Invloed van de meetrillende bodem op scheepatrillingen.
I. ProbleemstellinE.
We beschouwen een oneindig lange balk met de in,de figuur aangegeven doorsnede. Huid en bovengordingen zijn massaloos. De bodemplaat is een
sandwichplaat, bestaande uit een onder-en bovenplaat met dikte h'.(el. constanten E en v) en een kern, die al-leen schuifspanningen
over-.
brengt (glijdingsmodulusG*)1 De massa van de bodemplaat zij M per oppervlakte-een-heid (de massa is dus Mb per lengte-eenheid).
Gevraagd worden de eigenfrequentie en de trillingsvorm als functie van een golflengte2, in langsrichting.
We maken daartoe de bodem van de huid los. De rand zal verplaat-singenw(verticaal) eg u (in langsrichting)uitvoeren, sinusvormig in de laNgcardinaat en met de tijd. Daartoe moeten zowel op de bodem als op de huid krachten S (verticaal) en T (horizontaal) worden uitgeoefend. deliikstelling van krachten en verplaatsingen geeft een verband tussen
/ en defrequentie. S AV
111111111111
APMAirMAIMMAPIMAIRMAIIMIIIIArA
0 0 , 0 LABORATORIUM VOOR TECH NISCHE MECHANICA AFD. WERKTUIGBOUWKUNDEII. S als functie van w voor de bodes.
We veronderstellen, dat de randen eon verticale verplaatsing
w cos coselt uitvoeren. We vrligen naar de daarvoor benodigde kracht S, gelijk to stellen aan S cos TTT cosmt.
We laten daartoe eerst de bodem verplaatsingen onafhankelijk van de breedte-cardinaat (y) :w cos ITT cosptuitvoeren onder invloed van een
"
over de breedte gelijkmatig verdeelde belasting q(2m ) cos
yr4
cost.
Daarbij is er this goon randbelasting. Pollen we hierbij op de situatie dat de plaat langs de randen is opgelegd, en is belast door
- 4 cos rrT cosmt, dan vinden we de benodigde randbelasting en door op-telling de optredende verplaatsingen.
Verplaatsing onafhankelijk van y:
De vervorming van elk punt van de bodemplaat is gegeven door w en de hock waarover de kern afschuift: P.
4
De verplaatsing in x-richting van de bovenplaat is:
U = 4) - )
8x 2
De verplaatsing u van de onderplaat is tegengesteld. Element van de bodem:
(door symmetric zijn or goon schuifspan-ningen in boven en onderplaat)
d
0;11---/ LABORATORIUM VOOR TECHNISCHE MECHANICA AFD. WERKTUIGBOUWKUNDE-2-T. H. DELFT
-dM
De laatste vergelijking is equivalent met: D in de balkeatheorie dx
De factor
1-7-7
is ingevoerd op grond van de overweging dat behalve dicht bij de rand de verplaatsing in dwarsrichting nul is. In werke-lijkheid is de bodem, als balk in x-richting beschouwd, jets slapper maar de zijplaat heft dit effect ,weer enigs@ns op.he stellen nu:
w = 4 cos 777 coscet
P =
sin
r
coscrtDan is:
u
= a
sin Tri cos,t1t (c^9 +) 7
sinTri
cosmtUit ( 1 ), ( 2 ) en ( 4 ) volgt dan: 2
G* = - E
2 ( + ; 711
w
Contrede: G* 0 levert: T (elke normaal blijft verticaal) G* = colevert: w -= 0 (elke normaal blijft normaal)
1v2 t ( 3 )
( 5
) 3 LABORATORIUM VOOR TECHNISCHE MECHANICA AFD. WERKTUIGBOUWKUNDE T. H. DELFTDe dwarskracht per eenheid van breedte zijn dx. De vervorming van de kern leert:
IT
= G* ( 1 )Het evenwicht van de bovenplaat:
Nux E
17772
u737
( 2 ) Ii H = x Of: EHh*-A 3 20* (1v2) + Ellef "2 d I x ) -==
--( )De dwarskracht is due:
dx = HG* op sin TT COSmt = G*EH2 /1.113
-
w sin TY - cos Ent .t
9.ben
2G* (1-v2 ) 3 + EH h* t 2
De belasting benodigd om deze uitwijking te verkrijgen is (zie figuur)
qbendx= - --X dx, zodat
G* EH2 h* Tt
w COS TT COSmt
2G' (1-v2) t+ EH h*t2 Tt2
De belasting waarover we beschikken, is:
- ; = u.)2; cos Tr 1-1 coscrt
Er blijft dus een benodigde kracht :
x q =
(2)
co. cosmt = 2 H TT 1 12 2(1-v2) p2 1.72 H h* G' *We moeten nu nog de belasting - q(2a) )cos
rt7
cosmt aanbrengen op de langs de randen y = 0 en y = b opgelegde plaat, en de daarbij optre-dende verplaatsingen en randbelasting berekenen.di
2
- M w w cos rt
-
costot
( 6 )De vormverandering is geheel vastgelegd cioor w (de normale ver-plaatsing) en de hoeken en t, die de lijnelementen die oorspronke-lijk.normaal op het middenvlak stonden met de normaal op het vervormde middenvlak,maken en wel in x- respectievelijk y-richting. Van de boven-plaat zijn de verboven-plaatsingen u en v in x- en y-richting bijgevolg.
