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 наружную обшивку, 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 том, что при воздействии локальных интенсивных нагрузок, действующих на борта судов в процессе их эксплуатации в ледовых условиях, интенсивно деформируются пластины наружной обшивки борта в районе переменной ватерлинии с образованием гофров со стрелками прогиба, зачастую существенно превышающими нормативные значения. Это вызывает необходимость проведения ремонта бортовых конструкций с целью ликвидации последствий тяжелой эксплуатации судна одним из известных методов, например, методом замены, методом подкреплений и т.д. Но любой из этих методов ремонта требует больших затрат трудовых и материальных ресурсов, значительно увеличивает металлоемкость судовых конструкций, увеличивает сроки простоя судов в ремонте, что резко снижает эффективность эксплуатации судов различного назначения.

Известна конструкция перекрытия корпуса судна, содержащего наружную обшивку с присоединенным к ней упругим заполнителем и внутреннюю обшивку, между которыми в направляющих установлены амортизирующие пружины, причем соединение наружной и внутренней обшивки осуществляется за счет присоединенных к ним изогнутых пластин, между которыми помещены эластичные трубки с рабочей средой с возможностью регулировки давления (Патент на изобретение KR 20160008737, МПК В63В 3/16, В63В5/00, опубл. 25.01.2016 г.).

Недостатками данной конструкции является высокая трудоемкость ее изготовления, а также потеря полезного объема трюма из-за невозможности использования пространства между наружной и внутренней обшивкой.

Известно бортовое перекрытие, содержащее наружную обшивку, а также упругую прослойку, установленную с внутренней стороны перекрытия, причем между наружной обшивкой и упругой прослойкой установлена эластичная емкость, наполненная жидкостью, а емкость выполнена с возможностью регулирования давления внутри нее (Патент РФ на изобретение №2472666, МПК В63В 3/14, опубл. 20.01.2013 г.).

Недостатком данной конструкции является высокая материалоемкость, так как упругая прослойка установлена в пределах всей шпации, значительный вес, а также потеря полезного объема трюма вследствие заполнения пространства между балками на всю их высоту при установке упругой прослойки и эластичной емкости.

В качестве ближайшего аналога принято 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 (Патент РФ на изобретение №2463197, МПК В63В 3/14, В63В 3/26, опубл. 10.10.2012 г.).

Существенным недостатком данной конструкции является невозможность регулировки в процессе эксплуатации сил поддержания, действующих на наружную обшивку со стороны упругой опоры, что может привести к недопустимому росту прогибов наружной обшивки и ее разрушению, так как в процессе эксплуатации наружная обшивка подвергается интенсивному износу и истиранию, особенно в районе переменной ватерлинии и штатной кранцевой защиты.

Изобретение решает задачу предотвращения образования недопустимых прогибов наружной обшивки бортового перекрытия и ее разрушения при восприятии внешних нагрузок в процессе эксплуатации судна, за счет выполнения упругой опоры, поддерживающей наружную обшивку, регулируемой и с учетом максимальной степени повышения несущей способности пластины.

Для решения поставленной задачи в бортовом перекрытии судна, состоящем из наружной обшивки, подкрепленной шпангоутами и стрингерами, упругой опоры, установленной с внутренней стороны перекрытия параллельно шпангоутам в середине пролета пластины, включающей полосу, прикрепленную к основаниям смежных шпангоутов оттяжками заданного сечения F, установленными с заданным интервалом b, предлагается наружную обшивку и полосу оснастить направляющими, между которыми установить с возможностью регулировки давления рабочей среды эластичную емкость. Максимальное давление ртах рабочей среды в эластичной емкости предлагается определять с учетом заданной степени повышения несущей способности пластины по формуле:

где

Р_max - максимальное давление рабочей среды в эластичной емкости, Па;

F - площадь поперечного сечения оттяжки, м²;

[σ] - допускаемые нормальные напряжения в материале оттяжки, Па;

h - высота эластичной емкости в недеформированном состоянии, м;

- длина пролета пластины наружной обшивки, м;

d- ширина эластичной емкости, м;

b - расстояние между оттяжками, м.

В предлагаемом техническом решении нагрузка, воспринимаемая наружной обшивкой, передается на упругую опору, в состав которой входит эластичная емкость, заключенная между направляющими, установленными на наружной обшивке в середине пролета пластины и на полосе, и посредством оттяжек нагрузка передается на смежные шпангоуты. Это приводит к тому, что пластина наружной обшивки поддерживается силой реакции, величина которой может регулироваться за счет изменения давления в эластичной емкости. При этом указанная сила действует в середине пролета, что существенным образом повышает несущую способность пластины наружной обшивки, так как изменение силовых факторов в средней части пролета существенным образом изменяет параметры изгиба.

На прилагаемых графических материалах изображено:

на фиг. 1 - общий вид бортового перекрытия;

на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1;

на фиг. 3 - расчетная схема подкрепленной пластины наружной обшивки;

на фиг. 4 - график зависимости нагрузка - прогиб для пластины наружной обшивки при различных вариантах исполнения промежуточной опоры с учетом изменения толщины пластины вследствие износа.

