ЛИСТ УЧЕТА ЦИРКУЛЯРНЫХ ПИСЕМ, ИЗМЕНЯЮЩИХ / дополняющих НОРМАТИВНЫЙ ДОКУМЕНТ

НД № 2-020101-104 - Правила классификации и постройки морских судов, 2018

Часть IX

(номер и название нормативного документа)

№ п/п Номер циркулярного письма, дата утверждения Перечень измененных и дополненных пунктов 1. 313-09-1126ц от 27.04.2018 Часть IX: раздел 2: 2.4.1,2.4.3, 2.4.6.1 - 2A6.4, 2.4.8,2.4.9, Приложения 1 - VI; раздел 6:6.3.1 - 6.3.4,6.3.5.1

11/05

Касательно;

внесения изменений в Правила классификации и постройки морских судов, 2018,

НД № 2-020101-104 в связи с вступлением в силу унифицированных требований (УТ) МАКО АЗ и М53 рев.З

Объекг(ы) наблюдения: суда в постройке

Дата ввода в действие:    Действует    до:    Действие    продлено    до:

с момента опубликования

Отменяет/ изменяет/ дополняет циркулярное письмо №    от

Количество страниц:    1    +    52

Настоящим информируем, что в связи с вступлением в силу унифицированных требований (УТ) МАКО АЗ и М53 рев.З в часть IX «Механизмы» Правил классификации и постройки морских судов, 2018, НД № 2-020101-104 вносятся изменения, приведенные в приложении к настоящему циркулярному письму.

Оригинальный текст УТ МАКО АЗ (June 2017) и М53 (Rev.3 June 2017) на английском языке размещен на служебном сайте PC в разделе «Внешние нормативные документы РС/02 Документы МАКО/ № 1-0202-003-Е и №1-0209-053-Е-А1».

Необходимо выполнить следующее:

1.    Руководствоваться положениями настоящего циркуляционного письма при рассмотрении и одобрении технической документации судов с 01.07.2018.

2.    Содержание настоящего циркуляционного письма довести до сведения инспекторского состава подразделений PC, заинтересованных организаций и лиц в зоне деятельности подразделений PC

Перечень измененных и дополненных пунктов/глав/разделов (для указания в Листе учета ЦП (форма 8.3.36)):

часть IX, раздел 2: 2.4.1,2.4.3, 2.4.6.1-2.4.6.4, 2.4.8, 2.4.9, Приложения I-VI; раздел 6: 6.3.1-6.3.4, 6.3.5.1.

Исполнитель:    Серов    А.В.    Отдел    313    (812)3123985

Система «Тезис» №    18-49727

02/2018

Для всех узлов в галтелях рамовых и шатунных шеек определяются эквивалентные напряжения по Мизесу а_эт.- Наибольшее значение используется для расчета ККН по следующим формулам:

Номинальное напряжение a_N рассчитывается согласно 2.4.4.2 настоящей части при

М

^<T,V ~~ ЦТ

изгибающем моменте М по следующей формуле:

3.3 Изгиб со срезом (трехточечный изгиб)

Данный случай нагружения рассчитывается для определения ККН для чистой поперечной (радиальной) силы До, действующей на галтель рамовой шейки.

По аналогии с испытаниями, проводимыми FW, конструкция подвергается воздействию трехточечным изгибом. Деформация обоих торцевых поверхностей модели подавляется. Все узлы жестко соединены с центральным узлом; граничные условия

применяются к центральным узлам. Эти узлы выступают в роли главных узлов и имеют 6 степеней свободы.

Сила прикладывается к центральному узлу, расположенному на шатунной шейке на осевой линии шатуна. Этот узел соединен со всеми остальными узлами поперечного сечения шатунной шейки. Деформации поперечного сечения не подавляются.

Такие граничные условия и условия нагружения применимы как для рядных, так и V-образных двигателей. Для двигателей с V-образным расположением цилиндров может моделироваться только одна сила, передаваемая шатуном. Использование двух сил от шатунов не приведет к значительному изменению значений ККН.

