Днищевое перекрытие судна
Владельцы патента RU 2677950:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Калининградский государственный технический университет" (RU)
Изобретение относится к области судостроения и может быть использовано при постройке и ремонте днищевых конструкций корпусов судов. Предложено днищевое перекрытие судна, которое содержит наружную обшивку, настил второго дна с продольными ребрами жесткости настила второго дна, стрингеры, вертикальный киль, флоры, продольные балки и подкрепляющие стенки флоров и стрингеров горизонтальные и вертикальные ребра жесткости. Стенки флоров, стрингеров и вертикальный киль выполнены составными из заменяемой деформирующейся и не заменяемой частей. В нижних частях вертикального киля, стенок флоров и стрингеров установлены элементы конструктивной защиты, выполненные в виде гидроцилиндров, оснащенных устройствами сброса давления. В случае посадки судна на мель предотвращается деформация настила второго дна и повреждение фундаментов главных и вспомогательных механизмов, повышается ремонтопригодность днищевого перекрытия. 4 ил.
Изобретение относится к области судостроения и может быть использовано при постройке и ремонте днищевых конструкций корпусов судов.
Известно днищевое перекрытие судна, содержащее наружную обшивку, настил второго дна, стрингеры, вертикальный киль, флоры и продольные балки. (Барабанов Н.В. Конструкция корпуса морских судов. Л., Судостроение, 1981. - 552 с., с. 321-337, рисунок 138).
Конструкция этого перекрытия обладает существенным недостатком, заключающимся в том, что в случае посадки судна на мель нередко происходит смещение или повреждение настилов второго дна вместе с фундаментами механизмов, из-за чего судно даже после снятия с мели не имеет возможности двигаться своим ходом.
Известно днищевое перекрытие корпуса судна (Авторское свидетельство СССР №1214521, МПК В63В 3/24, опубл. 28.02.1986 г.), содержащее наружную обшивку, настил второго дна, стрингеры, вертикальный киль, флоры и продольные балки, причем стенки флоров и стрингеров подкреплены системой горизонтальных и вертикальных ребер жесткости и обладают переменной жесткостью по высоте.
Данная конструкция обладает существенным недостатком, заключающимся в том, что для флоров и стрингеров толщина элемента стенки, прилегающего к наружной обшивке, ограничивается величиной его эйлеровой нагрузки (в противном случае не будет обеспечена требуемая податливость днищевого перекрытия в вертикальной плоскости), а в районе соединения стенки с наружной обшивкой нередко наблюдается интенсивная коррозия, что может привести к недопустимому коррозионному износу конструкции и снижению ее надежности.
Известно судовое перекрытие, подкрепленное набором, имеющим гофры в стенках связей (Патент на изобретение №2072935, МПК В63В 3/24, В63В 3/14, В63В 3/36 опубл. 10.02.1997). Гофры связей судового перекрытия пропускаются в вырезах противоположных балок или вне пределов противоположных балок и имеют наименьшую жесткость в цепи «участки стенок связей» - «гофры связей», в направлении воздействия нагрузок в плоскости стенок балок.
Существенные недостатки данной конструкции:
- изготовление гофров отличается повышенной трудоемкостью, т.к. сопряжено либо с применением прессов большой мощности и набора технологической оснастки, которыми располагает не каждое судостроительное и судоремонтное предприятие, либо со значительным объемом работ по резке листовых элементов, их правке и сварке в виде гофра;
- при использовании гофров в конструкции днищевого перекрытия не обеспечивается герметичность отсеков двойного дна, т.к. в местах пересечения флоров и стрингеров должны выполняться вырезы под гофры, что приводит к дополнительным затратам на герметизацию.
В качестве ближайшего аналога принято днищевое перекрытие судна, состоящее из наружной обшивки с установленными на ней стрингерами и флорами, стенки которых подкреплены вертикальными и горизонтальными ребрами жесткости (Патент на изобретение №2463198, МПК В63В 3/24, опубл. 10.10.2012), содержащее вертикальный киль, продольные балки и настил второго дна с продольными ребрами жесткости настила второго дна, при этом нижние части вертикального киля, стенок флоров и стрингеров выполнены с элементами конструктивной защиты в виде трубчатого профиля металлического проката.
Существенным недостатком данной конструкции является то, что при посадке судна на мель после перехода трубчатого профиля в предельное состояние дальнейшее его деформирование будет происходить с уменьшением внешней нагрузки, т.е. пластическое течение в этом случае неустойчиво [Беленький Л.М. Расчет судовых конструкций в пластической стадии. - Л.: Судостроение, 1983 - 448 с., с. 163-165], в результате чего уменьшается рассеивание энергии при деформировании элементов конструктивной защиты, что ведет к снижению ее эффективности. Кроме того, элементы конструктивной защиты должны заменяться после каждого касания грунта или посадки на мель, что сопряжено с материальными затратами.