-If-LABORATORIUM VOOR TECHNISCHE MECHANICA AFD. WERKTUIGBOUWKUNDE T. H. DELFT -Ew H
--
(mrE)
A W H v.= (t ) rDe dwarskrachten, overgebracht door de kern, xijmit
dx
= H Gs' M( 8
)d =HG
1.Eiih
x . x 2d=EV%
"Vc *
kr
1-vd"Is
fa2v 2 vIty LA1
"
7-72-
lry-7 + 2 ?1x2 2 -IcalyUit
7 ) en ( 8
) ti) en * elimineren:d = G* (2u + ) X S dy: = G" (2v + ) LABORATORIUM VOOR TECHNISCHE MECHANICA AFD. WERKTUIGBOUVVKUNDE T.H. DELFT 2
eu
a2N,!La kly
Lax?
?
6y2
.2
alOyi
-(
7 )
5
-9( 9)
4.Anderzijds kuniten we op grond van het evenwicht van een i1ement Van de'bovenplaat (of voor de onderplaat) schrijven:
Als de pleat belast is door,een mormale belasting p per opPer, vlakte-ieenheid, dan luidt de ,evenwichtsvergelijking: q.
-". ad
__x
17 *
-Pdx dy
( H d x y+
( 10 ) 2De uitdrukkingen (
9 )
leveren hiervoor:E H h*A
(au
11)
ax
)y
= -p De uitdrukkingen ( 10 ) leveren: 2G* + ) + G* H w 2ncau
av
We elimineren nu
ax
uit ( 12 ) en ( 13 ), en vinden:w =
2(1-j2)1
Ap
E h* H2 P
HG*
Door de rechterleden van ( 9 ) en ( 10 ) aan elkaar gelijk te stel-len vinden we
flog
het volgende verband tussen u, v en w ;H aw EH h* fa2u 1-v a2u 1+v a2v
U +
-+
2
ax
2G*(1-v2 ax2 2 2axay
( 15 )
H aw E H h* fa2v 1-v
__7
a2v 1+v a2u1
2 y 2G*(1-v ) sy. 2
2,axay
Stel nu de volgende verplaatsingen:
W =
wn sin n cos TT x7 coscut n=1,3...
U
un sin ni cos
nt
coswt (16 )
n=1,3...
v=
vn cos n'TZcos TT coswt n=1,3...Hierin zijn u en v de verplaatsingen van de bovenplaat in zijn eigen vlak. Die van de onderplaat zijn het tegengestelde. Cardinaten en verplaatsingen zijn nog aangegeven in onderstaand bovenaanzicht van de bodem. ( 12 ) ( 13 ) LABORATORIUM VOOR TECHNISCHE MECHANICA AFD. WERKTUIGBOUWKUNDE T. H. DELFT 6
De in de vergelijking ( 14 ) voorkomende'belasting p is
saengesteld
uit een belasting door traagheidskrachten en de belasting.- q, gege-ven door (6 ),
zodanig dat:2w
p =
m-
q cos nr- coswt =tot2
=
r1W-n sin n
tf2"acosfri-c
coswt2
n=193...