Рис. 3.4. Приложение нагрузки в случае рядного V-образного двигателя

Рассчитывается максимальное эквивалентное напряжение по фон Мизесу азр в галтели рамовой шейки. ККН для галтели рамовой шейки может быть определен двумя описанными ниже способами.

3.3.1 Способ 1

Данный способ аналогичен методике, использующейся в FW. Результаты расчета трехточечного и четырехточечного изгиба сочетаются следующим образом:

&W ~    ^    GqwPq

где:

азр - согласно расчету МКЭ;

аюр— номинальное изгибное напряжение в центре щеки, возникающее вследствие воздействия силы F₃p [Н], прикладываемой по осевой линии данного шатуна (см. рис. 3.4);

0озр — согласно п. 3.2;

OQ3P - <Ззр /(BW), где ()зр - радиальная (срезающая) сила на щеке, возникающей в результате действия силы F₃p [Н], прикладываемой по осевой линии данного шатуна (см. также рис. 2.4.4.1-1 и 2.4.4.1-2 настоящей части).

3.3.2 Способ 2

Данный способ не аналогичен методике, использующейся в FW. В статически определенной системе с одним кривошипом на двух подшипниках изгибающий момент и радиальная (срезающая) сила пропорциональны. Поэтому ККН галтели рамовой шейки может быть найден непосредственным конечно-элементным расчетом трехточечного изгиба.

ККН рассчитывается по следующей формуле:

Обозначения см. в 3.3.1.

При использовании этого метода определение радиальной силы и напряжения согласно главе 2.4 настоящей части становится избыточным. Тогда рассчитывается переменное изгибное напряжение в галтели рамовой шейки согласно 2.4.4.3 главы 2.4 настоящей части по следующей формуле:

Данный метод не применяется к галтели шатунной шейки, и такой ККН не должен использоваться в рамках методов расчета, отличных о тех, в которых предполагается наличие статически определенной системы (как в главе 2.4 настоящей части).

ПРИЛОЖЕНИЕ IV

РУКОВОДСТВО ПО ОЦЕНКЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ НА УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЫсм. ут мако М53)

Содержание

1.    Введение

1.1    Испытания малых образцов

1.2    Испытание полноразмерного кривошипа

2.    Оценка результатов испытаний

2.1    Принципы

2.2    Ступенчатый метод

2.3    Модифицированный ступенчатый метод

2.4    Расчет выборочного среднего и стандартного отклонения

2.5    Доверительный интервал для среднего предела усталости

2.6    Доверительный интервал для стандартного отклонения

3.    Испытания малых образцов

3.1    Определение изгибной усталостной прочности

3.2    Определение крутильной усталостной прочности

3.3    Прочие места отбора образцов

3.4    Сопоставление результатов испытаний

4.    Полноразмерные испытания

4.1    Гидравлическая пульсация

4.2    Резонансный стенд

4.3    Использование результатов и приемлемость коленчатого вала

5.    Применение имеющихся результатов к аналогичным коленчатым валам

1. Введение

Испытания на усталостную прочность можно разделить на две основных группы: испытания малых образцов и испытания полноразмерных кривошипов. Испытания могут проводиться ступенчатым способом или модифицированным ступенчатым способом. Также могут использоваться иные статистические методы оценки.

1.1    Испытания малых образцов

Для коленчатых валов с галтелями без поверхностного упрочнения усталостная прочность может быть определена посредством испытаний малых образцов, взятых от полноразмерного кривошипа, однако этот способ не должен применяться в случае, если соседние с галтелями области имеют поверхностное упрочнение, создающее остаточные напряжения в галтелях.

Особенностью таких испытаний является возможность изготовления достаточно большого количества образцов для проведения испытаний с различными коэффициентами асимметрии цикла напряжений R и в различных режимах нагружения (осевое, изгибное, крутильное), с надрезом или без него для оценки характеристики используемых материалов в условиях многоосного нагружения.

1.2    Испытание полноразмерного кривошипа

В случае коленчатых валов с поверхностным упрочнением усталостная прочность может быть определена только посредством испытания полноразмерных кривошипов. В случае 3- и 4-точечного изгиба нагрузка может прилагаться при помощи гидравлических приводов либо при помощи возбудителя на резонансном стенде, позволяющим производить испытания с коэффициентом асимметрии цикла напряжений R = -1.

