На правах рукописи
Барышников Сергей Олегович
НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ
ВОССТАНОВЛЕНИЯ ОБЩЕЙ ПРОЧНОСТИ
КОРПУСА СУДНА ПРИ РЕМОНТЕ
Специальность 05. 08. 04 - Технология судостроения, судоремонта и организация судостроительного производства
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Астрахань
2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций» (СПГУВК) на кафедре «Технологии судоремонта».
Научный консультант: доктор технических наук, профессор,
Чистов Валентин Борисович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,
Матвеев Георгий Викторович
доктор технических наук, профессор,
Бавыкин Георгий Викторович
доктор технических наук
Сахновский Борис Михайлович
Ведущая организация – ЗАО «Центральный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт морского флота».
Защита диссертации состоится 31 марта 2012 года в 9.00 на заседании диссертационного совета Д 307.001.07 при ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет» по адресу: 414025, г. Астрахань, ул. Татищева, 16, АГТУ, ауд. 313 гл. корпуса.
Отзывы на автореферат диссертации в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 414025, г. Астрахань, ул. Татищева, 16, АГТУ, ученому секретарю.
Тел./факс: (8512) 61-43-96, e-mail: [email protected]
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Астраханский государственный технический университет».
Автореферат разослан « 27 » января 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
к. т. н., доцент А.В. Кораблин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Обеспечение безопасности судоходства – базовое условие функционирования и одна из приоритетных задач развития водного транспорта. Из совокупности факторов, определяющих безопасность эксплуатации судов, одним из важнейших является их техническое состояние, в том числе прочность корпуса. По данным Российского Речного Регистра по состоянию на август 2010 года 95% самоходных судов эксплуатируются более 20 лет и свыше 40% - более 40 лет; средний возраст самоходных и несамоходных сухогрузных судов составляет, соответственно, 35,5 и 30 лет, самоходных и несамоходных наливных судов - 37 и 29 лет. Программа строительства транспортного флота, предусмотренная стратегическими документами Минтранса и Минпромторга России, в условиях ограниченных мощностей российских судостроительных предприятий и невысокой инвестиционной привлекательности судоходного бизнеса не может обеспечить высокие темпы обновления речного флота в среднесрочном периоде. Вышеизложенное определяет актуальность решения проблемы обеспечения безопасной эксплуатации судов неблагоприятной возрастной группы на основе поддержания их нормального технического состояния за счет проведения комплекса обоснованных и достаточных мероприятий, в том числе по усилению прочности корпуса судна, при выполнении ремонтных работ.
Цель работы. Обоснование и создание современной технологии восстановления общей прочности корпусов судов, основанной на аналитических и экспериментальных зависимостях для обнаружения параметров дефектов, расчета их нормативов, для подъема на слип и установке на стапеле судна с дефектами, определения запасов общей прочности судна с дефектами, расчета вариантов технологических процессов ремонта для восстановления общей прочности с учетом времени последующей эксплуатации.
Основными задачами исследования явились:
– анализ влияния дефектов корпуса судна на его общую прочность и способов восстановления общей прочности, обеспечивающих наименьшие затраты материалов, труда и времени в зависимости от планируемого срока дальнейшей эксплуатации;
– разработка методики расчета технологических параметров восстановления общей прочности корпуса. Определение размеров и места установки подкреплений корпуса, способов и последовательности выполнения операций при закреплении подкреплений;
– разработка оригинального способа определения формы остаточной изогнутой оси корпуса, исключающего расчет упругой составляющей деформации корпуса;
– разработка методики расчета технологических параметров процесса восстановления формы корпуса судна по измеренным общим деформациям корпуса на отдельных участках;
– разработка типовых технологических процессов подкрепления корпуса судна накладными полосами; подъема на слип судна с деформированным корпусом; восстановление формы корпуса полным поперечным разрезом; восстановление формы корпуса частичными поперечными разрезами; восстановление формы корпуса отделением секций палубы.
Объект исследования. Процессы измерения дефектов и оценки технического состояния корпуса, восстановления прочности корпуса с дефектами до заданного уровня.
Предмет исследования. Технология восстановления общей прочности корпуса.
Методы исследования. При решении поставленных в диссертационной работе проблем, использовались методы расчетов прочности, устойчивости, выносливости конструкций корпуса, математической статистики, теории вероятностей и компьютерных технологий, моделирования прочности судовых конструкций, полунатурные и натурные испытания. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием современной измерительной и регистрирующей аппаратуры.
Научная новизна. Новизна научных результатов, полученных соискателем состоит в том, что:
– разработан комплекс методов восстановления общей прочности корпуса при ремонте судна;
– предложены номограммы для оценки устойчивости элементов конструкции корпуса с износами и деформациями, более наглядно и физично, представляющие используемые в Правилах Российского Речного Регистра соответствующие методики расчета;
– разработана методика расчета размеров подкрепления и места его установки для восстановления общей прочности корпуса, обеспечивающая достижение поставленной цели с наименьшими затратами материалов, труда и времени в зависимости от условий и срока дальнейшей эксплуатации судна;
– создана методика и разработан инструментарий для определения остаточной изогнутой оси корпуса, позволяющая определять последнюю без расчета упругого изгиба корпуса;
– разработана методика расчета параметров технологического подъема на слип корпуса судна с деформированным корпусом;
– разработана методика расчета параметров технологического процесса устранения остаточного перегиба корпуса полным поперечным разрезом;
– разработана методика расчета параметров технологического процесса устранения остаточного перегиба с помощью частичных разрезов корпуса, в местах с наибольшей кривизной, определяемой в составе технологического процесса измерения остаточной изогнутой оси корпуса;
– разработана методика расчета параметров технологического процесса устранения остаточного перегиба корпуса последовательным отделением секций палубы и заварки их после правки корпуса на участке, где они отделялись;
– предложена методика расчета экономии материалов, труда и времени для восстановления общей прочности корпуса судна подкреплением накладными полосами;
– новизна технических решений, предложенных автором, на основе новых научных знаний, полученных в диссертации, подтверждена авторским свидетельством и двумя патентами.
Практическая ценность. Научно обоснованные методики, позволяющие проектировать технологический процесс восстановления общей прочности корпуса судна подкреплением. Типовые технологические процессы восстановления общей прочности корпуса подкреплением и восстановления формы корпуса. Полученные научные и практические результаты используются в учебном процессе подготовки специалистов в СПГУВК и СПбГМТУ.
Реализация результатов работы. Методика расчета параметров технологического процесса подкрепления (определение размеров подкрепления и мест его установки) использовалась в проектах ОАО «Инженерный центр судостроения», ЗАО «ЦНИИ Морского Флота», Куйбышевского отдела Астраханского ЦКБ и других организациях. Технологическая инструкция по устранению остаточного перегиба корпусов судов использовалась при разработке «Устранение остаточных деформаций корпуса теплохода «Волго-Дон 5016». Технологический процесс правки 2940/1565-93-3», выполненный ОАО «Инженерный центр судостроения» в 2011 году.
