doi: 10.52899/24141437_2025_04_455
УДК: 629.12.011

Непризматические балочные конечные элементы для моделирования и расчетов рангоута парусных судов и яхт

Кульцеп А. В., Манухин В. А.
Язык статьи:
Ссылка для цитирования: Кульцеп А.В., Манухин В.А. Непризматические балочные конечные элементы для моделирования и расчетов рангоута парусных судов и яхт // Труды Санкт-Петербургского государственного морского технического университета. 2025. Т. 4, № 4. С. 455–467. DOI: 10.52899/24141437_2025_04_455 EDN: GFBEGD

Аннотация

Актуальность. В статье предлагаются новые балочные конечные элементы с переменным поперечным сечением для моделирования непризматических участков рангоута парусных судов и яхт при расчетах общей прочности и устойчивости системы «мачта(ы) — стоячий такелаж». Цель — получить и привести в явном виде выражения для компонентов матриц жесткости и устойчивости конечных элементов с учетом и без учета поперечного сдвига при изгибе в двух главных плоскостях инерции, растяжении-сжатии и кручении. Материалы и методы. Компоненты матриц получены вариационным методом и приведены для общего случая, когда моменты инерции и площадь поперечного сечения определенного вида аппроксимируются по длине элемента квадратичным полиномом, и для частных случаев при изгибе балки со сплошным круговым и кольцевым сечением, диаметр которого линейно изменяется по длине элемента. Результаты. Приводятся результаты решения тестовых задач и сравнение с другими известными конечными элементами. Показана эффективность предлагаемых элементов при расчете непризматической безтакелажной мачты парусной яхты по сравнению с аналогичными призматическими элементами. Заключение. Разработанный непризматический конечный элемент В4 включен в библиотеку программы FESTA (Finite Element Stability Analysis) и может быть использован при моделировании балочных элементов конструкций с различными поперечными сечениями. Элемент может использоваться не только для моделирования и расчетов сплошных и трубчатых элементов рангоута парусников, но и для моделирования непризматических рамных связей набора корпусов судов и кораблей. Ключевые слова: конечный элемент; рангоут; матрица жесткости; матрица устойчивости; поперечное сечение; безтакелажная мачта; общая прочность и устойчивость.

Список литературы

1. Миддендорф Ф.Л. Рангоут и такелаж судов. СПб. 1905.
2. ТУ110.001. Технические условия. Стальной рангоут и такелаж классических парусных судов. Проектирование, изготовление, эксплуатация. Одобрено ГУ РМРС 14.05.2024. СПб РСОО «Яхт-клуб СанктПетербурга», 2024.
3. НД № 2-020401-001. Правила проектирования, постройки, ремонта и эксплуатации спортивных парусных судов, а также изготовления материалов и изделий для установки на спортивных парусных судах. СПб. РМРС, 2010.
4. Design and Construction of Large Modern Yacht Rigs. DNVGL-ST-0412. DNV GL, 2016.
5. Guidance Notes for the Certification of Masts, Spars and Standing Rigging. Lloyd’s Register, 2016.
6. Правила классификации и постройки морских яхт. Часть VII. Рангоут и такелаж. Гданьск: Польский Судовой Регистр (PRS), 2008.
7. Кульцеп А.В., Манухин В.А., Меллуп А.А. Исследование напряженнодеформированного состояния мачты парусной яхты в районе вертлюга гика // Труды СПбГМТУ. №3, СПб. СПбГМТУ, 2022. С. 22–34. doi: 10.52899/24141437_2022_03_22 EDN: AIIOHO
8. Кульцеп А.В. Проектирование мачт парусных судов. В кн.: Сб. тр. СПбГМТУ. СПб. СПбГМТУ, 1995. C. 90–96.
9. Кульцеп А.В., Манухин В.А., Новожилова М.В. Методика расчета гибких тросово-стержневых систем на прочность и устойчивость. В кн.: Тез. докл. конф. по СМК памяти проф. П.Ф. Папковича. СПб.: ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, 2000. С. 93–94.
10. Кульцеп А.В., Манухин В.А., Новожилова М.В. Алгоритм расчетного проектирования рангоута и стоячего такелажа парусных судов и яхт при использовании компьютерных программ «MAST» и «FESTA», разработанных в Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете. В кн.: Тез. докл. конф. «Бубновские чтения», посвящ. 100-летию кафедры СМК СПбГМТУ. СПб. ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, 2004. С. 83–84.
11. Манухин В.А. О надежности мачт парусных судов и яхт. В кн.: Тез. докл. конф. по СМК памяти акад. Ю.А.Шиманского. СПб. ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова, 2008. С. 82–83.
12. Кульцеп А.В., Манухин В.А. Методика проектирования и назначение коэффициентов запаса прочности и устойчивости мачт парусных судов и яхт. Морские интеллектуальные технологии. СПб. НИЦ МОРИНТЕХ, 2011. Спец. выпуск № 2. С. 65–67.
13. Кульцеп А.В., Манухин В.А., Плотников К.В., и др. Модернизация программы конечно-элементного анализа стержневых систем «FESTA-2020» для использования в автоматизированной системе проектирования судовых конструкций «АЛМАЗ-К». В кн.: Труды КГНЦ, СПб. ФГУП КГНЦ им. акад. А.Н. Крылова, 2020. Спец. выпуск № 2. С. 97–102.
14. Постнов В.А., Хархурим И.Я. Метод конечных элементов в расчетах судовых конструкций. Ленинград: Судостроение, 1974.