Toepassing van
de operator van Laplace geeft:2
2r2
r2
2p
_E
(-1- .7)w. sin
n w bI2
qWe kunhen nu (
16 ), ( 17 ) eh ( 18 ) invullen in de evenwichtsver gelijking ( 14 ). We vermenigvuldigen slaqrna beide leden Metsin k an integreren over y van 0 tot t.
OpRer ; fb
sin k
b. - Het resultaat 2 2 2 2 2 2 at"*,2 2
1-v2 2 ( k k ) E 112 2HG*b2
4. 2- 2
b2+ 2
wk =
A _213 kr = 2k,,. 2
42(1-v2)
1
112 12 J q
ne, h H
- HG* A-Hierult is w (k = te bepalen. ,LABORATORIUM VOOR TECHNISCHE MECHANICA AFD. WERKTUIGBOUWKUNDE T. H. DELFT Acos it- coswt
( 18
)1b (sin k )2 dy
= 7
=(,19 )
-
17 ) n=1,3... rr dy 0 0 is: J 1,3...) 1,3...)-7-LABORATORIUM VOOR TECHNISCHE MECHANICA AFD. WERKTUIGBOUWKUNDE
T. H. DELFT
De randvoorwaardem
De verplaatsingen ( 16 ) leveren langs de randen 'y = 0 en y,= b :
We hebben dus inderdaad de oplossing vocr een nopgelegden.plaat. -De vraag welke nog overblijft is die naar de grootte van de
dwart-kracht, en vel de i4reduceerde dwarskeacht. In de figuur zijn twee elementen dx getekend.
ixyT i-
-`Y--dx
'Yax
ii 1 11 lyclx SI: ilN
1 h _._ 1 _ --..- <ix t.
Cbt .... al.De schuifspanningen t resp. txy
--a!iI
dx levereh-koppels 'die xystatisch equivalent zijn met die van de gestippe14getekende krachten
4 , . aT
ter grootte Txy h*H reap. (txy + -.3.ZX dx).1h*Ii: Per lengte-eenheid re-x
-.
a
aulteert dus een haar beneden gerichte kracht hsti
ax
Met de't'ireeede vergelijkipg ( 9 ) vinden we voor de totale
gereduceer-de dwarskracht:
ao
"2
a2v
a2u 1-d
H h* (tt
±2
) =
Rh;I -
712+ (1-v)
4. Y1-v
ay
ax2
j
We zullen nu ,),Is nog de bij 'der gevonden o'ploseing voor w behoren-de verplaatsingen g eh -v moeten bepalen. De verplaatsingen volgens '( 16 )'.ingevuld in ( 15 ) leverf voor een willekeurige term uit de
fourrierreeks: = 0 .
au
u =
04this ook
= 0 I
ax
Efaiv
ay
2iry'4.
av
A.1-v
kr-1- 11 V= 0
QXJ -P (20 )
w + =-8
0
01$
111
De ,(verrassend eenvoudige) oplossing van C 21 ) 1uidt: H r 2 ; 11 un.
-4rwn=A
1+.1-v n2t2)u
2 - n vni+v EL
Z1 2 2 b 2 21=
Vn +
R-2-A2-Ttft . 1.!) vn"" "
2b 14.Vnt
b2
,
n 2 2 b IC° Hierin is LABORATORIUM tiVOOR TECHNISCHE MECHANICA AFD. WERKTUIGBOUWKUNDE T. H. DELFT 2H 4.1_r
A =
-2V (1-v2)12
b2 Bill 2b.n212
1 + A +A
b2,Irlgevuid
in
20 )
wordt de geteduceerde dwarskracht42(1.4.'2) 3
tz
+.0-On
-U.t2b
A=143.0.
'.1 + A +-77-' b, s. V( 21 )
( 22 )
( 23 ) C ) 0 .De *oar een randverplaatsing benodigde leracht S
.(zie blz.
) is
ge-lijk aan ds.
(vergelijk ook de figuur)
-H Hieruit de verhouding W/g te
he'paren,
Welke we afhankelijk stellen van een "inv/oedsgetal" e(w2) volgens:
. .
