кг/см) |
|
Данные по парусу «Стаксель» |
||||
|
Rx |
Ry |
Rz |
Rsumm |
Усилия в фор-штаге |
136 (кг) |
43 (кг) |
-568 (кг) |
586 (кг) |
Усилия в стаксель-шкоте |
-94 (кг) |
33 (кг) |
54 (кг) |
113 (кг) |
Усилия в стаксель-фале |
24 (кг) |
0 (кг) |
-78 (кг) |
82 (кг) |
Распределённая нагрузка по длине фор-штага Q = 0.147 (кг/см) |
||||
Также, с помощью программы «MAST», были получены схематичное изображение размеров и положения парусов по отношению к габаритам корпуса яхты, изображения центров парусности каждого паруса и общий центр парусности. Данную схему можно найти в приложении к работе.
№ |
Парус |
F |
Х |
Z |
Luff |
Foot |
Leech |
1 |
Грот |
16.9 |
-1.26 |
5.07 |
9270 |
3650 |
9963 |
2 |
Стаксель |
16.0 |
0.45 |
3.50 |
8300 |
4022 |
8110 |
Координаты общего центра парусности:
Xc = -0.42 (мм) Zc = 4.30 (мм)
F - Результативная сила в центре парусности, (кгс)
X - Координата центра парусности по X, (м)
Z - Координата центра парусности по Z, (м)
Luff - Длина передней шкаторины, (мм)
Foot - Длина нижней шкаторины, (мм)
Leech - Длина задней шкаторины, (мм)
Расчётный файл программы «MAST» можно найти в приложениях к данной работе [файл 1]. Справа - схематичное изображение геометрии парусов судна.