Прочная межотсечная композитная переборка подводного объекта

Прочная межотсечная композитная переборка подводного объекта

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к судостроению, а именно к прочным корпусным конструкциям подводных объектов. Может быть использовано в различных областях техники, где требуется обеспечить восприятие плоской преградой одноразовых аварийных нагрузок при минимизации массовых характеристик преграды.

На сегодняшний день известен ряд слоистых конструкций, которые используются в области судостроения, строительства, машиностроения, предназначенных для повышения эксплуатационных свойств, надежности, живучести и защиты транспортных и стационарных устройств от несанкционированных воздействий, включая и террористические акты. Так, например:

- слоистая структура, содержащая прочный корпус, в котором размещена защита из теплостойкого материала и материала, изменяющего фазовое состояние и обладающего свойством поглощать тепло [1];

- слоистая баллистическая конструкция, содержащая ряд чередующихся n слоев, однонаправлено ориентированных баллистических волокон и m термопластических слоев [2];

- многослойная панель, которая содержит обшивки из сплошного листового материала, расположенные на расстоянии одна от другой, размещенный между обшивками сотовый заполнитель и, по меньшей мере, один промежуточный слой, размещенный в пространстве между обшивкой и сотовым заполнителем, скрепленный с ними и имеющий отношение массы к занимаемому им объему меньше, чем плотность обшивки, и больше, чем отношение массы сотового заполнителя к занимаемому им объему [3];

- слоистая обшивка судна, которая содержит в поперечном сечении, по крайней мере, два слоя, на границе лицевой и/или тыльной стороны одного из слоев и/или на одной из вершин одного из слоев сечения, часть линии границы сечения выполнена в виде фрагмента и/или комбинации фрагментов косого конического сечения прямого кругового конуса [4];

- слоистая конструкция корпуса судна, в несущих слоях стеклопластика которой на расстоянии не менее 1,5 мм от поверхности размещают один или более слоев двухкомпонентной бороалюминиевой ленты [5].

Все перечисленные конструкции не способны обеспечить герметичность и теплоизоляцию отсеков на подводных объектах в аварийных (форс-мажорных) условиях.

В настоящее время на подводных объектах (подводные лодки, подводные аппараты, стационарные подводные сооружения и т.п.) для обеспечения требуемого уровня живучести используются:

прочные плоские переборки, подкрепленные набором [6], [7];

прочные сферические безнаборные переборки [6], [7].

К недостаткам подкрепленной плоской переборки можно отнести высокие массовые характеристики, связанные с использованием подкрепляющего набора, обеспечивающего прочность и устойчивость полотна переборки.

В качестве прототипа выбрана прочная сферическая переборка, сущность которой изложена в работе Шемендюка Г.П., Петровича Ч.Ч. Проектирование конструкций корпуса подводных лодок. - Владивосток: ДГТУ, 2007, стр.141. Сферическая переборка состоит из: цельносварного полотна, выполненного в виде шарового сегмента, который по периметру крепится к утолщенной обечайке прочного корпуса подводного объекта, а также комингса переборочной двери, установленного в центральной части переборки. К ее недостаткам следует отнести:

- зависимость несущей способности от направления воздействия аварийного давления (со стороны вогнутости несущая способность сильно понижена, так как она ограничена предельной нагрузкой, отвечающей моменту потери устойчивости переборки, т.е. началу изгиба ее в обратном направлении [8]);

- потеря полезного пространства при размещении оборудования вблизи переборки;

- сложность технологии изготовления;

- высокая теплопроводность.

Задача изобретения - повышение живучести, снижение массовых характеристик прочной межотсечной переборки подводного объекта при обеспечении заданной несущей способности к восприятию аварийной и эксплуатационной нагрузки.