-9-+ A E wn 1 A + ( 3 d * 1 A-Invullen is ( 24 ) levert: 1
-7-17 =
E (A)141,-,2u2+(2-v)(AcP)21f
(7°9)4-PPM )2 -
2(1.-V2) X21)-1 79(112202412 )2_9p(n2r2411272 )_2(i_v2) x2p r 3 t 2 ( v2)Z ( tiff f+Tirgn2IT2 ( 30 ) S h ( 25 ) w = e km ! E6We voeren de volgende parameters in:
b2Mw2 2 E h' ( 26 )
p=
, dus:MT
-2Eh
b A 6 = = 11 ;/2.X.
LI _wE
H-a,-=p
n
= r (golfgetal) enh=
( ( 27 ) 28 )De vergelijkingen ( 6 ) en ( 19 ) leveren dan:
2 4
4(1-v )2
2 2 , ..0)2 ( 29 ) (41) kr kr P "?' wk -2 -2, lrk2n2 02 2,2 (1-v2)X2p + P 2n2+ 79 p )1)- + m r LABORATORIUM VOOR TECHNISCHE MECHANICA AFD. WERKTUIGBOUWKUNDE10
-T. N. DELFT h -wIII Bodem en huid in hun vlak belast
bodem
gordiag
-rechterhuid
We letten nu op de belasting T = T sin ax (rY
=I
uitgeoefendop
de bo-dem ea de beide belastingen T = "i sin rYx en S = S cos olc, uitgeoefend op de huid. Voor de huid stellen we (voor de bodem kan mutatis mutan--dis z door y vervangen worden): u = U ( z ) sin rvx
w = W C Z ) COS CYX
Opmerkir:A: De huid is massaloos verondersteld, dun is de tijdsafhanke-lijkheid buiten beschouwing to laten. Dit is voor de bodem met dezelfde mate van nauwkeurigheid ook to doen voor wat betreft de verplaatsingen in het vlak.
LABORATORIUM VOOR TECHNISCHE MECHANICA AFD. WERKTUIGBOUWKUNDE
T. H. DELFT
De Spanningen zijn:
De evenwichtsvergelijkingen luiden:
XZ 4
xz
aa
z17 4-,
0 9
ax
?,z= 0
Invullen van ( 32 ) levert:
a2u
1-v a2u
1.1.v a2w .=0
ax2
2az2
2
axaz
a2,1; + I.:N., a2w
1+v a2u
+
6z2
2.ax-.
2axaz
14.v ...a2II
+2
U" ,-.
a 4' = 0
1 , . '1
owa2
va U
= 0,
2 22
V
- 2 a
U" v
=, 0,
met de
oplossing-,
" U = A cosh az
+ B sinh az + Cz cosh az
+ Dz sinhaz
-,VoórW iindln
we3.-V 1
Di(ZeOSIVYZ''''","
i+v
sinhaz)]
LABORATORIUM VOOR TECHNISCHE MECHANICA AFD. WERKTUIGBOUWKUNDE T. N. DELFT
=0
gigEliminatie van 4 levert voor U do differentlaalvergeiljking:
VI ="
-
EAsinherz + B ccishae.
+ C ( z*sin-ho,z, 47-11 1 coshoz)+,
1.4-y ep
( 32 )
( 33 )
"rtI
of met de veronderstelling ( 31
(accenten geven afgeieiden naar z aan :
(35)
( 36
( 37 )
-4*
4( 38
E8u
= az = Efu
= + 2(1+v) x + ( 31+ ) ) -+ ) )12
-De verplaatsing u en zijn afgeleiden naar respectievelijk z en x zijn derhalve:
u ch oz + B sh + CZ ch az + Dz sh PY
z j8in cx
3u4shaz+ B
a ch az + C(chaz+az sh az )+D(sh z-'nchcr z
)1sin ax
au
f4 eh az+B CY 8110 Z COM ch oz + Do z ski az cos a x
OXL
De verplaatsing w en zijn afgeleiden:
3-w.:-..--[Ashaz+Bchaz+C(zshaz-1+v a- chaz)+D(
v1
shon,--\ lcosaz1+v Cr 1-v h Ba
ha
C(ho2
shoz)+D(--I
1-ch
v-[Aaez+saz+azoz--azshaz-2tez)jcosax
+z 1+v 1+v 1,1 .17.1,3-v
5--x=ashoz+Bachoz+C(azshaz-1+vchaz)+D(azchaz---shaz jsinax1+vDoor deze resultaten in te vullen
in
( 32 ) volgen de spanningen:2v
2v
a-
x ---iachaz+1+v B6sho'z+ C(nfzchait---shaz)+D(azshaz+1+v chaz)jcosax 1+v2 c
1+v
achaz+BrYshaz+C(azchaz- 1+vshaz)+D(azshaz- 12+vchaz)]cosaxr Aashaz+Bachaz+C(azshaz----cnazi+v.azchaz----snazijsinax
z 1+vi_ i+v 1+v
De randvoorwaarden voor de huid zijn aan de bovenzigt (z=h), dus bij de verbinding met de gording, als volgt:
1.