2. Оценка результатов испытаний

2.1 Принципы

Перед проведением испытаний на усталостную прочность коленчатый вал необходимо проверить в соответствии с процедурами контроля качества, включая соответствие химического состава материала, его механических свойств, твердости поверхности, глубины и протяженности упрочнения, качества обработки поверхностей шеек.

Образцы для испытаний должны быть подготовлены таким образом, чтобы отражать «нижнюю часть» диапазона приемлемых значений - в частности, для коленчатых валов с индукционной закалкой это означает минимально допускаемую глубину упрочнения, минимальная протяженность зоны упрочнения на галтели и т. п. В противном случае средние результаты испытаний необходимо будет скорректировать с учетом доверительного интервала: для среднего и для стандартного отклонения может быть взят интервал с доверительной вероятностью 90 %.

При использовании в рамках главы 2.4 настоящей части результатов испытаний следует проверить и убедиться, что они соответствуют средней усталостной прочности, с учетом или без учета указанного выше интервала с доверительной вероятностью 90 %. Стандартное отклонение должно определяться с учетом интервала для доверительной вероятности 90 %. При этом результат, который будет взят в качестве усталостной прочности, будет равен среднему значению усталостной прочности минус одно стандартное отклонение.

Если оценка проводится для определения отношения между механическими свойствами материала при статическом нагружении и усталостной прочностью, такое соотношение должно основываться на фактических (т.е. измеренных) механических свойствах, а не на установленных минимальных значениях этих свойств.

Методика расчета, представленная в 2.4, применяется как для ступенчатого, так и для модифицированного ступенчатого метода.

2.2    Ступенчатый метод

При применении ступенчатого метода в первом образце создается напряжение, соответствующее средней ожидаемой усталостной прочности. Если образец выдерживает 10⁷ циклов, его откладывают, а для следующего образца создают напряжение на одну ступень выше предыдущего, т.е. после каждого образца, успешно прошедшего испытание, всегда идет следующий, в котором создается напряжение на одну ступень выше. При этом между ступенями приращение напряжения напряжение подбирают таким образом, чтобы отклонение соответствовало ожидаемому уровню стандартного отклонения.

Если образец разрушается до прохождения 10⁷ циклов, то фиксируют отработанное количество циклов, а в следующем образце создают напряжение на одну ступень ниже предыдущего. При этом, сумма неуспешно и успешно завершенных испытаний равна количеству образцов.

Первоначальный ступенчатый метод применим только в случае наличия большого количества образцов, поскольку для достижения достаточной точности результата испытаний необходимо использование около 25 образов.

2.3    Модифицированный ступенчатый метод

При применении модифицированного ступенчатого метода в первом образце создается напряжение, которое, вероятнее всего, окажется заметно ниже средней усталостной прочности. Когда этот образец успешно пройдет 10⁷ циклов нагружения, в нем же создается напряжение на одну ступень выше предыдущего. При этом между ступенями приращение напряжения должно подбираться таким образом, чтобы соответствовать ожидаемому уровню стандартного отклонения. Процесс поступенчатого увеличения нагрузки продолжается с образцом до его разрушения. После его разрушения, в следующем образце создается напряжение по меньшей мере на 2 ступени ниже того, при котором произошло разрушение предыдущего образца.

В рамках этого подхода количество неуспешно и успешно завершенных испытаний (считая по наивысшему уровню напряжений, при котором образец успешно прошел 10⁷ циклов) обычно равно числу образцов.

Результат, полученный по итогам испытаний по модифицированному ступенчатому методу, следует использовать с осторожностью, поскольку есть вероятность, что поступенчатое увеличение нагрузки на образец, особенно при большом среднем напряжении, имеет свойство увеличивать предел усталости, хотя этот эффект обучения менее выражен в случае испытаний образцов высокопрочных сталей с пределом прочности более 800 МПа.