Типовые технологические процессы, согласованные с Российским Речным Регистром:
«Восстановление общей прочности корпусов судов подкреплением накладными полосами»;
«Определение остаточной изогнутой оси корпуса судна»;
«Подъем на слип и установка на стапеле судна с деформированным корпусом»;
«Устранение остаточного перегиба корпуса полным поперечным разрезом»;
«Устранение остаточного перегиба частичным поперечным разрезом»;
«Устранение остаточного перегиба отделением секций палубы».
Результаты исследований использованы в монографиях «Ремонт корпусов судов внутреннего плавания подкреплением накладными полосами» и «Устранение остаточного перегиба корпусов судов» и включены в учебную программу для подготовки специалистов по дефектации корпусов.
На защиту выносятся:
– методика расчета подкреплений для восстановления общей прочности и технологии закрепления их на корпусе судна, включающая расчетные зависимости для обоснования места расположения, количество подкреплений и размеров полос подкрепления, обеспечивающие эксплуатацию корпуса судна в заданных условиях, в течение заданного срока при минимальных затратах материала, труда и времени при ремонте;
– методика определения остаточной изогнутой оси корпуса, позволяющая вычислять ординаты остаточной изогнутой оси корпуса без расчета упругой составляющей общего прогиба корпуса по кривизне на отдельных участках корпуса;
– методика расчета параметров технологического процесса подъема на слип и установки на стапеле судна с деформированным корпусом;
– методика расчета параметров технологических процессов устранения остаточного перегиба по измеренной кривизне на отдельных участках правки корпуса судна;
– научно-обоснованные типовые технологические процессы подкрепления корпуса судна накладными полосами, определение остаточного прогиба или перегиба корпуса; подъема на слип и установки на стапеле судна с деформированным корпусом; устранение остаточного перегиба полным поперечным разрезом; частичными поперечными разрезами корпуса и отделением секций палубы.
Апробация работы. Работа выполнена в СПГУВК. Основное содержание работы докладывалось на II-й Всесоюзной научно-технической конференции «Совершенствование эксплуатации и ремонта корпусов судов», НТО им. Акад. А.Н.Крылова, Калининград, КТИРПХ 1981; на Республиканской научно-технической конференции молодежи «Повышение эффективности водного транспорта», Горький, ГИИВТ, 1983; на IV-й международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» СПб, Политехнический университет, 2007; на II-м международном научно-техническом семинаре «Исследование, проектирование и эксплуатация судовых ДВС» СПб, СПГУВК, 2008;
Публикации. По теме диссертации опубликовано 36 работ. В том числе две монографии, 31 статья в научных журналах и сборниках, авторское свидетельство и два патента на изобретения, 6 докладов в материалах конференций. 16 работ выполнено в личном авторстве (включая две монографии и один патент), доля автора в остальных от 30% до 60%. В изданиях, рекомендованных перечнем ВАК для докторских диссертаций опубликовано 21 статья: 7 - в личном авторстве, 4 - в соавторстве с долей автора от 30% до 60%.
Личный вклад. В диссертации излагаются результаты, вклад в которые автора был существенным на всех этапах, включая постановку задачи, проведения теоретических исследований и непосредственное участие в экспериментах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы из 137 наименований и отдельного тома Приложений. Основная часть работы изложена на 407 страницах текста, включающего 156 рисунков и 31 таблицу.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы. Отмечено, что под ремонтом корпуса судна следует понимать не столько замену дефектных элементов на новые сколько, в первую очередь, восстановление его общей и местной прочности до заданного уровня. Такое представление ремонта позволяет существенно сократить затраты материалов, труда и времени на ремонт, обеспечивая заданный уровень безопасности эксплуатации судна и сохранности перевозимого груза в течение заданного срока, но в то же время требует привлечения специалистов более высокой квалификации, способных рассчитывать снижение показателей прочности и надежности во время эксплуатации судна, и способы восстановления этих качеств при ремонте, а также создания специальных методик для выполнения соответствующих расчетов.
В первой главе отмечаются пути совершенствования технологии восстановления общей прочности корпуса, обеспечивающие наименьшие затраты для достижения поставленной цели на заданное время эксплуатации:
- за счет оптимизации усилий по обнаружению, выявлению и измерению дефектов корпуса судна;
- за счет правильного нормирования дефектов;
- за счет создания методов ремонта и выбора оптимального, обеспечивающего заданный срок и условия дальнейшей эксплуатации;
- за счет механизации и автоматизации разработанных процессов ремонта.
Для реализации каждого из путей снижения затрат на восстановление общей прочности требуется создать дополнительные методики расчета допускаемых параметров дефектов корпуса, технологических параметров для технологических процессов восстановления его общей прочности.
Восстановление требуемой работоспособной площади продольных связей в средней части корпуса ранее выполнялось путем замены частей корпуса, имеющих дефект на новые, при этом приходилось заменять элементы корпуса, дефекты на которых были еще допустимы. Рассмотрение ремонта корпуса, как восстановление его прочности, в частности общей, позволяет существенно снизить затраты на ремонт, но требует изучения вопросов, связанных с включением подкрепления в работу конструкции по восприятию общего изгиба. Затраты труда, времени и материалов на создание подкрепления, обеспечивающего общую прочность в течение заданного времени должны быть минимальными. Наиболее эффективным способом подкрепления для восстановления общей прочности корпуса является постановка накладных полос на крайние связи эквивалентного бруса. Разработка технологии ремонта таким способом требует теоретического обоснования размеров поперечного сечения полос и мест их установки на крайних связях эквивалентного бруса. Технология ремонта в этом случае будет наиболее эффективной, если размеры поперечного сечения полос и места их установки будут такими, что исключат потерю устойчивости полос при воздействии на них сжимающих напряжений даже превосходящих предел текучести материала крайней связи.
Исследованиями устойчивости пластин занимались великие математики и механики Л.Эйлер, Ж.Л.Ланграж, Ж.А.Пуанкаре, А.М.Ляпунов, в кораблестроении И.Г.Бубнов и другие выдающиеся ученые. Размеры устойчивой полосы подкрепления и места ее установки определены в результате использования решений об устойчивости прямоугольной пластины ступенчато-переменной толщины проф. Д.П.Голоскокова, В.Д.Жесткой, а также зависимостей по устойчивости пластин проф. И.И.Трянина в Правилах РРР.
Во второй главе дается анализ дефектов корпуса судна их классификация; причина появления; способы измерения; влияние на общую прочность и возможные способы восстановления общей прочности.
Классификация дефектов приводится на рис. 1, определение каждого из дефектов приводятся в Правилах РРР.
Износ связей корпуса является одним из факторов, наиболее существенно влияющих на прочностные показатели судна. Даже незначительное уменьшение толщин настила палубы или днища, будучи помноженным, на ширину этих связей приводят к значительным потерям момента сопротивления эквивалентного бруса и как результат снижению предельной проч-
Рис. 1. Классификация дефектов корпуса ности корпуса.