az
= 02 2
Aco
shah+Bsinhrth+-fahcoshah-1+v
sinhahl+fahsinhah-1+v
coshah=0 ( 42 )
LABORATORIUM VOOR TECHNISCHE MECHANICA AFD. WERKTUIGBOUWKUNDE T. H. DELFT 13( 39)
(
4
+De randvoorwaarden voor de huid 7ijn aan de bovenzijde (z = h), dus
bij de verbinding met de gordinF, als volgt:
2 2
A costicrh
+ Bsinhryh
fellacosherh -
sinivYh}+
fvrisinh041-1+v
cOshrvh}= 0Cr 1+v
( 42 )
f
2e.
T A- EF
ry2 Ukh)sinCrx,
hetgeen tot uitdrukking brengt dat de
xz
schuifkracht gebonden is zAan de optredende verplaatsing in x-richting door
de rekstijfheid van de gording. Deze randvoorwaarde luidt uitgeschreven,
en onder invoering van de parameter u, welke het oppervlak van de gording
aangeeft volgens
als volgt:
sinh nth
Bcosh oth
+u,
ti cosh n
+uathsinh
h +v 1+v
+2 fah sinti Oth
Eu(eyri)21-v
(l+
]cosh Oh}
+a
1+v . v)2LI 1+v
+2 feel cOsh ,Yh1-v
+ri.i(cy, 2
n)
- (i+v),Jsinh
ah)
= 0
(44 )
',wigs de onderrand (z
0) zijn de belastingen T en S voorgeschreven;
welke aanleiding geven tot de randvoorwaarden:
-A +
Da 1+v
2 E d'
enC 1-v
'F2(1+v)B -
N1+v =
17-07-Na oplossinF van de vier vergelijkingen (
42 ),
( 44 ),
( 45 )en
(46)
volgen de verplaatsingen langs de onderrand:
u = U
( 0 )sin eYx,
w= w
( 0 )cos Tx,
Ai+
LABORATORIUM VOOR TECHNISCHE MECHANICA AFD. WERKTUIGBOUWKUNDE T. H. DELFT 4( 43
) ti A(1+0
-
46 +U ( 0 )=A
(stel.:)(- C + E 8 W ( 0)=
-w1:1) C =( ^ 1+v3
B-
) E 8 ,ke a(47)
Opmerkingf Het gelijk
zijn
yam de factoren 0 is in overephstetming met de, Istelling van Betti.
Na enig rekenwerk volgen:
2 sinh Oti cosh o'h+ 2 'h
sinh2
Ceti-5inh2
ah + 20ahsinh
cosh
ceh-(1+2 I.1)( othCf 2
1
(1-v)6inh2
o'h+at ah coshah sinhah)+El+v)
(1.+2WO 2I h 2 2
sinh orh + 20, nth sinh ah cosh - (1+2 1.1,)%011 I
2 sinh orh
cosh Oh
+ 2 Ott C05112an + fY11ey 11 2
sinh
+ 21.1,efh sinhcth cosh ah -
(1+2u) (Oth)De besproken methode wordt ook toegepast ter bepaling van de bodemver-vortilng pricier thvloed van de schuifkrachten T. We gebruiken de oplossing, analoog aan ( 37 )1
u=(A cosh my B sinh y + C y cosh ivy + Dy sinheyy ) s in noc,
ilaangevuld met de overige uitdrukkingen, analoog aan
en (
41 ).