На графических материалах приняты следующие обозначения:

1 - обшивка наружная;

2 - шпангоут;

3 - стрингер бортовой;

4 - оттяжка;

5 - полоса;

6 - направляющая;

7 - емкость эластичная;

8 - среда рабочая;

ƒ - стрелка прогиба пластины, м;

q - интенсивность внешней нагрузки, действующей на пластину наружной обшивки 1, Па;

р - давление рабочей среды 8 в эластичной емкости 7, Па;

Т - продольное усилие, возникающее в балке-полоске пластины наружной обшивки 1 при ее нагружении, Н;

- коэффициент опорной пары балки-полоски пластины наружной обшивки 1;

s - ширина балки-полоски пластины наружной обшивки 1, м;

d - ширина эластичной емкости 7, м;

- длина пролета пластины наружной обшивки 1, м;

а - половина ширины пятна контакта внешней интенсивной локально распределенной нагрузки, м;

А - зависимость нагрузка - прогиб для неподкрепленной пластины без износа;

В - зависимость нагрузка - прогиб для пластины без износа с промежуточной упругой опорой с податливостью 2⋅10^-5 м/Н согласно конструкции ближайшего аналога;

С - зависимость нагрузка - прогиб для пластины без износа с промежуточной упругой опорой предлагаемой конструкции при p=0,4⋅q;

D - зависимость нагрузка - прогиб для пластины с износом 30% с промежуточной упругой опорой с податливостью 2⋅10^-5 м/Н согласно конструкции ближайшего аналога;

Е - зависимость нагрузка - прогиб для пластины с износом 30% с промежуточной упругой опорой предлагаемой конструкции при р=1,6⋅q.

Конструкция бортового перекрытия состоит из наружной обшивки 1 с установленными на ней шпангоутами 2 и бортовыми стрингерами 3. С внутренней стороны на наружной обшивке 1 в середине пролета и на полосе 5 установлены направляющие 6, между которыми заключена эластичная емкость 7 с рабочей средой 8. Полоса 5 прикреплена к основаниям смежных шпангоутов при помощи оттяжек 4.

Бортовое перекрытие работает следующим образом. Внешнюю нагрузку воспринимает наружная обшивка 1, в результате чего она прогибается между шпангоутами 2, действуя на упругую опору, состоящую из эластичной емкости 7 с рабочей средой 8, заключенной между направляющими 6, установленными на наружной обшивке 1 в середине пролета пластины и на полосе 5, далее посредством оттяжек 4 нагрузка передается на смежные шпангоуты 2. При деформации наружной обшивки 1 давление рабочей среды 8 в эластичной емкости 7 растет, в результате чего увеличивается и сила, поддерживающая наружную обшивку 1. Таким образом, наружная обшивка 1 при действии внешней нагрузки поддерживается силой, близкой к сосредоточенной, приложенной в середине пролета, что способствует существенному повышению несущей способности пластины. Меняя параметры подкрепляющих элементов (площадь сечения оттяжек 4, расстояние между оттяжками 4, площадь контакта эластичной емкости 7 и наружной обшивки 1, начальное давление и вид рабочей среды 8) можно изменять податливость опор в широком диапазоне и тем самым добиться ограничения роста стрелок прогибов пластин на требуемом уровне. Кроме того, предлагаемая конструкция позволяет изменять податливость упругой опоры и, как следствие, величину силы поддержания в процессе эксплуатации судна и в процессе нагружения наружной обшивки 1 за счет изменения давления рабочей среды 8 в эластичной емкости 7.

Для выбора размеров подкрепляющих элементов строится зависимость нагрузка - прогиб для неподкрепленной пластины, а также для пластины, в середине пролета которой установлена опора предлагаемой конструкции, при этом давление рабочей среды 8 в эластичной емкости 7 варьируется. Указанные зависимости могут быть получены, например, в соответствии с (Бураковский Е.П., Бураковский П.Е., Нечаев Ю.И., Прохнич В.П. Эксплуатационная прочность корпусов промысловых судов: учеб. пособие - СПб.: Арт-Экспресс, 2012. - 392 с.) в рамках гипотезы «мгновенного раскрытия пластических шарниров», также подобные кривые могут быть построены с использованием других методов расчета, например, метода конечного элемента.

В случае использования в качестве рабочей среды 8 жидкости, замкнутой в эластичной емкости 7 без регулирования давления, при цилиндрическом изгибе пластины наружной обшивки 1 можно считать, что податливость опоры определяется только системой оттяжек 4 вследствие малой сжимаемости жидкости. В том случае, если используется газ под давлением, то податливость опоры будет определяться деформационными характеристиками системы оттяжек 4 и податливостью эластичной емкости 7 с газом при ее деформировании. Поэтому в зависимости от того, на какую величину требуется уменьшить прогибы пластины наружной обшивки 1, выбирается площадь сечения оттяжек 4, расстояние между ними, а также высота, ширина эластичной емкости 7 и начальное давление газа в ней для обеспечения требуемой податливости опоры. Следует заметить, что при подкреплении недеформированных пластин наружной обшивки 1 посредством установки достаточно жестких подкрепляющих элементов пролет пластины уменьшается в два раза, а это будет соответствовать уменьшению стрелок прогиба пластин в 4 раза, т.к. прогибы пластин пропорциональны квадрату поперечной шпации.