Износ связей корпуса определяется временем эксплуатации судна, поэтому одной из важнейших характеристик этого вида дефектов является скорость его нарастания исследованию скоростей изнашивания связей корпусов судов внутреннего и смешанного плавания посвящены работы большого количества ученых Бавыкина Г.В., Бутина А.П., Быстрицкого В.В., Гунина И.А., Гуревича И.М., Ефименкова Ю.И., Степанова О.З., Худяковой А.Б., Чистова В.Б., Шурпицкого А.В. и др. Было установлено, что для описания закона распределения скоростей изнашивания связей могут использоваться кривые Пирсона, гамма-распределение и нормальный.
Вместе с тем, как показывает практика, с достаточной степенью точности и учитывая незначительность коэффициентов асимметрии и эксцесса можно воспользоваться нормальным законом распределения скоростей изнашивания листовых элементов для обоснования и выбора метода ремонта и прогнозирования его объёма.
Снижение общей прочности (особенно важным является утонение крайних связей корпуса – палубы и днища) происходит не только из-за непосредственного уменьшения остаточных толщин, но и из-за уменьшения редукционных коэффициентов пластин, которые пропорциональны квадрату толщины пластин. Обобщённым показателем общей прочности судов речного флота можно считать предельный изгибающий момент, то есть изгибающий момент, при действии которого в одной из связей напряжения достигнут предела текучести материала этой связи. На рис. 2 показано, как меняется предельный момент корпусов судов в процессе эксплуатации. Приведённые зависимости построены с применением средних скоростей изнашивания связей корпуса. Используя их, можно прогнозировать необходимость выполнения ремонтных работ для восстановления его общей прочности.
Измерение степени износа корпуса судна представляет сложную технологическую задачу. Корпус судна состоит из огромного количества элементов кроме того износ отдельных элементов представляет разную степень опасности для корпуса в целом. По этим причинам выполняются измерения не только отдельных элементов корпуса (листа обшивки или настила, балки на
Рис. 2. Изменение предельного бора, книц и т.п.), но и части этих элементов
момента судов внутреннего и или оценивается износ на отдельных участ-
смешанного плавания ках (средний в группах связей или в поперечном сечении палубы и днища в средней части корпуса).
Средний износ палубы или днища в поперечном сечении оценивается по формуле
= 
, (1)
где tостi и вi – остаточная толщина i-го листа в сечении и его ширина соответственно.
Изменение общей прочности оценивается изменением момента сопротивления. В работе показано, что относительное уменьшение момента сопротивления равно относительному уменьшению площади крайней связи
, (2)
где W и F – абсолютное уменьшение момента сопротивления и площади, лимитирующей крайние связи соответственно.
При продольной системе набора крайней связи уменьшение работоспособной площади обшивки или настила из-за износа можно определить по формуле
(3)
где n1 – количество пластин обшивки днища или настила палубы в поперечном сечении средней части корпуса,
a – ширина пластин,
– средняя проектная и средняя остаточная толщины в сечении крайней связи соответственно;
– редукционные коэффициенты пластин проектной и остаточной толщин соответственно.
В формулу (6) входят редукционные коэффициенты для всей пластины (суммарные для гибкой и жёсткой части), которые в свою очередь определяются по формуле
, (4)
где – редукционный коэффициент гибкой части пластины,
– доля гибкой части пластины в поперечном сечении корпуса,
– доля жесткой части пластины в поперечном сечении корпуса.
Для продольной системы набора,
. (5)
Вводится новая характеристика устойчивости пластины – минимальная толщина, при которой пластина не теряет устойчивость даже при сжимающих напряжениях, равных пределу текучести материала 
. Эта толщина определяется по формуле
. (6)
а, уровень сжимающих напряжений, действующих на пластину, будем оценивать характеристикой
. (7)
где 
– абсолютное значение сжимающих напряжений в жёстких связях, МПа;
Rен – предел текучести материала, МПа.
Тогда известные зависимости из Правил РРР для определения редукционных коэффициентов пластин при продольной системе набора приводятся к виду
при 
; (8)
при 
.
С использованием уравнений (6), (7) и (8) построена номограмма (рис. 3), позволяющая определить редуцированную площадь крайней связи, как для нового судна, так и для судна с износом. Кроме того можно определить потерю площади крайней связи из-за износа обшивки или настила.
При поперечной системе набора зависимость для редукционного коэффициента обшивки или настила крайней связи эквивалентного бруса примет вид
, (9)
где 
– количество пластин в поперечном сечении (длинная сторона пластины совпадает с поперечным сечением крайней связи);
– длина жёсткого участка поперечного сечения крайней связи;
– количество жёстких участков без учёта присоединённых поясков.
На рис.4, представлена номограмма, позволяющая определять редуцированную площадь обшивки или настила крайней связи при сжатии и растяжении, как для нового судна, так и для судна с износом при поперечной системе набора.
 |   |
| Рис. 3. а) схема днища; б) номограмма для определения редукционных коэффициентов и работоспособной площади сечения пластины с учетом редуцирования | Рис. 4. а) схема днища; б) номограмма для определения редукционных коэффициентов и работоспособной площади сечения пластины с учетом редуцирования |
Первый тривиальный и наиболее распространенный способ восстановления общей прочности заключается в том, что для восстановления общей прочности вырезаются и заменяются на новые несколько листов с износом, толщина которых, как правило, удовлетворяет требованиям местной прочности или требованиям для минимальных толщин связей в эксплуатации. Количество заменяемых листов в каждом поперечном сечении лимитирующей крайней связи корпуса может быть определено из неравенства
, (10)
где n – количество листов в поперечном сечении крайней лимитирующей связи корпуса (палубе или днище);
tпрi (1-k) – допускаемый средний износ крайней лимитирующей связи;
tпрi k – допускаемая средняя остаточная толщина листов в крайней группе связей по Правилам РРР;
и 
– редукционные коэффициенты пластин на листах i-й толщины, новых и изношенных соответственно;
n1 – количество листов, заменяемых в одном поперечном сечении корпуса судна;
вi – ширина листа, нового и заменяемого.
Для восстановления общей прочности корпуса рассматриваемым способом требуется израсходовать на замену количество материала, определяемого по формуле
Q = 
, (11)
где n2 – количество сечений, в которых будут заменяться листы; – длина листа;
– плотность материала.
Вместе с тем непосредственно для восстановления общей прочности корпуса будет использоваться только часть этого материала, определяемая по формуле
Q1 = 
(12)
Сравнивая зависимости (11) и (12) легко видеть, что для достижения поставленной цели (восстановления общей прочности корпуса) идет лишь малая часть материала, это объясняется тем, что годные листы, местная прочность которых обеспечена, заменяются на новые.
Отмеченным объясняется низкая эффективность рассмотренного тривиального способа восстановления общей прочности корпуса.