Alp randvoorwaarden stellen we:
t
y = 0 r = 0
y=b1 lu
= u sin frc
flit levert de vergelijkingeft:
D2
= 0; a
= 0 . A -
3 1;7
0( 50
= b; a = 0 gecombineerd met de eerste rgandvoorwaarde:
B sinh fyb+-er
fat
cosh 0,1)- sinh ab) + ab sint). = 0 1+v 2 LABORATORIUM VOOR TECHNISCHE MECHANICA AFD. WERKTUIGBOUWKUNDE T. FL DELFT-(48 )
( 49 )
38 ) (39 )',
( 40).
uit:
=y
y
-y
15
-- 16
y = 0; u
g' sin oxA=u
y = b; u = u sin ox
A cosh cYb + B sinh crb + etbcosh cyb + sinh cib u
a cY
Bieruit vinden we: A = tsinn Crb 1. 0, b 1 - cosh tot
2
sinh2 ab6 C=
14.V 1 - cosh ot * ry 2 sinh. b 14° D 1+v * u or 2 We vinden de 'randbelasting: 2-(y = 0)
cl-L
sin ax {B -2}=
bEu {cosh a b -1 coshey b-1 }sinefx ( 52 )xy
2
1+v 1+v cr b sinh crb sinh2 ry b
Met de cp blz. ingevoeede parameters en lettend op, de figuur op blz.
levert'ale we stellen langs de rand y =
b4
-All
ETsin rix,
e waarde voor
sinh2 45
$t = et) ( sinh + Ace )(cosh - 1)
LABORATORIUM VOOR TECHNISCHE MECHANICA AFD. WERKTUIGBOUWKUNDE T. H. DELFT
( 51
)( 52 )
!I B = + = -=IV. Aansluiting tussen bodem en nuid.
uhuid = ubodem
-CT+SS= atT
S e 3
whuid = wbodem
- V=
(w2)Een van nul verschillende oplossing is mogelijk als:
e(w2)
Y+
( 55 )
( 56)
Dit levert voor een aangenomen golflengte (dus een aangencmen waarde van ep = oh) een (of meer) waarde(n) van w.
LABORATORIUM VOOR TECHNISCHE MECHANICA AFD. WERKTUIGBOUWKUNDE T. H. DELFT
17
C-V. Numerieke resultaten. b = 20 m h = 10 m H = 1 m 6 = 2 cm h* = 1 cm = 0,5 Mu,2 b2 Resultaten voor p -E h* / P (zodat n =
ri 2000 massa per 1.eenheid
Stel: nassa (totaal) = 160 tont./ m
Dan vinden we voor de
3-
resp. 4-knoops vert. de volgende trillings-getallen n per minuut:De in werkelijkheid optredende verlaging van het eigentrillings-getal zal om 3 redenen minder spectaculair zijn, t.w.
1°. Door de aanwezigheid van dwarsschotten is de bodem stijver. 2°. Niet de totale massa rust op de bodem. Als bijv. 25% niet op de
bodem rust, dan is de invloed bij de 4-knoops trilling niet 50% maar slechts 37+56. LABORATORIUM VOOR TECHNISCHE MECHANICA AFD. WERKTUIGBOUWKUNDE T. H. DELFT
-
18-Qti 4 golfl. P (alleen buiging) P (buiging + afsch.) meetrill.bodem breedte p wmidd. rand 0,20,2 7,85 0,005 o,0046 0,006 o,o6 0,3 5,25 0,026 0,021 0,025 0,28 0,4 3,9 0,081 0,057 0,056 0,79 .0,5 3,14 0,199 0,119 0,088 1,7 0,6 2,62 0,412 1 0,209 0,116 3,0 0,7 2,24 0,763 0,329 0,141 4,7 0,8 1,96 (3 kn.) 1,302 0,478 0,165 6,6 0,9 1,25 2,086 0,655 0,190 8,75 1 1,57 (4 kn.) 3,179 0,865 0,217 11,-, n (bulging+ afsch.) n (meetr. bodem)
3-knoops
(oq'. 0,8)
4-knoops (an = 1) 169 228 99,5 11430. Bij de hogere trillingsvormen is de virtuele massa van het meetril-lende water kleinet, hetgeen het eigentrillingsgetal doet stijgen.
De invloed van de dwarsschotten is uiteraard moeilijk te voorspel-len. Het lijkt niet onmogelijk door een geschikte plaatsing van de schot-ten te bewerkstelligen dat het eigentrillingsgetal behorend bij een
5-knoops trilling beneden dat benorend bij een 4-5-knoops trilling komt te liggen.