Это достигается исполнением межотсечной переборки в виде плоской многослойной конструкции, которая включает в себя полотно переборки, комингс переборочной двери в центральной части, жесткое опорное кольцо для крепления переборки к прочному корпусу, и отличается от прототипа тем, что полотно переборки изготовлено из набора несущих композитных слоев, скрепленных связующими прослойками, разрушающимися на начальном этапе изгиба, обеспечивая проскальзывание несущих композитных слоев относительно друг друга, при этом полотно переборки имеет нулевую начальную кривизну. Число несущих композитных слоев n определяется по формуле:

, где P - нагрузка, действующая на переборку в аварийной ситуации;

- приведенный модуль упругости материала несущего композитного слоя в радиальном направлении;

σ_∂ - допускаемые напряжения для несущих композитных слоев;

E_γ- модуль упругости материала несущих композитных слоев в радиальном направлении;

µ_γθ, µ_θγ - коэффициенты Пуассона материала несущих композитных слоев.

Удельная поверхностная энергия γ материала связующих прослоек должна быть менее значения, определенного по формуле:

, где: R - радиус полотна переборки;

H - общая толщина полотна переборки.

На внешней стороне наружных несущих композитных слоев нанесен слой из термостойкого материала, например армированного фуллереносодержащими наночастицами.

Техническим результатом изобретения является оптимальная конструкция прочной межотсечной переборки по теплостойкости, прочностным и массовым характеристикам. Основными преимуществами в сравнении с прототипом являются:

- меньшая масса при одинаковой несущей способности;

- независимость работоспособности предлагаемой конструкции от направления действия аварийного давления;

- возможность более эффективно использовать свободное пространство при размещении оборудования в непосредственной близости к переборке;

- высокая огнестойкость и низкая теплопроводность;

- простота технологии изготовления.

Изложенная сущность поясняется чертежами, на которых схематично изображена прочная межотсечная композитная переборка подводного объекта: общий вид - фиг.1 и ее сечение А-А - фиг.2.

На чертеже приняты следующие обозначения: 1 - несущие композитные слои; 2 - связующие прослойки; 3 - термостойкий слой; 4 - комингс переборочной двери; 5 - жесткое опорное кольцо для крепления к прочному корпусу.

Предлагаемая конструкция представляет собой многослойную пластину нулевой кривизны, состоящую из несущих композитных слоев 1, скрепленных между собой связующими прослойками 2 и внешних слоев из термостойкого материала 3. Несущие слои пластины 1 выполнены из композитного материала, например стеклопластика на основе эпоксидного связующего, армированного непрерывными прямолинейными волокнами, обеспечивающими либо ортотропию с осевой симметрией свойств - при ориентированной укладке, либо трансверсальную изотропию - при хаотичной укладке монослоев. В качестве прослоек 2 может применяться клеевое соединение, обеспечивающее монолитность конструкции. В центральной части переборки устанавливается комингс переборочной двери 4. Крепление переборки к прочному корпусу осуществляется через жесткое опорное кольцо 5. На внешнюю сторону наружных несущих слоев нанесены слои 3 из термостойкого материала, например армированный фуллереносодержащими наночастицами. Для этой цели может быть использован также углепластик на углеродной основе.

Устройство работает следующим образом. В процессе изгиба, при воздействии на переборку аварийного давления, на первом этапе она прогибается как монолитная конструкция и рассчитывается известным методом, основанным на гипотезе ломаной линии [9]. На втором этапе, когда действующие в связующих прослойках 2 касательные напряжения достигают значений предела прочности на сдвиг, материал связующих прослоек 2 разрушается и происходит проскальзывание несущих композитных слоев 1 относительно друг друга. Каждый несущий композитный слой 1 при этом работает независимо от других, как тонкая пластина мембранного типа, и испытывает поперечную нагрузку в n-раз меньшую (n - количество несущих слоев в пакете), чем нагрузка на конструкцию в целом.

Количество несущих композитных слоев в пакете выбирается из условий пренебрежимой малости (не более 5%) изгибных напряжений в несущих композитных слоях по сравнению с цепными напряжениями , т.е. . Изгибные и цепные напряжения с точностью до постоянного множителя определяются выражениями:

;

где: - максимальный прогиб в центре полотна переборки;

R - радиус переборки;

P - величина аварийного давления, действующего на переборку;

h - толщина несущего композитного слоя в пакете;

- приведенный модуль упругости материала несущего композитного слоя в радиальном направлении;

E_γ - модуль упругости материала несущего композитного слоя.

