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, 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 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. Кроме того, струны лишь препятствуют завалу набора, но не поддерживают полотнище наружной обшивки, что может привести к его повреждению интенсивными локально распределенными эксплуатационными нагрузками.

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 принято бортовое перекрытие судна, содержащее полотнище наружной обшивки и шпангоуты, поверх которых установлена система струн, в которой струны расположены на заданном расстоянии друг от друга и прикреплены к полкам шпангоутов (RU №2472665, МПК В63В 3/14, В63В 3/26, опубл. 20.01.2013 г.).

Конструкция этого перекрытия 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 струн повышается несущая способность шпангоутов и перекрытия в целом, однако при действии сильно локализованных нагрузок в пределах одной шпации (например, нагрузки от битого льда) вся нагрузка будет восприниматься пластиной обшивки, которая не поддерживается струнами, что может привести к существенному росту прогибов в наружной обшивке и ее разрушению.

Изобретение решает задачу повышения несущей способности наружной обшивки 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 решения поставленной задачи в бортовом перекрытии судна, содержащем наружную обшивку, шпангоуты, струны, расположенные на заданном расстоянии друг от друга и закрепленные на полках шпангоутов, предлагается в середине каждого пролета наружной обшивки параллельно шпангоутам на струнах закрепить полосу, на которую опирается опора, выполненная из упругого бруса. Заданную несущую способность наружной обшивки предлагается обеспечить подбором определяющих реакцию опоры параметров упругого бруса, струн и расстояния между струнами.

В предлагаемом техническом решении наружная обшивка помимо реакций со стороны шпангоутов поддерживается реактивной силой в середине пролета, действующей со стороны опоры, состоящей из упругого бруса, поддерживаемого системой струн, в результате чего прогибы наружной 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 - разрез Б-Б на фиг. 1;

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

На графических материалах приняты следующие обозначения:

1 - обшивка наружная;

2 -шпангоут;

3 - струна;

4 - полоса;

5 - брус упругий;

b - расстояние между струнами, м;

b_c - ширина струны, м;

h_c - толщина струны, м;

b_б - ширина упругого бруса, м;

h_б - высота упругого бруса, м;

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

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

А - зависимость нагрузка - прогиб для пластины наружной обшивки в конструкции ближайшего аналога;

В - зависимость нагрузка - прогиб для пластины наружной обшивки с опорой предлагаемой конструкции при b=0,8 м, h_c=0,02 м;

С - зависимость нагрузка - прогиб для пластины наружной обшивки с опорой предлагаемой конструкции при b=0,4 м, h_c=0,02 м;

D - зависимость нагрузка - прогиб для пластины наружной обшивки с опорой предлагаемой конструкции при b=0,4 м, h_c=0,025 м.

Конструкция бортового перекрытия состоит из наружной обшивки 1 с установленными на ней шпангоутами 2 и содержит струны 3, закрепленные на полках шпангоутов 2. В середине пролета наружной обшивки 1 установлен упругий брус 5, опирающийся на полосу 4, закрепленную на струнах 3.

Бортовое перекрытие работает следующим образом. Внешняя интенсивная локально распределенная нагрузка воспринимается наружной обшивкой 1 и передается на шпангоуты 2, а также на опору, установленную в середине пролета пластины наружной обшивки 1 и состоящую из упругого бруса 5, опирающегося на полосу 4, закрепленную на струнах 3. Струны 3, закрепленные на полках шпангоутов 2, не только входят в состав опоры наружной обшивки 1, но и повышают несущую способность шпангоутов 2.

Повышение несущей способности наружной обшивки 1 достигается за счет создания в середине пролета пластины наружной обшивки 1 реактивных усилий, близких к сосредоточенной силе. За счет изменения характеристик упругого бруса (модуль упругости первого рода Е, высота упругого бруса h_б, ширина упругого бруса b_b) и струн (материал, толщина струны h_c, ширина струны b_c, расстояние между струнами b) может быть обеспечена требуемая степень повышения несущей способности наружной обшивки 1.

Жесткостные характеристики опоры зависят как от жесткости упругого бруса 5, так и от жесткости системы струн 3, при этом оба элемента включаются в работу одновременно. При определении жесткостных характеристик опоры можно считать, что упругий брус 5 и система струн 3 выполняют роль упруго-пластических оснований для центральной части прогнувшейся пластины наружной обшивки 1, а коэффициенты жесткости этих оснований на первой стадии деформирования равны K_б и K_с соответственно. С увеличением нагрузки жесткость этих

оснований будет изменяться за счет перехода в пластическую стадию деформирования.

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

где

b_б - ширина упругого бруса, м;

h_б - высота упругого бруса, м;

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

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

Для определения характеристик упруго-пластического основания, создаваемого системой струн 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 данном случае из струны 3 следует выделить балку-полоску длиной в одну шпацию перекрытия и рассмотреть ее деформирование под действием сосредоточенной силы в середине пролета. После построения зависимости сила - прогиб для такой балки-полоски и ее аппроксимации могут быть определены характеристики упруго-пластического основания, которым является такая 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_c, создаваемого системой струн для центральной части прогнувшейся пластины наружной обшивки 1, может быть определен уз условия

где

b_c - ширина струны, м;

b - расстояние между струнами, м;

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

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 струн) 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 наружной обшивки шириной s, может быть определена из выражения

если или

если где

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

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

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

b - расстояние между струнами, м;

b_c - ширина струны, м;

b_б - ширина упругого бруса, м;

h₆ - высота упругого бруса, м;

σ_T - 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 струны, 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 струны, 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 0,6 м и толщиной обшивки 0,01 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 наружной 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_c=0,02 м (кривая В); при b=0,4 м, h_c=0,02 м (кривая С) и b=0,4 м, h_c=0,025 м (кривая D). 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 наружную обшивку 1, реализация предлагаемой конструкции с указанными выше параметрами позволяет снизить прогибы наружной обшивки 1 почти на 30%. При соответствующем выборе жесткости опоры, состоящей из упругого бруса 5, опирающегося на полосу 4, закрепленную на струнах 3, может быть обеспечена любая заданная степень повышения несущей способности наружной обшивки 1.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет, в отличие от ближайшего аналога, наряду с повышением несущей способности шпангоутов существенно повысить несущую способность наружной обшивки, а также снизить риск ее разрушения при действии интенсивных локально распределенных эксплуатационных нагрузок.