Изобретение решает задачу повышения эффективности конструктивной защиты за счет увеличения рассеиваемой энергии при деформировании днищевого перекрытия с обеспечением требуемой податливости, а также снижения затрат на ремонт днищевого перекрытия после посадки на мель или касания грунта за счет возможности многократного использования элементов конструктивной защиты.
Для решения поставленной задачи в известном днищевом перекрытии судна, состоящем из наружной обшивки с установленными на ней стрингерами и флорами, стенки которых подкреплены вертикальными и горизонтальными ребрами жесткости, содержащем вертикальный киль, продольные балки и настил второго дна с продольными ребрами жесткости настила второго дна, характеризующимся наличием в нижних частях вертикального киля, стенок флоров и стрингеров элементов конструктивной защиты, предлагается стенки флоров, стрингеров и вертикальный киль выполнить составными из заменяемой деформирующейся и не заменяемой частей, а элементы конструктивной защиты выполнить в виде гидроцилиндров, снабженных устройствами сброса давления, причем параметры гидроцилиндров и устройств сброса давления выбирать по формуле:
где
dГц - диаметр гидроцилиндра, м;
τT - предел текучести при сдвиге для материала флоров, стрингеров и вертикального киля, Па;
рГЦ - давление в гидроцилиндрах, ограничиваемое посредством устройств сброса давления, Па;
- число гидроцилиндров на единицу длины стенки флора, стрингера или вертикального киля, м-1;
Fф - площадь верхней части стенки флора, м2;
Fстр - площадь верхней части стенки стрингера, м2;
- количество флоров в зоне касания грунта;
- количество стрингеров в зоне касания грунта;
- размер среднестатистического пятна контакта вдоль судна, м;
m - размер среднестатистического пятна контакта поперек судна, м;
KЗ - коэффициент запаса.
В предлагаемом техническом решении в случае посадки на мель происходит гашение кинетической энергии судна за счет деформирования наружной обшивки, продольных балок, а также нижних частей вертикального киля, стенок флоров и стрингеров, содержащих элементы конструктивной защиты в виде гидроцилиндров, снабженных устройствами сброса давления. При этом верхние части флоров и стрингеров, а вместе с ними и настил второго дна, остаются не-деформированными за счет того, что податливость нижней части днищевого перекрытия выше, чем податливость верхней, что обеспечивается выбором параметров гидроцилиндров и устройств сброса давления.
На прилагаемых графических материалах изображено:
на фиг. 1 - общий вид части днищевого перекрытия судна;
на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1;
на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1;
на фиг. 4 - график зависимости между диаметром гидроцилиндра и давлением в гидроцилиндре, ограничиваемым при помощи устройства сброса давления.
На графических материалах приняты следующие обозначения:
1 - наружная обшивка;
2 - горизонтальное ребро жесткости;
3 - гидроцилиндр;
4 - продольные балки;
5 - вертикальный киль;
6 - флор;
7 - стрингер;
8 - настил второго дна;
9 - вертикальное ребро жесткости;
10 - продольные ребра жесткости настила второго дна;
11 - крайний междудонный лист;
12 - скуловая кница;
13 - шпангоут;
14 - трубопровод;
15 - устройство сброса давления;
16 - кница;
17 - гофр;
dГЦ - диаметр гидроцилиндра, м;
pГЦ - давление в гидроцилиндрах, ограничиваемое посредством устройств сброса давления, Па.
Конструкция днищевого перекрытия состоит из наружной обшивки 1 с продольными балками 4, настила второго дна 8 с продольными ребрами жесткости настила второго дна 10. Днищевое перекрытие включает стрингеры 7, флоры 6, и вертикальный киль 5, выполненные составными из заменяемой деформирующейся и не заменяемой частей. Верхние не заменяемые части стенок флоров 6 и стрингеров 7 подкреплены системой горизонтальных 2 и вертикальных 9 ребер жесткости, а нижние заменяемые деформирующиеся части содержат элементы конструктивной защиты в виде гидроцилиндров 3, подкрепленных кницами 16, оснащенных устройствами сброса давления 15 и трубопроводами 14 для удаления рабочей среды. В районе скуловой кницы 12 стенки флоров 6 в нижней части содержат гофр 17.