µ_γθ, µ_θγ - коэффициенты Пуассона материала несущих композитных слоев.

Исходя из условия обеспечения прочности, толщина полотна переборки H приближенно равна:

где: σ_∂ - допускаемые напряжения для несущих композитных слоев.

Используя приведенные выше зависимости, после простейших преобразований получим условие для числа несущих слоев n:

.

Однако этого требования недостаточно, необходимо чтобы изгибная жесткость композитного слоя D_c была величиной более высокого порядка малости по сравнению с изгибной жесткостью полотна как монолитной конструкции D_м:

или из этого следует ,

где - цилиндрическая жесткость несущего слоя толщиной h;

- цилиндрическая жесткость полотна в целом.

Таким образом, число несущих слоев должно быть:

, но не менее трех.

Например, для переработки, предназначенной для восприятия аварийного давления P=40 МП, несущие композитные слои 1 полотна которой изготовлены из волокнистого стеклопластика на эпоксидной основе с характеристиками , σ_∂=0,8·σ_в=400 МПа, где σ_в - предел прочности материала, число несущих слоев n=10.

Связующие прослойки 2 предназначены для обеспечения монолитности полотна переборки при воздействии нагрузки в эксплуатационных условиях. В аварийных ситуациях при воздействии давления со стороны полотна клеевой материал разрушается, при достижении напряжениями значения предела прочности на сдвиг, вследствие чего образуются свободные поверхности с удельной энергией, равной 2γ. В результате несущие композитные слои 1 проскальзывают по этим плоскостям, и, как следствие, изгибная жесткость полотна переборки уменьшается с D_м до nD_с. В соответствии с концепцией Гриффитса-Ирвина высвобождается потенциальная энергия плотностью (на единицу поверхности), равной:

.

Разрушение связующих прослоек 2 произойдет, если выполняется условие:

2γ≤ΔU, где: ΔU - плотность потенциальной энергии, которая высвобождается при разрушении промежуточных прослоек;

γ - удельная поверхностная энергия материала связующих прослоек.

Таким образом, чтобы несущие композитные слои работали как мембраны при воздействии аварийного давления, удельная поверхностная энергия материала связующих прослоек 2 должна быть не более

.

Общая толщина пакета H определяется из условий требований к несущей способности переборочной конструкции и определяется известными методами [9].

Из теории изгиба пластин известно, что пластина мембранного типа воспринимает внешнюю нагрузку за счет усилий в плоскости пластины, а изгибные напряжения пренебрежимо малы. Таким образом, в каждом несущем композитном слое переборки действуют постоянные по толщине цепные напряжения. Такая картина распределения напряжений по сечению слоистой конструкции позволяет более полно использовать потенциальную энергию материала переборки в процессе изгибной деформации и за счет этого достигнуть снижения массовых характеристик конструкции.

При вычислении максимальных напряжений и прогибов в центре многослойной конструкции σ_max использовалась расчетная методика, предложенная Надаи для круглых пластин мембранного типа, при этом принималось, что все несущие слои в пакете испытывают одинаковую нагрузку [10]:

где k_γ - коэффициент распора, учитывающий податливость опорного кольца радиальному смещению краев переборки.

Пример выполнения прочной межотсечной переборки для подводной лодки с общей толщиной переборки H=0,2 м и радиусом R=4,55 м, состоящей из десяти несущих композитных слоев 1 (h=0,02 м) и девяти связующих прослоек 2 с γ=10 МДж/м², показал, что прослойки разрушаются, обеспечивая проскальзывание несущим композитным слоям начиная с давления, равного 3,7 МПа. Несущая способность составляет - P=40 МПа, масса конструкции - 26,6 т. В качестве материала несущих композитных слоев 1 выбран стеклопластик на эпоксидной основе с пределом прочности 500 МПа, модулем упругости 4·10⁴ МПа и плотностью 2 т/м³. Прототип (сферическая переборка подводной лодки), имея те же габариты и несущую способность со стороны вогнутости 40 МПа и со стороны выпуклости 10 МПа, имеет массу 46,7 т, что почти в 1,7 раза больше, чем у предлагаемой композитной переборки. Масса плоской переборки, подкрепленной набором, при тех же габаритах и несущей способности 10 МПа составляет 40,6 т. Таким образом, предлагаемая переборка имеет в четыре раза большую несущую способность и в 1,5 раза меньшую массу.

