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 и шпангоуты (Барабанов Н.В. Конструкция корпуса морских судов. - Л.: Судостроение, 1981. - 552 с., с.42-43, рисунок 8а).

Бортовое перекрытие обладает недостаточной прочностью. Основной причиной повреждений является завал шпангоутов при восприятии интенсивных локальных нагрузок.

Известно бортовое перекрытие судна, содержащее полотнище наружной обшивки, шпангоуты и установленные поверх набора струны, предотвращающие завал шпангоутов (Максимаджи А.И., Беленький Л.М., Брикер А.С., Неугодов А.Ю. Оценка технического состояния корпусов морских судов. - Л.: Судостроение, 1982. - 156 с., с.152-153, рисунок 51). При этом струна устанавливается в средней части пролета шпангоутов, где их отклонение является максимальным, в том случае, если выполняется условие

где d - отклонение шпангоута от первоначальной плоскости;

h - высота шпангоута.

Конструкция этого перекрытия обладает существенным недостатком, заключающимся в недостаточной прочности при восприятии интенсивных локально распределенных нагрузок, вследствие чего прогибы в зоне обрушения и максимальные пластические удлинения крайних фибр шпангоутов превышают нормативные ограничения.

В качестве ближайшего аналога принято 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 при восприятии интенсивных локальных нагрузок, т.к. зона обрушения может локализироваться между стрингерами и сопровождаться завалом шпангоутов. Другим недостатком является то, что установка бортовых стрингеров сопряжена со значительными трудозатратами, обусловленными необходимостью выполнения большого числа вырезов в бортовых стрингерах и их перевязки кничными соединениями со шпангоутами.

Изобретение решает задачу снижения трудоемкости изготовления бортового перекрытия за счет использования струн вместо стрингеров и повышения несущей способности бортового перекрытия при восприятии интенсивных локально распределенных нагрузок за счет использования для поддержания шпангоутов реактивных сил системы струн, в которой струны с заданным поперечным сечением установлены поверх шпангоутов и закреплены на них на заданном расстоянии друг от друга.

Для решения поставленной задачи в известном бортовом перекрытии судна, содержащем полотнище наружной обшивки, шпангоуты, предлагается поверх шпангоутов установить систему струн, в которой струны расположить на заданном расстоянии друг от друга и прикрепить к полкам шпангоутов. Причем площадь поперечного сечения струны и расстояние между ними предлагается определять по формулам:

где F - площадь поперечного сечения струны;

σ_T - предел текучести материала струны;

K - осредненный коэффициент жесткости основания шпангоута, определенный как ;

l_обр - размеры зоны обрушения шпангоута как безопорной балки, лежащей на многослойном основании;

а - поперечная шпация перекрытия;

w₀ - нормативный прогиб шпангоута;

q_max - максимальная реакция основания для шпангоута как безопорной балки, лежащей на многослойном упруго-пластическом основании, при образовании кинематически изменяемого механизма;

w_max - максимальный прогиб для шпангоута как безопорной балки, лежащей на многослойном упругопластическом основании, при образовании кинематически изменяемого механизма;

C_n - численный коэффициент, зависящий от числа устанавливаемых струн;

n - число струн, приходящихся на зону обрушения шпангоута, ограниченную внешними пластическими шарнирами;

b - расстояние между струнами.

После образования кинематически изменяемого механизма в безопорном шпангоуте из условия равновесия звена можно записать:

где P₀ - нагрузка, соответствующая образованию в шпангоуте кинематически изменяемого механизма;

М₀ - предельный момент шпангоута.

Тогда условие равновесия обрушившегося звена шпангоута при наличии трех струн можно записать в виде

где C_n - коэффициент, зависящий от количества струн n, приходящихся на зону обрушения, в данном случае для трех струн С₃=0.5.

Варьируя количеством струн в зоне обрушения и подставляя соответствующие им реакции в уравнение равновесия можно получить серию значений коэффициента C_n, что представлено в таблице.

В предлагаемом техническом решении шпангоуты, на которые действует эксплуатационная нагрузка, поддерживаются помимо распределенных реактивных усилий со стороны полотнища наружной обшивки дополнительными реакциями системы струн, благодаря чему нагрузка, которую шпангоут может воспринять до образования в нем кинематически изменяемого механизма, повышается по сравнению с нагрузкой в ближайшем аналоге, а прогибы шпангоутов и максимальные пластические удлинения в шарнире ограничиваются нормативными значениями.