Альтернативный вариант представляется более эффективным и, следовательно, перспективным для восстановления общей прочности корпуса, так как предусматривает внесение только такого количества материала, которое полностью пойдет на восстановление общей прочности корпуса при сохранении всех его элементов, местная прочность которых обеспечена. Приближенно требуемую площадь поперечного сечения материала для восстановления площади крайней связи можно определить по формуле (13), которая представляет из себя левую часть неравенства (10).
Fподкр = 
. (13)
Эта площадь может быть реализована либо в виде продольных ребер жесткости, устанавливаемых внутри корпуса судна, либо в виде полос, устанавливаемых снаружи корпуса.
Установка дополнительных продольных ребер жесткости увеличит редукционные коэффициенты пластин и значит эффективность вводимой площади, но должно выполняться как правило в тесном замкнутом пространстве. Такой способ может быть эффективен для ремонта изношенного днища судов без двойного дна и с поперечной системой набора.
Установка накладных полос выполняется в легко доступном пространстве; процесс может быть механизирован с использованием полуавтоматической и автоматической сварки; при правильном выборе размеров полос и места их установки редукционные коэффициенты пластин на изношенных листах уменьшаться не будут.
Для реализации последнего более эффективного способа восстановления общей прочности, необходимо:
Создать методику для определения требуемой площади подкрепления крайних связей для восстановления общей прочности.
Определить размеры поперечного сечения полосы и места их установки.
Разработать технологию установки полос, исключающую появление трещин в процессе эксплуатации.
Остаточный общий прогиб или перегиб судна возникает из-за появления в процессе постройки, эксплуатации и ремонта пластических деформаций материала в отдельных связях на отдельных участках корпуса. С ростом относительных остаточных удлинений увеличивается кривизна остаточной изогнутой оси корпуса на участках, где имели место перегрузки. Нами предложен способ определения ординат остаточной изогнутой оси корпуса по кривизне на отдельных участках
yост(х) 
, (14)
где уост(х) ордината остаточной изогнутой оси корпуса;
– кривизна на i-м участке по длине судна;
– длина участка, на котором имеет место остаточная кривизна;
L – длина корпуса;
Li – расстояние от начала расчетной длины до середины участка, на котором имеет место остаточная кривизна 
;
Х Li – 
и Х Li + 
– показатели, указывающие на то, что слагаемые учитываются только в том случае, когда выражение в скобках, возводимое в квадрат, имеет положительное значение.
Кривизна на обследуемом участке палубы определяется по формуле
с = 
, (15)
где – изменение угла наклона поперечного сечения корпуса на обследуемом участке.
Схема измерения угла поворота поперечного сечения корпуса показана на рис. 5, а конструкция патентованного устройства для измерения угла показана на рис. 6.
Рис. 5. Схема измерения изменения Рис. 6. Конструкция устройства
угла поворота поперечного сечения 1 – плита; 2 – стойки; 3 – шкала;
корпуса 4 – ось маятника; 5 – маятник;
6 – стрелка; 7 – стакан неподвиж- ный; 8 – стакан подвижный
Кривизна на участке длиной может определяется по высоте хорды
(16)
где f – стрелка прогиба на длине участка (высота хорды).
Схема измерения показана на рис. 7.
 Рис. 7. Схема определения кривизны участка 1 – магнитная стойка с креплением для струны 2 – струна; 3 – магнитная стойка с натяжным устройством для струны; 4 – бимс; 5 – карлингс; 6 – линейка и в середине каждого участка (hi, hi+0,5, hi+1). | Третий способ определения кривизны связан с первым, так как из изменения угла поворота может быть установлено с помощью нивелира. В этом случае выполняются измерения расстояний от пробитой горизонтальной плоскости до палубы на границах Измеряемые и рассчитанные |
величины показаны на рисунке 8.
Кривизна на (i + 1) участке длиной равна
ci+1 = 
. (17)
Общая прочность деформированного корпуса должна удовлетворять условию, предложенному профессором Г.В.Бойцовым для действующих Правил РРР
, (18)
где 
– предельный момент корпуса судна в эксплуатации определенный с учетом износов и остаточных деформаций для прогиба и перегиба по абсолютной величине, кНм;
– нормативное значение коэффициента запаса прочности для годного технического состояния;
Мр – расчетный изгибающий момент при прогибе и перегибе, взятый по модулю, кНм;
kf – коэффициент, увеличивающий нормативное значение коэффициента запаса прочности для судов, имеющих общий остаточный перегиб;
Мтв – дополнительный изгибающий момент на тихой воде, вызванный перераспределением сил поддержания у корпуса с остаточным перегибом.
Мт.в. = ±0,19f0ВL2, кНм, (19)
где f 0 – остаточный прогиб (перегиб) корпуса, м;
– коэффициент общей полноты.
Нормативный коэффициент запаса общей прочности увеличивается пропорционально коэффициенту определяемому по формуле
kf = 1 + 0,1
1, (20)
при нормативной fон =
< f0 (21)
 Рис. 8. Определение кривизны участка по отклонениям от горизонтали в начале, в середине и конце участка | Введение коэффициента связано с уменьшением коэффициента запаса на выносливость в крайних растянутых связях и редукционных коэффициентов продольных ребер жесткости в крайних сжатых ребрах из-за остаточных напряжений. Остаточные напряжения растяжения в крайних связях эквивалентного бруса приводят к уменьшению коэффициента запаса на выносливость, несмотря на то, что вызывают повышение предела выносливости. Отмеченное хорошо иллюстрируется на диаграмме предельных амплитуд, предс- |
тавленной на рис. 9 и получаемыми ниже зависимостями для коэффициентов запаса. Наличие остаточных напряжений растяжения в связи корпуса (ост) не
Рис. 9. Диаграмма предельных амплитуд     | изменит амплитуду цикла напряжений, а приведет лишь к увеличению средних напряжений в цикле (точка А). Как видно на диаграмме предельных амплитуд в результате увеличатся максимальные и минимальные напряжения в цикле и следовательно изменится коэффициент |
асимметрии цикла, возрастет предел выносливости.
Выражение для коэффициента запаса на выносливость примет вид
= 
. (22),
Если в жестких связях, имеют место остаточные напряжения (ост), то они будут складываться с напряжениями от изгиба, вызванного внешней нагрузкой и уровень напряжений действующих на пластину будет
. (23)
Используя (22), можно получить выражение, связывающее редукционный коэффициент пластин с остаточными напряжениями и без них
. (24),
Остаточные напряжения сжатия могут вызвать потерю устойчивости продольных ребер жесткости. Для анализа влияния остаточных напряжений преобразуем зависимости из Правил РРР для проверки устойчивости продольных ребер жесткости. После преобразований зависимости для редукционных коэффициентов имеют вид
(25),
По полученным зависимостям построен график для определения редукционных коэффициентов продольных ребер жесткости в зависимости от их относительной гибкости, представленный на рисунке 10.