Композитные материалы на полимерной основе имеют низкую теплостойкость, определяемую температурой деструкции полимера, например, эпоксидные связующие имеют T_с<500°К. Для повышения теплозащищенности переборки на внешней стороне наружных несущих композитных слоев предлагается нанести слой из термостойкого материала, например, внешние поверхности наружных слоев 3 армировать фуллереносодержащими наночастицами (Т_с≥1000°К) или поверхностные слои 3 выполнить из углепластика на углеродной основе (T_с≥1500°К).

Список литературы

1. Патент РФ №2278937. Слоистая структура. Афанасьев В.А., Кружель М.П., Тагиров P.M., Шебалов А.В. МПК: E05G 1/024, B32B 7/02 от 2006.06.27.

2. Патент РФ №2289775. Слоистая баллистическая конструкция, содержащая чередующиеся однонаправлено ориентированные и термопластические слои. Бергманс И., Винклер Э., Штольце К., Розе К. МПК: F41H 5/04 от 2005.03.27.

3. Патент РФ №2097503. Многослойная панель. Зверинский Ю.М., Тетерев Л.А. МПК: E04C 2/24, B32B 3/12 от 1997.11.27.

4. Патент РФ №2143363. Обшивка судна слоистая. Лобко В.П., Торицын И.В., МПК: B63B 3/20 от 1999.12.27.

5. Патент РФ №92010310. Слоистая конструкция корпуса судна. Кучкин В.В., Иванов В.В., Ривкинд В.Н., Рагулина Т.Л. МПК: B63B 3/14 от 1995.02.20.

6. Букалов В.М., Нарусбаев А.А. Проектирование атомных подводных лодок. - Л.: Судостроение, 1968.

7. Шемендюк Г.П., Петрович Ч.Ч. Проектирование конструкций корпуса подводных лодок. - Владивосток: ДГТУ, 2007, стр.141 (прототип).

8. Шиманский Ю.А. Строительная механика подводных лодок. - Л.: Судпромгиз, 1948.

9. Прочность, устойчивость, колебания. Справочник в 3-х томах. - М.: Машиностроение, 1988.

10. Справочник по строительной механике корабля, т.2 - Л.: Судпромгиз, 1958.

1. Прочная межотсечная композитная переборка подводного объекта, включающая полотно переборки, комингс переборочной двери в центральной части, жесткое опорное кольцо для крепления переборки к прочному корпусу, отличающаяся тем, что полотно переборки имеет нулевую кривизну и выполнено из набора несущих композитных слоев, скрепленных связующими прослойками, обеспечивающими проскальзывание несущих композитных слоев относительно друг друга в процессе изгиба, при этом количество несущих слоев n выбирается из условия: но не менее трех.где P - давление, действующее на переборку в аварийной ситуации, МПа; - приведенный модуль упругости материала несущего композитного слоя в радиальном направлении, МПа;Е_γ - модуль упругости материала несущих композитных слоев в радиальном направлении, МПа;σ_д - допускаемые напряжения для несущих композитных слоев, МПа;µ_γθ, µ_θγ - коэффициенты Пуассона материала несущих композитных слоев в радиальном и окружном направлениях соответственно.

2. Прочная межотсечная композитная переборка по п.1, отличающаяся тем, что удельная поверхностная энергия γ материала связующих прослоек выбрана из условия: где R - радиус полотна переборки, м;H - общая толщина полотна переборки, м.

3. Прочная межотсечная композитная переборка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что на внешней стороне наружных несущих композитных слоев нанесен слой из термостойкого материала, например, армированного фуллерено-содержащими наночастицами.