Результат интеллектуальной деятельности: БОРТОВОЕ ПЕРЕКРЫТИЕ

Изобретение относится к области судостроения и может быть использовано при постройке и ремонте бортовых конструкций корпусов судов.

Известно бортовое перекрытие судна, содержащее полотнище наружной обшивки, шпангоуты и бортовые стрингеры (Барабанов Н.В. Конструкция корпуса морских судов. Л., Судостроение, 1981. - 552 с, с. 42-43, рисунок 8 «г»).

Конструкция этого перекрытия обладает существенным недостатком, заключающимся в низкой несущей способности шпангоутов при восприятии интенсивных локальных нагрузок, т.к. зона обрушения может локализироваться между стрингерами и сопровождаться завалом шпангоутов. Другим недостатком является низкая несущая способность наружной обшивки, которая поддерживается лишь балками набора, что может привести к недопустимому росту прогибов и ее разрушению под действием эксплуатационных нагрузок.

Известно бортовое перекрытие судна, состоящее из наружной обшивки, подкрепленной шпангоутами и стрингерами, в котором с внутренней стороны параллельно шпангоутам в середине пролета пластины установлена упругая опора, состоящая из бруса, опирающегося на полосу, прикрепленную к основаниям смежных шпангоутов оттяжками заданного сечения, установленными с заданным интервалом (RU 2463197, МПК В63В 3/14, В63В 3/26, опубл. 10.10.2012 г. ).

Существенным недостатком данной конструкции является низкая несущая способность шпангоутов, так как упругая опора, состоящая из бруса и оттяжек, поддерживает лишь наружную обшивку, но не шпангоуты, что может привести к их повреждению интенсивными локально распределенными нагрузками (например, ледовыми).

В качестве ближайшего аналога принят узел подкрепления деформированного участка судового перекрытия (SU 1615032, МПК В63В 9/00, В63В 3/26, опубл. 23.12.1990 г. ), содержащий обшивку или настил, балки набора и подкрепляющие элементы, приваренные к балкам набора, причем каждый подкрепляющий элемент приварен в средней части длины к полке подкрепляемой балки набора, а концами приварен к основаниям стенок соседних балок.

Данная конструкция обладает существенным недостатком, заключающимся в низкой несущей способности пластин бортовой обшивки, особенно при восприятии интенсивных локальных нагрузок, являющихся основной причиной эксплуатационных повреждений бортовых перекрытий судов. Это связано с тем, что за счет установки подкрепляющих элементов достигается повышение несущей способности балок набора, однако при действии сильно локализованных нагрузок в пределах одной шпации (например, нагрузки от битого льда) вся нагрузка будет восприниматься пластиной обшивки, которая не поддерживается подкрепляющими элементами, что может привести к существенному росту прогибов в наружной обшивке и ее разрушению.

Изобретение решает задачу повышения несущей способности обшивки судового перекрытия при восприятии интенсивных локально распределенных нагрузок за счет поддержания наружной обшивки дополнительными реактивными силами, действующими в середине пролета пластин наружной обшивки при их деформировании эксплуатационными нагрузками.

Для получения необходимого технического результата в бортовом перекрытии, состоящем из обшивки, балок набора и подкрепляющих элементов, каждый из которых соединяет полку балки набора с основаниями стенок смежных с ней балок набора, предлагается подкрепляющие элементы, присоединенные к основанию стенок одной балки набора, сместить относительно подкрепляющих элементов, присоединенных к полке этой балки набора, по длине балки на величину, не превышающую ширины подкрепляющего элемента. Дополнительно предлагается в середине каждого пролета пластины обшивки установить опору в виде упругого бруса, ориентированного вдоль балок набора, снабженного V-образным профилем на опорном конце, для опирания на подкрепляющие элементы в этом пролете. Параметры подкрепляющих элементов и упругого бруса, определяющие реакцию опоры, предлагается определять с учетом заданной степени повышения несущей способности обшивки.

В предлагаемом техническом решении обшивка помимо реакций со стороны шпангоутов поддерживается реактивной силой в середине пролета, действующей со стороны опоры, состоящей из упругого бруса, поддерживаемого системой подкрепляющих элементов, в результате чего прогибы обшивки уменьшаются по сравнению с конструкцией ближайшего аналога, а риск ее разрушения снижается.

На прилагаемых графических материалах изображено:

на фиг. 1 - общий вид перекрытия;

на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1;

на фиг. 3 - расчетная схема подкрепляющих элементов для определения параметров жесткости создаваемого ими упруго-пластического основания;

на фиг. 4 - зависимости нагрузка - прогиб для балок-полосок пластины обшивки при реализации предлагаемых конструктивных решений.