 Рис. 10. Редукционные коэффициенты продольных ребер жесткости | В зависимостях (25) и на графике рис. 10 обозначено: – гибкость продольного ребра жесткости,  ,  -минимальная гибкость ребра, при которой оно не будет терять устойчивость даже при сжимающих напряжениях, равных Rен,   относительная гибкость. Анализируя выражение (18) видим, что для восстановления прочности деформированного |
корпуса необходимо либо увеличить момент сопротивления поперечного сечения корпуса в средней части, компенсировав увеличение коэффициента запаса прочности и расчетного изгибающего момента, либо исключить дополнительный изгибающий момент, вызванный деформацией корпуса.
Увеличить момент сопротивления корпуса можно заменив годные, но имеющие возможно больший износ листы на новые проектной толщины, или подкрепить корпус судна накладными полосами. (Этот вариант наиболее прост и экономичен из всех вариантов подкреплений). Для реализации обоих вариантов увеличения моментов сопротивления требуется разработка методики расчета количества заменяемых листов или полос подкрепления, а также технологического процесса с указанием количества заменяемых элементов или устанавливаемых полос, места их установки, способа закрепления и проверки качества.
Для восстановления общей прочности путем устранения дополнительного изгибающего момента на тихой воде необходимо с помощью правки корпуса исключить стрелку прогиба корпуса. На судоремонтных заводах операция правки корпуса выполняется крайне редко. До последних лет не было норматива для остаточного общего прогиба или перегиба и требований к его устранению из-за трудностей его определения, и следовательно, не было технологического процесса выполнения операции правки. Нами предложены несколько вариантов устранения остаточного общего перегиба использующие упомянутый ранее способ определения остаточной изогнутой оси корпуса по кривизне на заданных по длине участках, позволяющий определить места для правки корпуса и разработать оптимальные технологические процессы.
Местные остаточные деформации (главным образом вмятины) влияют вмятины на общую прочность грузовых судов, если они располагаются в средней части корпуса на днище или палубе и распространены на значительном участке по ширине.
Определению редукционных коэффициентов деформированных продольных ребер жесткости были посвящены исследования В.Ф. Лусникова, И.О.Трянина, В.Б.Чистова. Зависимости рекомендуемые И.О.Тряниным используются в Правилах РР, нами предложены несколько номограмм, позволяющие упростить расчет редукционных коэффициентов деформированных ребер.
Восстановить общую прочность корпуса судна, имеющего вмятины на днище или (и) полубе в средней части возможно подкреплением участка корпуса в районе вмятины.
Подкрепления для восстановления общей прочности заключается в определении потери работоспособной площади деформированных продольных ребер жесткости и пластин обшивки, которая должна быть компенсирована подкреплением, проектировании размеров подкрепления и места его установки. Такой способ восстановления общей прочности позволяет до минимума свести материальные и трудовые затраты при ремонте, а для его реализации необходимо разработать типовой технологический процесс включающий:
- методику расчета потери работоспособной площади деформированных ребер жесткости и пластин обшивки или настила;
- зависимости для определения размеров подкрепления, обеспечивающие минимальный расход материала;
- рекомендации по месту установки подкрепления, обеспечивающие свободный доступ к месту ремонта и удобство выполнения работ;
- технологические указания по выполнению операций и контролю качества выполнения работ, обеспечивающие долговечность подкрепленного корпуса с износом и местными деформациями.
Разрушения. Перелом корпуса, разрывы связей и пробоины обычно являются следствием аварий или иных причин, вызвавших чрезмерные нагрузки на корпус судна в целом или на отдельные его участки.
Измерять разрушение для оценки технического состояния корпуса необходимо для разработки технологических процессов ремонта корпуса, при котором восстанавливаются его общая и местная прочность и непроницаемость.
Для судна, получившего перелом корпуса, необходимо не только установить место, где произошел слом, но и зафиксировать форму остаточного перегиба корпуса судна с изломом.
Последнее требуется для обеспечения успешного подъема судна на слип, правильной установки на стапеле, где будет выполняться ремонт, и разработки оптимальной технологии ремонта корпуса.
На рисунке 11 показан корпус судна получившего слом на расстоянии L2 от носа. Для определения формы остаточной изогнутой оси корпуса можно воспользоваться формулой (14). Учитывая, что при переломе корпуса слом концентрируется обычно на одном, небольшом по длине участке, а в остальных частях корпуса остаточная кривизна мала.
Максимальная стрелка остаточного перегиба будет на расстоянии L1 от кормы и после подстановки этого значения в (14) определяется по формуле
= fmax = сост 
(26)
На рисунке 11 видно, что с достаточной степенью точности можно определить максимальную стрелку прогиба по осадкам в трех точках корпуса (в носу – ТН; в корме ТК – и на миделе Т
) по формуле
fmax = 
(27)
Рис. 11. Измерение остаточной стрелки прогиба корпуса судна со сломом
Для восстановления корпуса судна, получившего перелом, необходимо разработать технологический процесс его подъема и установки на стапеле. В этом случае необходимо знание формы остаточной изогнутой оси или в крайнем случае максимальной стрелки прогиба, полученной по формулам (26) и (27).
В третьей главе дается теоретическое обоснование способов восстановления общей прочности. Наиболее эффективный из них заключается в увеличении до требуемой величины площади крайних связей эквивалентного бруса. При этом все остальные продольные связи эквивалентного бруса могут иметь дефекты равные допускаемым, указанным в п. 3.6 ПОСЭ РРР. Чтобы рассчитать требуемую площадь крайних связей (палубы, комингса и днища) считаем, что опасное состояние реализуется одновременно в двух крайних связях, т.е.
М
, (28)
где 
– момент сопротивления рассматриваемого сечения относительно палубы (комингса), м
;
– момент сопротивления рассматриваемого сечения относительно днища, м
;
– момент инерции рассматриваемого поперечного сечения относительно нейтральной оси, когда опасное состояние реализуется одновременно в обеих крайних связях, м
;
– расстояние от нейтральной оси сечения до основной плоскости, м;
,
– опасные напряжения в палубе (комингсе) или днище соответственно;
– расстояние от основной плоскости до палубы, м или 
– расстояние от основной плоскости до полки комингса, м ;
Расстояние нейтральной оси от основной плоскости корпуса, с учетом зависимости (28) определяется по формуле
Zно = Н
. (29)
Требуемый момент инерции изношенного корпуса относительно нейтральной оси определяется по формуле
. (30)
Используя условие общей прочности (18) с учетом (19) и (20) можно определить оптимальные требуемые характеристики поперечного сечения эквивалентного бруса корпуса судна, имеющего износ и остаточный прогиб или перегиб.