При необходимости расчета доверительного интервала минимальное количество испытываемых образцов составляет 3 шт.

2.4    Расчет выборочного среднего и стандартного отклонения

отклонением для последовательности из п образцов, в которой значения переменных распределены нормально с неизвестным выборочным средним и неизвестной дисперсией, доверительный интервал (1 - а)-100 % для среднего равен:

Получившийся доверительный интервал симметричен относительно эмпирического среднего выборочных значений, а нижний предел можно найти по формуле:

ум

что является средним пределом усталости (совокупное значение), по которому можно определить сокращенный предел усталости, учитывающий пределы вероятности разрушения.

2.6 Доверительный интервал для стандартного отклонения

Доверительный интервал для дисперсии нормальной случайной переменной имеет распределение хи-квадрат с п - 1 степенями свободы.

Предполагаемый результат усталостных испытаний п образцов представляет собой нормальную случайную переменную с дисперсией а² и обладает эмпирической дисперсией s². Доверительный интервал (1-а)-100 % для данной дисперсии составляет

Доверительный интервал (1-а)*100% для стандартного отклонения равен квадратному корню из верхнего предела доверительного интервала дисперсии и находится по формуле

Приложение к циркулярному письму № 313-09-1126ц от 27.04.2018

ПРАВИЛА КЛАССИФИКАЦИИ И ПОСТРОЙКИ МОРСКИХ СУДОВ, 2018,

НД № 2-020101-104

ЧАСТЬ IX. МЕХАНИЗМЫ

2.4 КОЛЕНЧАТЫЙ ВАЛ

Пункт 2.4.1. Во втором абзаце текст «...при условии представления обосновывающих расчетов или экспериментальных данных» заменяется текстом "при условии выполнения расчетов, учитывающих применимые требования Приложений III, V, VI к разд. 2 и экспериментальных данных, полученных в соответствии с требованиями Приложения IV к разд. 2. При этом принимаемые коэффициенты запаса прочности должны быть обоснованы.».

Пункт 2.4.3. Абзац «...поверхностная обработка ...» заменяется следующим текстом:

«... поверхностная обработка галтелей рамовых и шатунных шеек и краев масляных отверстий (индукционная закалка, закалка открытым пламенем, азотирование, обкатка, дробеструйная обработка и т.п. с описанием процесса закалки) (см. Приложение V к разд. 2);».

Пункт 2.4.6.1. Последнее предложение «Альтернативный метод расчета коэффициентов концентрации напряжений с использованием МКЭ должен быть согласован с Регистром» дополняется следующим текстом: «(см. Приложения III и VI к разд. 2)».

Пункт 2.4.6.2 первое предложение «Галтель шатунной шейки» дополняется текстом: «(см. Приложение I к разд. 2).».

Пункт 2.4.6.3. Первое предложение «2.4.6.3 Галтель рамовой шейки» дополняется текстом: «(см. Приложение I к разд. 2)».

Пункт 2.4.6.4. Первое предложение «2.4.6.4 Край масляного отверстия» дополняется текстом: «(см. Приложение II к разд. 2)».

Пункт 2.4.8 дополняется следующим текстом: «См. также Приложения I и II к разд.

2.».

Пункт 2.4.9. Предпоследний абзац «При наличии результатов испытаний на усталостную прочность полноразмерных кривошипов или коленчатых валов, подвергавшихся поверхностной обработке, коэффициент К принимается на основе этих испытаний.» дополняется следующим текстом «(См. Приложения IV и V к разд. 2).».

Раздел 2 ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ дополняется в конце Приложениями I - VI (См. УТ МАКО М53):

I

Это стандартное отклонение (совокупное значение), по которому можно определить предел усталости, учитывающий пределы вероятности разрушения.

3. Испытания малых образцов

Под малым образцом здесь понимается один из образцов, взятых от кривошипа. Поскольку образцы используются для определения усталостной прочности галтелей, они должны отбираться из областей, находящихся близко к галтелям, как показано на рисунке 3.

Необходимо убедиться, что направление главного напряжения при испытаниях образца эквивалентно таковому для полноразмерного кривошипа. Проверку рекомендуется проводить при помощи МКЭ.