На прилагаемых графических материалах изображено:

на фиг.1 представлен общий вид перекрытия;

на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;

на фиг.3 - разрез Б-Б на фиг.1;

на фиг.4 - кривые несущей способности шпангоутов.

На графических материалах приняты следующие обозначения:

1 - полотнище наружной обшивки;

2 - шпангоуты;

3 - струны;

l_обр - размеры зоны обрушения шпангоута как безопорной балки, лежащей на многослойном основании (Бураковский П.Е. Учет жесткости обшивки при деформировании связей судовых бортовых перекрытий, воспринимающих интенсивные локальные нагрузки // Сборник трудов ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова. - СПб, 2008. - Вып. 41(325). - С.157-170);

b - расстояние между стрингерами или струнами;

P₂ - нагрузка, соответствующая образованию кинематически изменяемого механизма в шпангоуте;

P₀ - нагрузка, соответствующая образованию кинематически изменяемого механизма в безопорном шпангоуте;

I - кривая, соответствующая несущей способности локально загруженного шпангоута бортового перекрытия со стрингерами (см. ближайший аналог Барабанов Н.В. Конструкция корпуса морских судов. - Л.: Судостроение, 1981. - 552 с., с.42-43, рисунок 8 «г»), причем нагрузка приложена в середине пролета шпангоута между стрингерами;

II - линия, соответствующая несущей способности локально загруженного безопорного шпангоута (см. аналог Барабанов Н.В. Конструкция корпуса морских судов. - Л.: Судостроение, 1981. - 552 с., с.42-43, рисунок 8 «а»);

III - кривая, соответствующая предлагаемой конструкции;

Д - точка, соответствующая несущей способности шпангоута бортового перекрытия, набранного по Правилам Регистра для ледовой категории ЛУ4;

Е - точка, соответствующая максимуму несущей способности предлагаемой конструкции.

Конструкция бортового перекрытия состоит из полотнища наружной обшивки 1 с установленными на ней шпангоутами 2 и струнами заданных размеров 3, установленными поверх шпангоутов на определенном расстоянии друг от друга.

Бортовое перекрытие работает следующим образом. Внешняя интенсивная локально распределенная нагрузка воспринимается шпангоутом 2, который лежит на некотором упругопластическом основании, роль которого выполняет полотнище наружной обшивки 1. При последовательном увеличении нагрузки в шпангоуте появляется сначала один пластический шарнир под силой, а затем два внешних боковых пластических шарнира, в результате чего шпангоут превращается в кинематически изменяемый механизм. Однако прогибы шпангоута не растут неограниченно, как это предусматривает теория предельного состояния, так как внешняя нагрузка уравновешивается реакциями сил поддержания со стороны полотнища наружной обшивки 1, которые в этом случае существенно растут за счет увеличения зоны обрушения, и реакциями, возникающими в точках пересечения шпангоутов 2 со струнами 3. Повышение несущей способности шпангоутов достигается при этом за счет дополнительных поддерживающих реактивных усилий со стороны струн. Результаты расчетного анализа приведены на фиг.4.

Оценка несущей способности локально загруженных элементов конструкции выполнена с учетом развитых упругопластических деформаций. Концепция нормирования местной прочности (Сборник нормативно- методических материалов. - Санкт-Петербург, Российский морской регистр судоходства, 2002. - 149 с.) допускает развитие ограниченных пластических деформаций. При этом прогибы шпангоутов в зоне обрушения становятся весьма значительными, что делает необходимым учет сил реакций взаимодействия обрушившихся шпангоутов и полотнища наружной обшивки, выполняющего роль некоторого упругопластического основания, поддерживающего обрушившиеся звенья конструкции (Бураковский П.Е. Учет жесткости обшивки при деформировании связей судовых бортовых перекрытий, воспринимающих интенсивные локальные нагрузки // Сборник трудов ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова. - СПб., 2008. - Вып. 41(325). - С.157-170). Результат проведенного анализа представлен на фиг.4, где кривая I соответствует несущей способности локально загруженного шпангоута бортового перекрытия со стрингерами с нагрузкой, приложенной в середине пролета шпангоута между стрингерами (ближайший аналог - Барабанов Н.В. Конструкция корпуса морских судов. - Л.: Судостроение, 1981. - 552 с., с.42-43, рисунок 8 «г»). Перемещая опору шпангоута, роль которой выполняет бортовой стрингер и прикладывая интенсивную локальную нагрузку в середине пролета между стрингерами, получаем изменение несущей способности шпангоута. Точка Д на кривой I соответствует несущей способности шпангоута бортового перекрытия, набранного по Правилам Регистра для ледовой категории ЛУ4.

