פרויקט זה עוסק בגישות לתיכון מבנים בצורה אופטימאלי למשקל,
חוזק ואילוצים אחרים.
היישומים נעשו בעזרת תוכנת אלמנט סופי NASTRAN
.באיור ניתן לראות את המבנה המופשט של הצוללת אשר מתוכננת לעומק100[m]. מקדם הביטחון
הרצוי של המבנה לפי הספרות הוא FS =2 .
איור 1
הבעיה הקריטית ביותר במבנה מסוג
זה היא עמידות הצוללת בקריסה עקב הלחץ ההידרוסטאטי.
העבודה חוקרת כיצד משנה עומס הקריסה של מבנה הצוללת את תכונותיה
והתנהגותה בהתאם לשינויי התכן ושיטות הקירוב. זאת ע"י בדיקת תגובת
המבנה לשינוי במשתני התכן: מספר חציצים, עובי דופן, מומנט האינרציה של כל חציץ
וכן בשיטות קירוב, שיטת הרישות ואופן האנליזה (ליניארית סטאטית, קריסה או לא
ליניארית).
המטרה היא להגיע
לתצורת מבנה שתבטיח עמידות מקסימאלית לקריסה במשקל מינימאלי. לכן יש צורך בקבלת רגישותיות
עמידות הצוללת לפרמטרים של המבנה : עובי
דופן, קשיחות חציצים.
מידיעת הרגישות שונו פרמטרי המבנה להפחתת משקלו ושמירה על עמידותו לקריסה
ומקדמי הביטחון.
עיקר המשקל מתקבל מעובי
הדופן. הוספת חציצים מאפשרת השגת עמידות בקריסה עם עובי דופן
נמוך יותר. למרות תוספת המשקל עקב הוספת החציצים עדיין סך כל משקל המבנה שיתקבל
נמוך יותר מזה עם עובי דופן גדול.
נדרש להגיע לאופטימום בין עובי דופן מינימאלי לבין צפיפות נמוכה ככל האפשר
של החציצים.
תיאור מרחב הבעיה הושג ע"י כתיבת תוכנית מחשב
אשר מפיקה את רשימת הצמתים והאלמנטים בפורמט של תוכנת NASTRAN. הקליפה (הדופן) נבנתה מאלמנטי
QUAD4
ואלמנטי TRI בקצוות.
והחציצים הוצגו ע"י אלמנטים מסוג BAR .
הפרמטר החשוב ביותר באלמנט האחרון הוא מומנט האינרציה הראשון (בכיוון Z האורכי)כאשר צורת החתך שנבחרה היא של מלבן פשוט שממנה מחושב
המשקל.
השלב העיקרי של עבודת האופטימיזציה
של המבנה למשקל מינימלי נעשתה בעזרת אנליזה ליניארית של קריסה כמוצג באיור 2 אשר נותנת את מקדם העמסה של המבנה ואת מוד
הקריסה.
איור 2 : מוד
קריסה אופייני באנליזה ליניארית
המבנה האופטימלי הושג ע"י שינוי פרמטרי הגיאומטריה : עובי הדופן, מספר חציצים ראשיים ומשניים
וגודלם. כל סדרת אנליזות התמקדה בפרמטר אחר של המבנה כאשר המטרה להגיע למקדם ביטחון
של 2 .
להערכת
מומנט האינרציה של החציצים והקשר בין
המרחק בין החציצים ועובי הדופן לחוזק המבנה נעשה שימוש בנוסחאות מהספרות.
במהלך העבודה למציאת המבנה האופטימלי הושקו מספר מסקנות תיכוניות:
·
מתוך סדרת התוצאות התברר שעובי של 1 ס"מ בצילנדר
לא עמד כלל בדרישות התכן. על כן בשלב מסוים הופסק החיפוש עבור עובי זה ונעשתה
התמקדות בעובי של ב 1.5 ס"מ שהוא העובי שנבחר לבסוף.
·
שימוש בעובי נמוך תוך הוספת אורכנים התגלה כלא
מועיל ולא תרם לעמידות המבנה והקטנת משקלו.
·
שימוש בחציצי ביניים התברר כיעיל ביותר. מספר
החציצים היעיל הוא בין 9 ל 11 כאשר מספר
החציצים הראשיים הוא בין 3 ל 5 וכל
השאר הם חציצים משניים.
·
הורדת עובי
דופן הכיפות שיפרה את החיסכון במשקל תוך שמירה על יציבות המבנה לקריסה.
|
מומנט אינרציה
מרכז
קצה
|
|
8.33E-06
|
1.44E-05
|
3.41E-05
|
4.86E-05
|
4.86E-05
|
|
0.1
|
0.12
|
0.16
|
0.18
|
0.18
|
·
שימוש מומנט אינרציה משתנה לאורך המבנה באופן
סימטרי התברר כמועיל ביותר ושיפר את אפשרויות הפחתה במשקל בעיקר סמוך לכיפות.
בשלב הסופי של הפרוייקט לאחר שהתקבלו
מספר מבנים אופטימלים, כלומר, המבנים הקלים ביותר שהציגו מקדם ביטחון של 2, בוצעה
אנליזה לא ליניארית סטאטית שבאמצעותה נקבע מקדם העומס הסופי.
באנליזה לא ליניארית מקדם העמיסה של
המבנה הנבחר הוא 1.978 כלומר, מבחינה
הנדסית הושג מקדם הבטחון 2.
איור 3: הצורה המוסטת של המבנה
הנבחר באנליזה לא ליניארית סטאטית
סיכום
היעדים שהושגו
- אנליזה סטאטית ליניארית ראשונית.
- אנליזת קריסה ליניארית.
- בדיקת רגישות עמידות המבנה עקב שינויי פרמטרים באנליזות שבוצעו.
- אנליזה לא ליניארית (הזזות גדולות).
- שיפור עמידות המבנה.
המבנה הנבחר :
בעל עשרה חציצים משתנים
המופיעים באופן סימטרי עם עובי דופן של 1.5 ס"מ והכיפה של 1 ס"מ.
|
מס' ח'
|
ערך עצמי
|
משקל [ton]
|
|
10
|
2.18
|
28.72
|
להלן מומנטי האינרציה של החציצים.
מתחת לכל ערך מופיע גובה החציץ התואם כאשר עובי כל החציצים הוא 0.1 מ':