Статические механические качества определяются в соответствии с процедурами контроля качества.

3.1 Определение изгибной усталостной прочности

Рекомендуется использовать образцы без надреза во избежание возникновения неопределенностей, связанных с влиянием градиента напряжений. Предпочтительна методика испытаний знакопеременной нагрузкой (коэффициент асимметрии цикла напряжений R = -1), однако с учётом особенностей проведения испытания и для условий многоосного нагружения дополнительно могут использоваться другие методики.

Для обеспечения того, чтобы направление главного напряжения в ходе испытаний

ПРИЛОЖЕНИЕ III

РУКОВОДСТВО ПО РАСЧЕТУ КОЭФФИЦИЕНТОВ КОНЦЕНТРАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ В РАДИУСАХ ГАЛТЕЛИЙ ЩЕК КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ (СМ. УТ МАКО N153)

Содержание

1.    1. Общие положения

2.    Требования к модели

2.1    Рекомендации для элементной сетки

2.2    Материал

2.3    Критерии качества элементной сетки

2.3.1    Критерий главных напряжений

2.3.2    Критерий осредненности/неосредненности напряжений

3.    Случаи нагружения

3.1    Кручение

3.2    Чистый изгиб (четырехточечный изгиб)

3.3    Изгиб со срезом (трехточечный изгиб)

3.3.1    Способ 1

3.3.2    Способ 2

1. Общие положения

Целью анализа является определение коэффициентов концентрации напряжений (ККН) в галтелях коленчатых валов МКЭ вместо аналитического способа. Второй из упомянутых метод основывается на эмпирических формулах, полученных из результатов тензометрии различных форм колен и, соответственно, применение этих формул ограничивается исследованными формами.

ККН, рассчитанные в соответствии с положениями настоящего документа, определяются как отношение напряжений, рассчитанных МКЭ, к номинальным напряжениям, рассчитанным аналитическим способом (в галтелях рамовых и шатунных шеек). При использовании в рамках настоящего метода в главе 2.4 настоящей части или альтернативных методов, для расчета изгибающих и главных напряжений при кручении рассчитываются напряжения по фон Мизесу.

Данная процедура, а также руководства по оценке, применимы как к цельным коленчатым валам, так и к полусоставным коленчатым валам (кроме галтелей рамовых шеек).

Анализ должен проводиться в рамках линейно-упругой конечно-элементной модели, а во всех случаях нагружения следует применять единичные нагрузки соответствующей величины.

Расчет ККН в масляных отверстиях не является предметом рассмотрения настоящего Приложения.

Рекомендуется проверять элементную точность используемого конечно-элементного решателя, например, посредством моделирования простой геометрии с последующим сравнением напряжений, полученных из МКЭ, с результатами аналитического расчета для чистого изгиба и кручения.

Вместо МКЭ может также использоваться метод граничных элементов.

2. Требования к модели

Основные рекомендации и допущения при построении конечно-элементной модели представлены в 2.1. Законченная модель должна соответствовать требованиям 2.3.

2.1 Рекомендации для элементной сетки

Чтобы обеспечить качество сетки, конечно-элементную модель для оценки коэффициентов концентрации напряжений следует строить в соответствии со следующими рекомендациями:

Модель должна описывать один полноценный кривошип от осевой линии одного рамового подшипника до осевой линии соседнего рамового подшипника. Вблизи галтелей используются элементы следующих типов:

10-узловые четырехгранные элементы;

8-узловые шестигранные элементы;

20-узловые шестигранные элементы.

Характеристики сетки в области радиусов галтелей. Следующие требования действуют в пределах области ± 90° по окружности от плоскости кривошипа: Максимальный размер элемента а = г/4 по всей галтели, а также в направлении по окружности. При использовании 20-узловых шестигранных элементов размер элемента в направлении по окружности может быть увеличен до 5а. В случае многорадиусной галтели в качестве г берется местный радиус галтели.

(В случае использования 8-узловых шестигранных элементов они должны быть еще меньшего размера для соответствия критериям качества).