На графических материалах приняты следующие обозначения:

1 - обшивка;

2 - балка набора;

3 - элемент подкрепляющий;

4 - профиль V-образный;

5 - брус упругий;

b - расстояние между соседними подкрепляющими элементами одного направления;

h - высота балки набора, м;

а - шпация перекрытия, м;

- длина подкрепляющего элемента, м;

α - угол наклона подкрепляющего элемента по отношению к плоскости обшивки, рад;

Р - сила, передаваемая упругим брусом на подкрепляющий элемент при нагружении обшивки, Н;

Т - сила продольная в балке-полоске, выделенной из подкрепляющего элемента, Н;

А₁, А₂ - коэффициенты податливости упругой заделки для балки-полоски, выделенной из подкрепляющего элемента, Н⋅м^-1;

b_n - ширина подкрепляющего элемента, м;

h_n - толщина подкрепляющего элемента, м;

b_б - ширина упругого бруса, м;

h_б - высоты упругого бруса, м;

ƒ - прогиб балки-полоски пластины обшивки, м;

q - интенсивность внешней нагрузки, действующей на пластину обшивки, Па;

А - зависимость нагрузка - прогиб для конструкции ближайшего аналога;

В - зависимость нагрузка - прогиб для пластины с опорой предлагаемой конструкции при b=0,8 м, h_n=0,015 м;

С - зависимость нагрузка - прогиб для пластины с опорой предлагаемой конструкции при b=0,4 м, h_n=0,015 м.

Конструкция бортового перекрытия состоит из обшивки 1 с установленными на ней балками 2 набора и содержит подкрепляющие элементы 3, соединяющие полки балок 2 набора с основаниями стенок соседних балок 2 набора. В середине пролета пластины обшивки 1 установлен упругий брус 5, соединенный с V-образным профилем 4, опирающимся на подкрепляющие элементы 3.

Бортовое перекрытие работает следующим образом. Внешняя интенсивная локально распределенная нагрузка воспринимается обшивкой 1 и передается на балки 2 набора, а также на опору, установленную в середине пролета пластины обшивки 1 и состоящую из упругого бруса 5, соединенного с V-образным профилем 4, опирающимся на подкрепляющие элементы 3. Подкрепляющие элементы 3, соединяющие полки балок 2 набора с основаниями стенок соседних балок 2 набора, не только входят в состав опоры обшивки 1, но и повышают несущую способность балок 2 набора.

Повышение несущей способности обшивки 1 достигается за счет создания в середине пролета пластины обшивки 1 реактивных усилий, близких к сосредоточенной силе. За счет изменения характеристик упругого бруса (модуль упругости первого рода Е, высота упругого бруса h_b, ширина упругого бруса b_b) и подкрепляющих элементов (материал, толщина подкрепляющего элемента h_n, ширина подкрепляющего элемента b_n, расстояние между соседними подкрепляющими элементами одного направления b) может быть обеспечена требуемая степень повышения несущей способности обшивки 1.

Жесткостные характеристики опоры зависят как от жесткости упругого бруса 5, так и от жесткости системы подкрепляющих элементов 3, при этом оба элемента включаются в работу одновременно. При определении жесткостных характеристик опоры можно считать, что упругий брус 5 и система подкрепляющих элементов 3 выполняют роль упругих оснований для центральной части прогнувшейся пластины обшивки 1, а коэффициенты жесткости этих оснований равны K_б и K_n соответственно.

До достижения возникающими в материале упругого бруса 5 напряжениями предела текучести материала σ_Т он выполняет роль упругого основания для центральной части прогнувшейся пластины обшивки 1, причем жесткость этого основания K_б можно определить из выражения

где

b_б - ширина упругого бруса, м;

h_б - высоты упругого бруса, м;

Е - модуль упругости первого рода для материала упругого бруса, Па;

После достижения предела текучести материала σ_Т упругого бруса 5 дальнейший рост прогибов обшивки 1 (и деформаций бруса) не будет приводить к росту реакций со стороны упругого бруса 5, в результате чего при дальнейшем нагружении обшивка 1 будет поддерживаться постоянной реакцией в середине пролета.

Для определения характеристик упруго-пластического основания, создаваемого системой подкрепляющих элементов 3, можно воспользоваться методикой, представленной в [Бураковский Е.П., Бураковский П.Е., Нечаев Ю.И., Прохнич В.П. Эксплуатационная прочность судов: учеб. - СПб.: Лань, 2017. - 404 с.] применительно к определению параметров основания шпангоута, роль которого выполняет бортовая обшивка. В том случае, если упругий брус 5 не соединен жестко с подкрепляющими элементами 3, можно считать, что взаимодействие упругого бруса 5 и подкрепляющих элементов 3 осуществляется лишь за счет нормальных усилий. Поэтому из подкрепляющего элемента 3 следует выделить балку-полоску, соединяющую основание балки 2 набора с полкой соседней балки 2 набора, и рассмотреть ее деформирование под действием сосредоточенной силы в середине пролета. В соответствии с указанной выше методикой после построения зависимости сила - прогиб для балки-полоски и ее аппроксимации могут быть определены характеристики упруго-пластического основания, которым является данная балка-полоска. Жесткость этого основания будет изменяться в зависимости от прогиба и в простейшем случае может быть описана двумя коэффициентами жесткости K₁ и K₂, а также прогибом w₁, при котором коэффициент жесткости меняется с K₁ на K₂, т.е. данное основание является основанием с последовательным включением жесткостей.