Требуемая площадь крайних связей эквивалентного бруса – палубы Fп (комингса Fк) и днища Fд вычисляется по формулам:
Fп = 
, (31)
Fд = 
; (32)
где 
– площадь сечения связей эквивалентного бруса, кроме настила палубы ( полки комингса ) и обшивки днища, м
;
и 
– статический момент, м
, и момент инерции, м
, связей относительно основной плоскости соответственно, без палубы и днища.
Значения величин 
, 
, 
рассчитывают в табличной форме с учетом предельных износов связей и их редуцирования c помощью графиков на рисунках 3, 4 и 10.
Требуемые площади крайних связей должны быть определены и для второго расчётного случая. Окончательно для каждой крайней связи в качестве допускаемой принимается большая из требуемых площадей.
После выполнения расчётов условие обеспечения общей прочности корпуса можно представить в виде
Fп(к) [Fп(к)], (33)
Fд [Fд], (34)
где Fп(к) и Fд – площади поперечного сечения настила палубы (комингса) или обшивки днища по результатам измерения во время дефектации с учетом редуцирования пластин в сжатой зоне;
[Fп(к)] и [Fд] – допускаемая площадь поперечного сечения настила палубы (комингса) и обшивки днища получаемая, по формулам (34) и (35), соответственно.
Если общая прочность корпуса судна не обеспечивается, т.е. не выполняется одно из условий (36 и 37) или оба одновременно, то можно легко установить количество материала, которое следует вложить в крайние связи при ремонте корпуса судна
Fп = [Fп] – Fп,
Fд = [Fд] – Fд.
При традиционном способе ремонта заменой элементов (листов) в сечении крайней связи, количество расходуемого материала отдельно для днища или палубы определяется по формуле
F; (35)
где nл – количество заменяемых листов в поперечном сечении крайней связи (палубы или днища отдельно);
и 
– редукционные коэффициенты пластин проектной и остаточной толщины соответственно.
Анализируя зависимость (35) видим, что второе выражение в скобках 
умноженное на ширину вi представляет из себя площадь поперечного сечения годного листа, который вырезается, а затем устанавливается вновь в составе нового листа проектной толщины. Если учесть, что замена листа может сопровождаться большим объемом сопутствующих работ, связанных с обеспечением доступа к обратной стороне листа, становится очевидной низкая эффективность этого способа восстановления общей прочности.
Значительно эффективней оказывается восстановление общей прочности постановкой накладных полос на крайние связи эквивалентного бруса.
Количество полос подкрепления, устанавливаемых на ту или иную крайнюю связь или на каждую одновременно определяется по формуле
n = 
, (36)
где [F] – допускаемая площадь поперечного сечения крайней связи по результатам измерений при дефектации;
Fпол – площадь поперечного сечения полосы подкрепления.
Размеры поперечного сечения полос подкрепления и места их установки определяются из условия обеспечения устойчивости полосы при сжимающих напряжениях равных пределу текучести материала. Полосы подкрепления устанавливаются с наружной стороны обшивки или настила под балками судового продольного набора на всю длину средней части корпуса. В случае, если имеются ослабленные сечения за пределами средней части, то и на этих участках.
Восстановление общей прочности корпуса судна, имеющего вмятины на палубе или днище можно выполнить также установкой накладных полос в сечениях, где имеются вмятины.
Потеря работоспособной площади из-за вмятины на корпусе судна с продольной системой набора на крайних связях может быть рассчитана по формуле
=
+
; (37)
где fр – площадь сечения ребра с присоединённым пояском 50t, но не более /2;
рi – редукционный коэффициент ребра с присоединённым пояском определяется по 2.2.9.9. ч.II «Корпус» или по номограммам в тексте диссертации
;
пл – редукционный коэффициент гибкой части пластины, прилегающей к ребру;
m – количество рёбер;
m1 – количество пластин, прилегающих к рёбрам;
(пл – р) 0.
Количество полос подкрепления определяется по формуле
n = 
. (38)
Подкрепления могут располагаться не только на крайних связях эквивалентного бруса площади которых не достаточно для обеспечения общей прочности корпуса. Расположение подкрепления по высоте корпуса на эффективность его работы по восстановлению общей прочности можно оценивать, используя коэффициент влияния, тогда зависимость для определения площади подкрепления крайней связи, требуемая для восстановления общей прочности, если эти подкрепления установлены на произвольном расстоянии от этой связи можно определить по формуле
=
, (39)
где n – количество продольных связей, на которых установлены подкрепления.
Остается определить место расположения подкрепления на крайней связи и размеры поперечного сечения его, чтобы подкрепление не теряло устойчивости при действии сжимающих напряжений даже равных пределу текучести материала.
Площадь подкрепления для восстановления общей прочности можно уменьшить, если устранить остаточный общий прогиб или перегиб.
Создание технологии восстановления формы корпуса требует решения комплекса задач.
.1 Определения формы остаточной изогнутой оси корпуса судна и определение участков с наибольшими остаточными удлинениями.
.2 Создание условий, обеспечивающих равновеликую нагрузку на подъемные (косяковые) тележки при подъеме судна и заданные нагрузки на стапельные тележки при перемещении к месту ремонта.
.3 Создание условий для установки судна на стапеле, так чтобы ординаты остаточной изогнутой оси измерялись от горизонтальной линии, проходящей через две заданные точки (одна в кормовой, а другая в носовой части судна), а нагрузки на стапельные тумбы были равновеликими.
.4 Создание условий для установки стапельных тумб под судном на стапеле так, чтобы в зоне, где будут выполняться ремонтные работы по устранению общих остаточных деформаций поперечная сила была равна нулю, а нагрузки на стапельные тумбы были равновеликими.
.5 Создание условий, чтобы при устранении остаточного перегиба в заданном районе поперечная сила, действующая на корпус была равна 0, а изгибающий момент был равен величине, необходимой для поворота крайних сечений в ослабленной части на заданный угол. При этом нагрузки на стапельные тележки должны равняться заданным, а равновеликие нагрузки на стапельные тумбы не должны превосходить допускаемых значений.
.6 Создание условий, чтобы на всех этапах правки корпуса судна, нагрузки от стапельных тумб и стапельных тележек на корпус не превосходили допускаемого значения. Аналогично нагрузки от тумб и тележек на стапель не должны превосходить допускаемого значения.
Решение первой задачи подробно рассмотрено во второй главе, где разработан патентованный способ определения остаточной изогнутой оси корпуса судна, рекомендуется оборудование для измерения, дается аналитическая зависимость для расчета ординат этой линии (14) и определения участков с повышенной кривизной.
Решение второй задачи необходимо для осуществления подъема судна с деформированным корпусом на гребенчатом слипе и перемещение его по горизонтальной части к месту ремонта.
При подъеме судна форма остаточной изогнутой оси корпуса должна быть зафиксирована, так как это позволит обеспечить нагрузку на подъемные тележки приближенную к одинаковой. Определение величины наращивания платформ подъемных тележек показано на рис. 12 и 13.