Рекомендуемые размеры элементов в направлении глубины галтели: толщина первого слоя равна размеру элемента а; толщина второго слоя равна размеру элемента 2а; толщина второго слоя равна размеру элемента За.

Не менее 6 элементов в направлении толщины щеки.

Остальная часть кривошипа должна обеспечивать численную устойчивость решателя.

Противовесы должны моделироваться только в случае их значительного влияния на общую жесткость кривошипа.

Моделирование масляных отверстий не является обязательным, если их влияние на общую жесткость незначительно, а расстояние до галтели составляет более 2г (см. рис. 2.1).

Сверления и отверстия, предназначенные для облегчения конструкции, следует моделировать.

Применение подмоделей допускается при соблюдении требований программного обеспечения (ПО).

Рис. 2.1. Расстояние между масляным отверстием и галтелью

2.2    Материал

В главе 2.4 настоящей части не рассматриваются свойства материалов, такие как модуль Юнга (Е) и коэффициент Пуассона (и). Для анализа МКЭ эти параметры материала необходимы, поскольку сначала рассчитываются упругие деформации, а из них через модуль Юнга и коэффициент Пуассона рассчитываются напряжения. Следует использовать достоверные значения свойств материалов либо взятые из документации, либо измеренные на образцах материалов.

Для стали рекомендуются следующие значения: Е = 2,05x10^s МПа и v = 0,3.

2.3    Критерии качества элементной сетки

Если используемая элементная сетка не соответствует ни одному из нижеуказанных критериев для определения ККН в исследуемой области, должен быть проведен повторный расчет с использованием более мелкой сетки.

2.3.1 Критерий главных напряжений.

Качество сетки должно быть подтверждено посредством проверки составляющей напряжения, нормальной к поверхности радиуса галтели. В идеальном случае такое напряжение должно быть равно нулю. При главных напряжениях си, ог и аз должно выполняться следующее требование:

mincer,|,|cr₂1, |cr, |) < 0.03 .max(j<T, |,|cr₂1, |er₃1)

2.3.2 Критерий осредненности / неосредненности напряжений.

Данный критерий основывается на отслеживании неоднородностей в напряжениях, определяемых на элементах галтели при расчете ККН:

неосредненные узловые напряжения, рассчитываемые на каждом элементе, соединенном с тем или иным узлом, должны отличаться менее чем на 5 % от 100 % осредненного узлового напряжения на этом узле в исследуемой области.

3. Случаи нагружения

При определении ККН взамен аналитического способа, описываемого в главе 2.4 настоящей части, расчеты должны быть выполнены для следующих случаев нагружения;

3.1 Кручение

По аналогии с испытаниями, проводимыми Научно-производственным Объединением по ДВС (FW), конструкция подвергается воздействию чистым кручением. Деформация торцевых поверхностей модели подавляется.

Крутящий момент прилагается к центральному узлу на оси коленчатого вала. Этот узел работает как главный узел с шестью степенями свободы и жестко соединен с остальными узлами торцевой поверхности.

Такие граничные условия и условия нагружения применимы как для рядных, так и V-образных двигателей.

Для всех узлов в галтелях рамовых и шатунных шеек определяются главные напряжения, а эквивалентное напряжение кручения рассчитывается по формуле:

Р, — (7^ рз -CTJ р, — <7,

^    Л»    Ji-r

Максимальное значение, берущееся для последующего расчета ККН, составляет:

а,. -

X п

Р — ^эке- 'V ⁷

где тn— номинальное напряжение кручения в шатунной и рамовой шейке согласно 2.4.5.1 настоящей части при крутящем моменте Г:

Т

3.2 Чистый изгиб (четырехточечный изгиб)

По аналогии с испытаниями, проводимыми FW, конструкция подвергается воздействию чистым изгибом. Деформация торцевых поверхностей модели подавляется.

Изгибающий момент прилагается к центральному узлу на оси коленчатого вала. Этот узел работает как главный узел с шестью степенями свободы и жестко соединен с остальными узлами торцевой поверхности.

Такие граничные условия и условия нагружения применимы как для рядных, так и V-образных двигателей.