При этом наибольшей эффективности при реализации предлагаемой конструкции можно добиться в том случае, если регулировать давление рабочей среды 8 в эластичной емкости 7 по заданному закону в зависимости от величины внешней эксплуатационной нагрузки, действующей на наружную обшивку 1. При этом пластина наружной обшивки 1 будет поддерживаться в середине пролета реактивными усилиями заданной величины со стороны эластичной емкости 7. Такие же усилия должны восприниматься и системой оттяжек 4, что должно учитываться при выборе площади поперечного сечения оттяжки 4 и расстояния между оттяжками 4.

Необходимое по условиям эксплуатации максимальное давление рабочей среды 8 в эластичной емкости 7 определяется в зависимости от требуемой степени повышения несущей способности пластины. При этом значения параметров устанавливаемых оттяжек 4 (площадь поперечного сечения оттяжки 4, расстояние между оттяжками 4) определяются из условия восприятия ими усилий со стороны эластичной емкости 7 с регулируемым давлением для случая создания максимального давления р_max (Па) с использованием следующего условия:

где

Р_max - максимальное давление рабочей среды в эластичной емкости, Па;

F - площадь поперечного сечения оттяжки, м²;

[σ] - допускаемые нормальные напряжения в материале оттяжки, Па;

h - высота эластичной емкости в недеформированном состоянии, м;

- длина пролета пластины наружной обшивки, м;

d - ширина эластичной емкости, м;

b - расстояние между оттяжками, м.

В качестве примера реализации предлагаемой конструкции рассмотрим бортовое перекрытие с поперечной шпацией 0,6 м и толщиной обшивки t=0,02 м, таким образом, длина пролета пластины наружной обшивки =0,6 м. Пусть коэффициент распора пластины Кр=0,4, коэффициент опорной пары балки-полоски пластины наружной обшивки =0,3. Так как основной причиной повреждений бортовых перекрытий судов является действие интенсивных локально распределенных нагрузок, то за расчетную нагрузку целесообразно принять отпечаток шириной 2⋅a=0,3 м, приложенный в середине пролета пластины (фиг. 3). На расчетной схеме также показаны поддерживающие пластину усилия со стороны опоры предлагаемой конструкции, установленной в середине пролета и содержащей эластичную емкость шириной d=0,1 м.

На фиг. 4 представлены зависимости нагрузка - прогиб для неподкрепленной пластины наружной обшивки 1 без износа (кривая А), а также зависимости нагрузка - прогиб для той же пластины для случая установки промежуточной опоры согласно конструкции ближайшего аналога с податливостью опоры 2⋅10^-5 м/Н (кривая В) и предлагаемой конструкции при р=0,4⋅q (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 корпусов промысловых судов: учеб. пособие. - СПб.: Арт-Экспресс, 2012. - 392 с.). Параметры подкрепляющих элементов выбраны такими, что для пластины без износа конструкция ближайшего аналога и предлагаемая конструкция обеспечивают равную степень повышения несущей способности по сравнению с неподкрепленной пластиной (кривая А). Также на фиг. 4 представлены зависимости для случая 30% уменьшения толщины пластины наружной обшивки вследствие износа. Видно, что для конструкции ближайшего аналога (кривая D), податливость опоры в которой не может регулироваться в процессе эксплуатации судна, имеет место существенный рост прогибов не только по сравнению с ее первоначальным состоянием (кривая В), но и даже по отношению к неподкрепленной пластине без износа (кривая А). Предлагаемая конструкция позволяет компенсировать негативное влияние износа пластины наружной обшивки за счет повышения давления в эластичной емкости. В частности, кривая Е соответствует 30% уменьшению толщины пластины наружной обшивки и р=1,6⋅q. Видно, что при малых нагрузках прогибы пластины соответствуют исходному состоянию конструкции, при больших же нагрузках наблюдается уменьшение прогибов по сравнению с другими кривыми на фиг. 4.

Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет предотвратить образование недопустимых прогибов наружной обшивки бортового перекрытия в процессе эксплуатации судна и избежать ее разрушения, регулируя силы поддержания, действующие на наружную обшивку со стороны упругой опоры, что не обеспечивается техническим решением, описанным в ближайшем аналоге. Предлагаемое изобретение позволяет существенно повысить несущую способность наружной обшивки бортовых перекрытий судов при действии интенсивных локально распределенных нагрузок, таких, как ледовые, нагрузки от кранцев при швартовке и т.д., а также компенсировать снижение прочности наружной обшивки вследствие износа в процессе эксплуатации.