Бортовое перекрытие

Бортовое перекрытие

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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, набор продольный (бортовые стрингеры) и поперечный (шпангоуты) (Барабанов Н.В. Конструкция корпуса морских судов. Л., Судостроение, 1981. - 551 с.).

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 судоремонтного производства, увеличивает сроки простоя судов в ремонте, что резко снижает эффективность эксплуатации судов различного назначения.

Известно бортовое перекрытие корпуса судна (А.с. СССР №335146, МПК В63В 3/14, 59/02, опубл. 01.01.1972 г.), содержащее наружную обшивку, ограничивающую емкость с эластичными перегородками, частично заполненную жидкостью, где с целью повышения ее ударостойкости при эксплуатации судна эластичные перегородки расположены горизонтально и выполнены с перепускными клапанами, сообщающими между собой отсеки емкости, на которые последняя разделена этими перегородками, а наружная обшивка выполнена трехслойной с упругим заполнителем.

К недостаткам вышеописанного технического решения можно отнести:

- громоздкость (использование больших внутренних объемов судна под систему амортизации борта крайне нежелательно, т.к. внутренних объемов помещений корпуса судна, как правило, не хватает для удовлетворения нормальных условий производственной деятельности экипажа);

- наличие больших цистерн с жидкостью почти по всей длине бортов судна приводит к существенному повышению центра тяжести судна, что крайне отрицательно сказывается на остойчивости судна, усугубляемой еще и наличием свободных поверхностей;

- увеличение осадки судна за счет лишнего балласта в бортовых цистернах и, как следствие, потеря в скорости судна и увеличение расхода топлива;

- сложность и низкая надежность работы амортизационной системы борта в целом ввиду наличия в его конструкции клапанов сложной конструкции;

- невозможность восприятия сильно локализованных нагрузок (например, ледовых) без существенных повреждений, т.к. невозможно обеспечить при данной конструкции бортового перекрытия одновременное восприятие нагрузки большой величины, распределенной по значительной площади (нагрузки от кранца), и сильно локализованной нагрузки (ледовой) при большой ее интенсивности, когда степень локализации достигает практически одной шпации;

- сложность проведения ремонтных работ в замкнутом объеме;

- очень сильная ослабленность ширстречного узла, что при очередном навале в его районе вызовет его сжатие;

- увеличенная металлоемкость системы бортовой защиты в целом.

В качестве ближайшего аналога принято бортовое перекрытие судна, подкрепленное набором (А.с. СССР №1172813, МПК В63В 3/14, В63В 59/02, опубл. 15.08.1985 г.), включающее упругую прослойку, установленную с внутренней стороны перекрытия, опирающуюся по контуру шпации на внутреннюю полость полок набора.

К недостаткам конструкции можно отнести невысокую несущую способность пластин обшивки бортового перекрытия из-за неполного использования возможностей упругой прослойки, поддерживающей пластины обшивки. Резервы прочности упругой прослойки обусловлены тем, что характер деформирования пластин и упругой прослойки различен: пластина обшивки имеет косинусоидальную упругую линию, а упругая прослойка - синусоидальную. Это приводит к тому, что контакт между пластинами обшивки и упругой прослойкой является точечным, что значительно снижает несущую способность этой прослойки, ведет к нерациональному использованию материала прослойки и к повышенной металлоемкости бортового перекрытия.

Изобретение решает задачу повышения несущей способности упругой прослойки и пластин обшивки бортового перекрытия судна за счет увеличения площади контакта между ними.

Для решения поставленной задачи в известном бортовом перекрытии судна, состоящем из бортовой обшивки, подкрепленной набором, упругой прослойки, установленной с внутренней стороны перекрытия, опирающейся по контуру шпации на внутреннюю полость полок набора, предлагается между упругой прослойкой и бортовой обшивкой установить прокладку, причем оптимальную жесткость прокладки К и толщину прокладки h_пр определять по формулам

где К_з - коэффициент запаса;

W - момент сопротивления балки-полоски упругой прослойки;

а - шпация;

[σ] - допускаемые напряжения в материале упругой прослойки;

[f] - допускаемый нормативный прогиб пластины обшивки;

[ε_пр] - допустимые относительные деформации в материале прокладки.

В предлагаемом техническом решении нагрузка, воспринимаемая пластинами обшивки, благодаря прокладке передается на упругую прослойку, распределяясь по всей шпации. Это приводит к тому, что пластина, упругая линия которой имеет косинусоидальную форму, вместо точечного взаимодействия с упругой прослойкой, изгибающейся по синусоидальному закону, передает нагрузку через прокладку, что приводит к расширению зоны контакта и повышению несущей способности упругой прослойки.