На первой стадии деформирования коэффициент жесткости основания K_n, создаваемого подкрепляющими элементами для центральной части прогнувшейся пластины наружной обшивки 1, может быть определен уз условия

где

b_n - ширина подкрепляющего элемента, м;

а - расстояние между балками набора, м;

h - высота балки набора, м;

b - расстояние между подкрепляющими элементами одного направления, м;

K₁ - коэффициент жесткости многослойного упруго-пластического основания, роль которого выполняет балка-полоска единичной ширины, выделенная из подкрепляющего элемента.

Согласно [Архангородский А.Г., Беленький Л.М., Литвин А.Б. Сминающиеся прокладки в судостроении и судоремонте. - Л.: Судостроение, 1966. - 132 с.] суммарная жесткость K_Σ упругого основания при одновременном включении в работу двух оснований с различными жесткостями (т.е. упругого бруса и системы подкрепляющих элементов) может быть определена по формуле

Таким образом, жесткость опоры в предлагаемой конструкции изменяется в зависимости от ее прогиба, а реакция со стороны опоры R, действующая на балку-полоску обшивки шириной s, может быть определена и выражения

если

или

если

где

- прогибы опоры, состоящей из упругого бруса и подкрепляющих элементов, при которых происходит изменение ее жесткостных характеристик, м;

s - ширина балки-полоски пластины наружной обшивки, м;

ƒ - прогиб балки-полоски пластины наружной обшивки, м;

а - расстояние между балками набора, м;

h - высота балки набора, м;

b - расстояние между подкрепляющими элементами одного направления, м;

b_n - ширина подкрепляющего элемента, м;

b_б - ширина упругого бруса, м;

h_б - высоты упругого бруса, м;

σ_Т - предел текучести для материала упругого бруса, Па;

Е - модуль упругости первого рода для материала упругого бруса, Па;

K₁, K₂ - коэффициенты жесткости многослойного упруго-пластического основания, роль которого выполняет балка-полоска единичной ширины, выделенная из подкрепляющего элемента, определяемые в соответствии с [Бураковский Е.П., Бураковский П.Е., Нечаев Ю.И., Прохнич В.П. Эксплуатационная прочность судов: учеб. - СПб.: Лань, 2017. - 404 с.], Па;

w₁ - прогиб, при котором происходит смена жесткости многослойного упруго-пластического основания, роль которого выполняет балка-полоска единичной ширины, выделенная из подкрепляющего элемента, определяемый в соответствии с [Бураковский Е.П., Бураковский П.Е., Нечаев Ю.И., Прохнич В.П. Эксплуатационная прочность судов: учеб. - СПб.: Лань, 2017. - 404 с.], м.

В качестве примера реализации предлагаемой конструкции рассмотрим бортовое перекрытие с поперечной шпацией а=0,6 м, высотой набора h=0,2 м и толщиной обшивки 0,012 м. Так как основной причиной повреждений бортовых перекрытий судов является действие интенсивных локально распределенных нагрузок, то за расчетную нагрузку целесообразно принять отпечаток шириной 0,3×0,6 м, приложенный в середине пролета пластины и ориентированный вдоль шпангоутов. В этом случае коэффициент распора для пластины обшивки может быть определен в соответствии с [Бураковский Е.П., Бураковский П.Е., Нечаев Ю.И., Прохнич В.П. Эксплуатационная прочность судов: учеб. - СПб.: Лань, 2017. - 404 с.] и составляет К_р=0,28.

На фиг. 4 представлены зависимости нагрузка - прогиб для неподкрепленной пластины наружной обшивки 1 (кривая А), а также зависимости нагрузка - прогиб для той же пластины для случая установки промежуточной опоры предлагаемой конструкции при b=0,8 м, h_n=0,015 м (кривая В); при b=0,4 м, h_n=0,015 м (кривая С). Для построения указанных кривых использовались расчетные методики, представленные в [Бураковский Е.П., Бураковский П.Е., Нечаев Ю.И., Прохнич В.П. Эксплуатационная прочность судов: учеб. - СПб.: Лань, 2017. - 404 с.], и основанные на гипотезе «о мгновенном раскрытии пластических шарниров». Из рисунка видно, что при больших нагрузках, действующих на обшивку 1, реализация предлагаемой конструкции с указанными выше параметрами позволяет снизить прогибы наружной обшивки 1 почти на 20%. При соответствующем выборе жесткости опоры, состоящей из упругого бруса 5, соединенного с V-образным профилем 4, опирающимся на подкрепляющие элементы 3, может быть обеспечена заданная степень повышения несущей способности обшивки 1. В случае установки достаточно жесткой опоры ее прогибы будут практически равны нулю, и в этом случае можно считать, что пролет пластины наружной обшивки уменьшается в два раза по сравнению с конструкцией ближайшего аналога.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет наряду с повышением несущей способности балок набора существенно повысить несущую способность обшивки, а также снизить риск ее разрушения при действии интенсивных локально распределенных эксплуатационных нагрузок, по сравнению с ближайшим аналогом.