Прямая линия II на фиг.4 соответствует несущей способности локально загруженного безопорного шпангоута, лежащего на полотнище наружной обшивки, для той же самой конструкции бортового перекрытия судна водоизмещением 543 т ледовой категории ЛУ4, но без стрингеров (см. Барабанов Н.В. Конструкция корпуса морских судов. - Л.: Судостроение, 1981. - 552 с., с.42-43, рисунок 8 «а»).

Кривая III соответствует предлагаемой конструкции. При этом максимум несущей способности ее определяется точкой Е на кривой III, которая показывает увеличение несущей способности предлагаемой конструкции по сравнению с конструкцией ближайшего аналога, содержащей бортовые стрингеры и набранной по Правилам Регистра, примерно на 10%. При этом и прогибы, и максимальные относительные пластические деформации в предлагаемой конструкции не превышают нормативных ограничений. Кроме того, трудоемкость изготовления предлагаемой конструкции меньше, чем конструкции ближайшего аналога, набранной по Правилам Регистра. Так, для предлагаемой конструкции, которой соответствует точка Е на фиг.4, на установку струн требуется около 3 нормо-часов, а на установку стрингеров в конструкции ближайшего аналога (ей соответствует точка Д на фиг.4) около 7.4 нормо-часов (при длине перекрытия 10 м). Поэтому более предпочтительным является использование в практике судостроения предлагаемой конструкции бортового перекрытия, так как для большинства судов основной источник повреждений - это восприятие интенсивных локально распределенных нагрузок.

Предлагается оптимальные параметры системы струн, при которых обеспечивается эффективное поддержание шпангоутов, определять по формулам:

где F - площадь поперечного сечения струны;

σ_T - предел текучести материала струны;

K - осредненный коэффициент жесткости основания шпангоута, определенный как ;

l_обр - размеры зоны обрушения шпангоута как безопорной балки, лежащей на многослойном основании (Бураковский П.Е. Учет жесткости обшивки при деформировании связей судовых бортовых перекрытий, воспринимающих интенсивные локальные нагрузки // Сборник трудов ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова. - СПб., 2008. - Вып. 41(325) - С.157-170);

а - поперечная шпация перекрытия;

w₀ - нормативный прогиб шпангоута;

q_max - максимальная реакция основания для шпангоута как безопорной балки, лежащей на многослойном упругопластическом основании, при образовании кинематически изменяемого механизма;

w_max - максимальный прогиб для шпангоута как безопорной балки, лежащей на многослойном упругопластическом основании, при образовании кинематически изменяемого механизма;

C_n - численный коэффициент, зависящий от числа устанавливаемых струн;

n - число струн приходящихся на зону обрушения шпангоута, ограниченную внешними пластическими шарнирами;

b - расстояние между струнами.

Конкретный пример определения параметров струн

Рассмотрим бортовое перекрытие со шпацией а=0,6 м, обшивкой толщиной 11 мм, и шпангоутами из несимметричного полособульба №20, предел текучести материала σ_T=235 МПа. Тогда для данного перекрытия:

l_обр=3.31 м;

P₀=581 кН;

;

w_max=52 мм.

Из условия ограничения максимальных относительных пластических удлинений в шарнире величиной 4%, не превышающей нормативных значений (Максимаджи А.И., Беленький Л.М., Брикер А.С., Неугодов А.Ю. Оценка технического состояния корпусов морских судов. - Л.: Судостроение, 1982. - 156 с., с.132), для данного перекрытия w₀=43 мм. В зависимости от устанавливаемого числа струн n по соответствующим формулам может быть определена необходимая площадь поперечного сечения струн, при этом следует учитывать технологические возможности предприятия, на котором изготавливается конструкция.

Пусть n=3, тогда:

принимается b=1.6 м.

Если n=5, то

принимается b=0.8 м.

Если n=7, то

принимается b=0.6 м.

В первом случае на установку струн потребуется 1.8, во втором - 3, в третьем 4.2 нормо-часа (при длине перекрытия 10 м), несущая способность при этом повышается более чем на 4% по сравнению с конструкцией ближайшего аналога, где установку стрингеров требуется 7.4 нормо-часа. Таким образом, установка системы струн обеспечивает несущую способность бортового перекрытия с учетом требуемых ограничений максимальных пластических удлинений материала шпангоутов при одновременном существенном снижении трудозатрат за счет отказа от установки бортовых стрингеров.