Рис. 12. Отстояние днища от основной плоскости (плавный изгиб)
Рис. 13. Отстояние днища от основной плоскости (излом)
Решение третьей задачи имеет целью установить судно на стапеле таким образом, чтобы несколько близко расположенных рядов стапельных тумб в начале кормовой части и в конце носовой части имели высоту 1,7 м и фиксировали горизонтальную плоскость на стапеле. В дальнейшем эта плоскость будет основной плоскостью судна. При устранении остаточного перегиба высота этих стапельных тумб регулироваться не будет. Эти близко расположенные ряды стапельных тумб будут являться опорами на которых поворачивается корпус судна при правке. Возвышение всех остальных стапельных тумб над основной плоскостью определится графически, как это показано на рис. 14.
Решение четвертой задачи необходимо, чтобы исключить разрушение ослабленного разрезами корпуса в зоне выполнения ремонтных работ. Поэтому следует стремиться, чтобы в этом месте поперечная сила и изгибающий момент были близки к нулю.
Общее количество стапельных тумб определяется из условия
= 
, (40)
где 
– среднее усилие, передаваемое на трубу, кН;
G – вес судна, кН;
= 
– рабочая грузоподъемность стапельной тумбы, кН;
Fтумб – грузоподъемность стапельной тумбы, кН;
kн – коэффициент неравномерности, принимается kн = 2.
Стапельные тумбы должны быть расположены таким образом, чтобы отклонение равнодействующей равновеликих реакций стапельных тумб от центра тяжести судна не превосходило 0,1 м.
= 
0,1 м, (41)
где nc – количество поперечных сечений судна, в которых поставлены стапельные тумбы;
mj – количество стапельных тумб в j-м поперечном сечении;
j – расстояние от центра тяжести судна до j-го сечения, в котором установлены тумбы. Расстояния в корму от центра тяжести судна принимаются со знаком (–), а в нос – со знаком (+) (рис. 14).
Рис. 14. Отстояние днища от основной плоскости и расстановка
стапельных тумб в кормовой и носовой частях
Для обеспечения минимального изгибающего момента и поперечной силы в зоне ремонта должно выполняться условие
= 
, (42)
где 
и 
– вес кормовой (от кормы до зоны ремонта) и носовой (от носа до зоны ремонта) частей судна соответственно, кН, принимается по весовой нагрузке судна;
и 
– расстояние от центра тяжести судна до центра тяжести кормовой и носовой частей соответственно, м, рассчитывается по формулам
= 
+ 
– 
; (43)
= 
– 
–
; (44)
L – длина судна между, м;
– абсцисса центра тяжести судна, м, расстояние от миделя до центра тяжести судна, в корму принимаются со знаком (–), а в нос – со знаком (+);
и 
– расстояние от кормового или носового до центра тяжести кормовой и носовой частей соответственно, м, рассчитывается по весовой нагрузке судна.
Количество стапельных тумб и место их расположения должны быть рассчитаны из условия, что величина равнодействующей равновеликих реакций стапельных тумб Rк и Rн под каждой из частей была равна весу соответствующей части, а линии их действия совпадали.
Количество стапельных тумб под кормовой или носовой частями и места их расположения определяются из условия
= 
. (45)
Так как число стапельных тумб под кормовой частью (
) и носовой частью (
) в сумме дают общее число стапельных тумб (
+ 
= nтумб), то их количество под каждой из частей определяется по формулам
= 
и 
= 
. (46)
Стапельные тумбы под каждой из частей должны быть расставлены так, чтобы соблюдались условия
= 
0,1 м и 
= 
0,1 м ; (47)
где mj = количество стапельных тумб в j-м ряду;
и
– расстояние j-го сечения от поперечного сечения, проходящего через центр тяжести кормовой или носовой частей соответственно (рис. 14). Расстояние в корму от центра тяжести кормовой или носовой частей соответственно принимаются со знаком (–), а в нос – со знаком (+).
Высота каждой стапельной тумбы с учетом необходимого их наращивания определяется с помощью графика представленного на рис. 14.
Решение этой задачи необходимо, чтобы в ослабленном разрезами участке корпуса при его правке были созданы условия чистого изгиба, а изгибающие моменты, передаваемые на ослабленный участок корпуса со стороны кормовой и носовой его частей могли изогнуть его на угол, величина этих изгибающих моментов должна определяться по формуле
Gк 
= Gн 
= 
EJосл 103, (48)
где Gк и Gн – вес кормовой и носовой частей судна, разделенного по 1-му разрезу соответственно, кН;
и 
– плечо равнодействующей реакции от стапельных тумб и стапельных тележек для носовой и кормовой частей соответственно, кН;
Е – модуль нормальной упругости для стали, 2105 МПа;
Jосл – момент инерции поперечного сечения ослабленной разрезами части корпуса судна, м4;
– длина ослабленной части корпуса, м.
Под судно, установленное на стапельных тумбах подводятся стапельные тележки и устанавливаются по длине кормовой и носовой частей так, чтобы суммарный момент от их реакций, передаваемых на корпус, и равновеликих реакций от стапельных тумб, имеющих высоту 1,7 м, относительно центра тяжести кормовой или носовой части не превосходил 0,1Gк (кНм) или 0,1Gн (кНм) соответственно
0,1Gк ; (49)
0,1Gн ; (50)
где 
и 
– количество стапельных тележек под кормовой и носовой частью, соответственно;
и 
– реакция на корпус от стапельной тележки в кормовой и носовой частях, соответственно (задается регулировкой предохранительного клапана на установленное давление);
и 
– расстояние от центра тяжести кормовой или носовой части до тележки, соответственно (расстояния в корму от центра тяжести принимаются со знаком (–), а в нос – со знаком (+);
и 
– количество стапельных тумб, в рядах 3, 4, 5 и 16,17,18 соответственно;
= 
и 
= 
– средняя нагрузка на стапельную тумбу в кормовой и носовой оконечности, соответственно;
и 
– расстояние от центра тяжести кормовой и носовой оконечности до тумб соответственно.
Материал, вносимый в поперечное сечение эквивалентного бруса должен не только полностью включаться в работу по восприятию общего изгиба, но и не уменьшать редукционные коэффициенты пластин. Поэтому определение основных технологических параметров процесса подкрепления, места расположения полос и размеры их поперечного сечения, должны выполнятся на основании обеспечения устойчивости накладных полос.
Для исследования формы потери устойчивости и изменения критической нагрузки подкрепляемой пластины применен приближенный энергетический метод из теории упругости.
Пластина в плане имеет размеры 
, 
. Устойчивость пластины рассматривается при сжатии контурными усилиями, действующими по двум противоположным кромкам 
и 
в направлении оси 
.
Пластина шарнирно оперта по всему контуру. Решение задачи ищется в виде
. (51)
Такая форма решения удовлетворяет всем граничным условиям.
Поперечное сечение подкрепленной пластины и деформированная поверхность при в = 3а показаны на рисунках
Рис. 15. Поперечное сечение Рис. 16. Деформированная
пластины поверхность при в = 3а
Подстановка численных значений показывает, что добавление накладок приводит к существенному увеличению критической нагрузки.