На прилагаемых графических материалах изображено:

на фиг.1 - общий вид бортового перекрытия судна;

на фиг.2 - разрез Б-Б на фиг.1;

на фиг.3 - вид А на фиг.1;

на фиг.4 - диаграммы распределения напряжений в материале упругой прослойки при использовании конструкции перекрытия: по ближайшему аналогу - А; при использовании предлагаемой конструкции перекрытия с неоптимальной жесткостью прокладки - Б; при использовании предлагаемой конструкции перекрытия с оптимальной жесткостью прокладки - В.

На графических материалах приняты следующие обозначения:

1 - пластина обшивки; 2 - поперечный набор (шпангоуты); 3 - продольный набор (стрингеры); 4 - упругая прослойка; 5 - прокладка; а - шпация; с - участок, на котором по косинусу распределена нагрузка; - участок, на котором по косинусу распределена нагрузка в безразмерном виде; σ₀ - напряжения в материале упругой прослойки без прокладки; σ_c - напряжения в материале упругой прослойки при распределении нагрузки по косинусу на участке с; - напряжения в материале упругой прослойки при распределении нагрузки по косинусу на участке с в безразмерном виде.

Конструкция бортового перекрытия состоит из обшивки 1 с установленными на ней поперечными 2 (шпангоутами) и продольными 3 (стрингерами) связями. С внутренней стороны установлена упругая прослойка 4, опирающаяся на полки набора с внутренней стороны, а между упругой прослойкой и обшивкой установлена прокладка 5.

Бортовое перекрытие работает следующим образом. Внешнюю нагрузку воспринимает пластина 1, в результате чего она прогибается между балками набора, деформируя прокладку 5, которая передает нагрузку на упругую прослойку набора 4. Поскольку упругая прослойка при нагружении находится под действием не сосредоточенной, а распределенной нагрузки, то конструкция может выдержать большую внешнюю нагрузку, по сравнению с конструкцией ближайшего аналога, что иллюстрируется диаграммами Б и В на фиг.4, где приведены результаты расчета напряжений в материале упругой прослойки при использовании предлагаемой конструкции без определения оптимальной жесткости прокладки и с определением оптимальной жесткости соответственно. Диаграмма А иллюстрирует сосредоточенное нагружение упругой прослойки, т.е. без прокладки, как в ближайшем аналоге. Как подтверждают проведенные эксперименты, напряжения в материале упругой прослойки снижаются более чем на 30% при разнесении нагрузки на всю шпацию, которое происходит за счет использования прокладки оптимальной жесткости и толщины.

Оптимальные параметры прокладки, при которых обеспечивается эффективное разнесение контактной нагрузки на всю шпацию, определяются приведенными ниже формулами

где К_з - коэффициент запаса;

W - момент сопротивления балки-полоски упругой прослойки;

а - шпация;

[σ] - допускаемые напряжения в материале упругой прослойки;

[ƒ] - допускаемый нормативный прогиб пластины обшивки;

[ε_пр] - допустимые относительные деформации в материале прокладки.

Конкретный пример определения оптимальных параметров прокладки.

Рассмотрим бортовое перекрытие со шпацией 600 мм и высотой стенки шпангоута 80 мм. Пусть в качестве упругой прослойки используется доска из сосны толщиной 40 мм, коэффициент запаса примем равным 1,5. Тогда

W=2,67·10^-6 м³;

[σ]=10 МПа;

[ƒ]=0,0432 м.

В этом случае жесткость прокладки

Из конструкции перекрытия и толщины упругой прослойки следует, что толщина прокладки должна быть равна

h_пр=40 мм.

Тогда модуль упругости материала прокладки

где b₀=1 мм - единичная ширина балки-полоски прокладки;

F₀=1 мм² - единичный элемент площади прокладки.

В этом случае в качестве материала прокладки может быть выбран эластичный пенополиуретан марки ППУ-Э, обладающий секущим модулем - Е'=0,1 МПа. Для этого материала [ε_пр]=80%, следовательно,

Т.к. h_пр=0,04 м>0,036 м, то прокладка может быть изготовлена из эластичного пенополиуретана марки ППУ-Э.

Бортовое перекрытие судна, состоящее из бортовой обшивки, подкрепленной набором, упругой прослойки, установленной с внутренней стороны перекрытия, опирающейся по контуру шпации на внутреннюю полость полок набора, отличающееся тем, что между упругой прослойкой и бортовой обшивкой установлена прокладка, причем оптимальная жесткость К и толщина h_пр прокладки определена по формулам: где К_з - коэффициент запаса;W - момент сопротивления балки-полоски упругой прослойки;а - шпация;[σ] - допускаемые напряжения в материале упругой прослойки;[f] - допускаемый нормативный прогиб пластины обшивки;[ε_пр] - допустимые относительные деформации в материале прокладки.