Аналогичная задача решалась методом конечных элементов (МКЭ). Конечные элементы при исследовании несущей способности пластин, подкрепленных полосами, показаны на рис. 17.
В качестве узловых перемещений при изгибе принимаются прогиб W, его первые производные (углы поворота) 
и вторая смешанная производная 
(рис. 17). Упругая поверхность конечного элемента пластины (рис. 19в) апроксимируется полиномом
(52)
где 
– узловые перемещения элемента (см.рис. 17б);
– функция Эрмита.
а) б) в)
Рис. 17. Конечные элементы, использованные при исследовании несущей способности пластин, подкрепленных накладными полосами:
а – конечный элемент при решении плоской задачи теории упругости;
б – узловые перемещения при изгибе;
в – конечный элемент пластины при изгибе.
Полиномы Эрмита выбраны таким образом, чтобы при переходе через границу двух смежных элементов обеспечивалась непрерывность не только прогибов, но и углов поворота. Таким образом, устраняются сломы между конечными элементами.
На рис. 18 предоставлена схема идеализации конструкции по методу конечных элементов. На рис. 18а показана разбивка на конечные элементы при расположении полосы в пролете между продольными связями. Кромки пластины y=0; a и x=±b2/2 заданы шарнирно-опертыми на жесткий контур, что позволяет с ошибкой в безопасную сторону пренебречь жесткостью набора на кручение. Полоса скреплена с пластиной только продольными кромками x=±b1/2 и поперечными y=0; a. Сопоставление различных вариантов скрепления поперечных кромок полосы y=0; a с поперечными кромками пластины показало, что этот фактор не оказывает большого влияния на получаемые решения. На рис. 18б показана разбивка на конечные элементы пластины и полосы при расположении последней над продольной связью своей средней частью. В этом случае кромки пластины y=0; a и x=0;± b2 полагались шарнирно-опертыми на жесткий контур. Полоса также полагалась скрепленной только продольными кромками y=0; a и поперечными x=±b1/2.
а) б)
в)
Рис. 18. Схема идеализации конструкции:
а – полоса расположена между балками продольного набора;
б – полоса расположена над балкой продольного набора
Во всех случаях полоса задавалась, кроме продольных кромок, работающей отдельно от пластин. Пластины и полоса загружались в своей плоскости равномерно распределенной нагрузкой, приложенной к поперечным кромкам. Поперечной нагрузкой, приложенной к пластине, пренебрегаем, так как применительно к речным судам она составляет значительно меньшую часть по сравнению с нагрузкой, лежащей в плоскости пластин.
Пластины и полоса разбивались на квадратные конечные элементы. На рис. 18а показана сетка разбивки применительно к подкреплению удлиненных пластин с отношением а/b2 =2. Разбивка на более мелкую сетку не приводила к значительному изменению получаемых результатов. Погрешность составляла около 1 % при сетке 4 x 4. Поэтому каждая пластина по поперечным кромкам разбивалась на четыре конечных элемента, а в продольном направлении их число выбиралось исходя из обеспечения необходимого соотношения ее сторон.
Для оптимизации размеров поперечного сечения накладных полос. Рассматривается подкрепление удлиненных пластин с соотношением сторон опорного контура а/b2=1/4, которые имеют суда внутреннего и смешанного плавания. Соотношение толщин накладной полосы и пластин рассматривалось в интервале t1/t2=0,5–4,0. Больший перепад толщин привел бы к излишней жесткости корпуса и затруднил технологию установки полос. Здесь и далее с индексом 1 приводятся характеристики, относящиеся к накладной полосе, а с индексом 2, относящиеся к подкрепляемым пластинам.
По алгоритму, применяемому для исследования напряженного состояния и устойчивости подкрепленных пластин морских судов, выполнен анализ подкрепленных пластин, характерных для судов внутреннего и смешанного плавания.
Эти результаты затем были обобщены и приведены к безразмерному виду, что позволило получить и проанализировать характеристики, не зависящие от абсолютных величин размеров пластин, а зависящих от их относительных значений. Поэтому результаты, изложенные ниже, могут быть использованы для различного типа судов.
Для оценки точности получаемых результатов при определении эйлеровых напряжений в каждом варианте соотношения сторон опорного контура пластин определялись эйлеровы напряжения гладкой пластины и пластины ступенчато-переменной толщины. Критерием оценки служили результаты, приведенные в справочнике Ю.А. Шиманского, которые полагались точными. Погрешность составила менее 1,5 %.
На основании теоретического исследования устойчивости судовых пластин, подкрепленных накладными полосами, можно сделать следующие основные выводы:
- изучение устойчивости накладных полос, скрепленных с пластиной только по контуру, дает ошибку в безопасную сторону;
- расчет подкрепленной пластины по зависимостям ступенчато-переменной величины приводит к значительной погрешности;
- выбор рационального сечения и места расположения накладных полос позволяет отказаться от применения пунктирных шлицевых швов для обеспечения совместной работы полосы и пластин и приводящих к концентрации напряжений;
- расположение накладной полосы средней частью под продольным набором позволит не только обеспечить работу полосы как жесткой связи, но и повысить эффективность работы подкрепленных пластин;
- рекомендуемая ширина накладной полосы при соотношении к ширине пластины 0,4b1/b20,7, а ее минимальная толщина, с которой полоса работает как жесткая связь, назначается исходя из принятого соотношения a/b2 и соотношения сторон опорного контура;
- изменение устойчивости пластин и выбор оптимальных размеров поперечного сечения накладных полос можно с достаточной степенью точности аппроксимировать полиномом второй степени;
- при соотношении t1/t2>4 с уменьшением b1/b2 целесообразно располагать полосу подкрепления в пролете между продольным набором, однако это приведет к излишней жесткости корпуса;
- касательные усилия, действующие по линиям сопряжения полосы и пластин, не снижают устойчивость накладной полосы, но значительно ухудшают несущую способность подкрепленных пластин.
Исследования устойчивости пластин и подкреплений с учетом отклонений от закона Гука критических напряжений выполнены на основании зависимостей, полученных И.О.Тряниным, преобразованных нами к виду (6) и (8) и представленных в виде номограммы рис. 3. Зависимость минимальной толщины пластины, не теряющей устойчивость от ширины и предела текучести материала показана на рис. 19.
Если полосу подкрепления рассматривать как бесконечно длинную пластину шириной равной подкрепляемой, свободно опертой на длинные кромки пластины, то она не будет терять устойчивость, если ее толщина превосходит минимальную толщину пластины не теряющей устойчивости при сжимающих напряжениях равных пределу текучести материала. Как видно из рисунка 26 толщины пластин, не теряющих устойчивости (t 10,520,0 мм), редко встречаются на судах внутреннего и смешан- Рис. 19. Минимальная толщина пластины ного плавания, но если они имеют место