Днищевое перекрытие работает следующим образом. При посадке на мель или при касании грунта происходит гашение кинетической энергии судна за счет деформирования наружной обшивки 1, продольных балок 4, а также нижних частей стенок флоров 6, стрингеров 7 и вертикального киля 5, а верхняя часть с настилом второго дна 8 остается недеформированной. Для этого нижняя часть вертикального киля 5, стенок флоров 6 и стрингеров 7 содержит элементы конструктивной защиты, выполненные в виде гидроцилиндров 3, оснащенных устройствами сброса давления 15. Величина давления в гидроцилиндрах 3 ограничивается при помощи устройств сброса давления 15 на таком уровне, чтобы поршни гидроцилиндров начинали двигаться вверх при нагрузке, меньшей, чем критическая нагрузка для верхних частей стенок флоров 6 и стрингеров 7, подкрепленных вертикальными 9 и горизонтальными 2 ребрами жесткости. Для обеспечения беспрепятственного деформирования нижних частей стенок флоров 6 в районе скуловой кницы 12 их стенки содержат гофр 17. С незначительной ошибкой в безопасную сторону можно принять, что вся кинетическая энергия движения судна при посадке его на мель гасится за счет энергии, идущей на разрушение днищевых конструкций в зоне контакта с грунтом, а также затрачиваемой на перемещение поршней гидроцилиндров 3. Энергия диссипации при пластическом деформировании связей днищевого перекрытия состоит из энергии рассеивания при деформировании наружной обшивки 1 и продольных балок 4. Кроме того, часть кинетической энергии судна затрачивается на перемещение поршней гидроцилиндров 3, причем эта составляющая может быть повышена за счет увеличения хода поршня гидроцилиндров 3, а также давления в гидроцилиндрах 3, ограничиваемого устройствами сброса давления 15. При этом параметры элементов конструктивной защиты, выполненных в виде гидроцилиндров 3, и устройств сброса давления 15 должны выбираться из условия, чтобы вызывающее движение поршней гидроцилиндров 3 усилие было меньше, чем нагрузка, приводящая к сдвигу в верхних частях стенок флоров 6 и стрингеров 7. Располагая размерами среднестатистического пятна контакта днища с грунтом (
- в продольном направлении, m - в поперечном) для данного типа судна, поперечной шпацией, а также расстоянием между стрингерами можно определить, какое количество связей оказывается в зоне контакта с грунтом (
- число флоров, 
- число стрингеров). Тогда оптимальные параметры элементов конструктивной защиты, выполненных в виде гидроцилиндров 3, оснащенных устройствами сброса давления 15, должны определяться согласно формуле:
где
dГЦ - диаметр гидроцилиндра, м;
τT - предел текучести при сдвиге для материала флоров, стрингеров и вертикального киля, Па;
pГЦ - давление в гидроцилиндрах, ограничиваемое посредством устройств сброса давления, Па;
- число гидроцилиндров на единицу длины стенки флора, стрингера или вертикального киля, м-1;
Рф - площадь верхней части стенки флора, м2;
Fстр - площадь верхней части стенки стрингера, м2;
- количество флоров в зоне касания грунта;
- количество стрингеров в зоне касания грунта;
- размер среднестатистического пятна контакта вдоль судна, м;
m - размер среднестатистического пятна контакта поперек судна, м;
KЗ - коэффициент запаса.
Следует отметить, что по сравнению с конструкцией ближайшего аналога предлагаемая конструкция обладает более высокой ремонтопригодностью, так как в предлагаемой конструкции элементы конструктивной защиты, выполненные в виде гидроцилиндров 3, не повреждаются в случае посадки судна на мель или касания грунта. Поэтому в процессе ремонта бортового перекрытия они мо-гут быть использованы повторно. При этом в конструкции ближайшего аналога трубчатые элементы должны заменяться после каждого касания грунта или посадки на мель, что повышает затраты на ремонт. Кроме того, в предлагаемой конструкции стенки флоров 6, стрингеров 7 и вертикальный киль 5 выполняются составными из заменяемой деформирующейся и не заменяемой частей, что делает ремонт более технологичным.
В качестве примера реализации предлагаемой конструкции рассмотрим днищевое перекрытие транспортного судна длиной 130 м с поперечной шпацией 0,6 м, расстоянием между стрингерами 3 м, площадями верхних частей стенок флоров и стрингеров Fф=0,009 м2, Fстр=0,009 м2, пределом текучести по сдвигу для их материала τТ=120 МПа. Для данного судна среднестатистическое пятно контакта имеет размеры 4 м × 4 м, т.е. 
, m=4 м (Александров М.Н. Безопасность человека на море. - Л.: Судостроение, 1983. - 208 с., с. 76-95). Тогда можно принять, что число стрингеров и флоров в зоне нагружения 
, 
. Принимая коэффициент запаса KЗ=3, а число гидроцилиндров на единицу длины стенки флора, стрингера или вертикального киля 
:
Графическая зависимость dГЦ (рГЦ) представлена на фиг. 4, откуда видно, что для обеспечения требуемой податливости нижней части данного днищевого перекрытия могут использоваться, например, гидроцилиндры с диаметром dГЦ=0,3 м, давление в которых устанавливается при помощи устройств ограничения давления 15 на уровне рГЦ=1,25⋅106 Па.
Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет эффективно рассеивать кинетическую энергию судна при его посадке на мель и касании грунта, так как деформирование днищевого перекрытия в этом случае будет происходить при практически постоянном усилии. Это дает возможность предотвратить повреждение настила второго дна с фундаментами главных и вспомогательных механизмов, и, тем самым, снизить ущерб от данного вида аварий. Затраты на ремонт днищевого перекрытия снижаются. Вследствие того, что замене подлежат только заменяемые части стенок флоров, стрингеров и вертикального киля, а гидроцилиндры используются повторно после возвращения их поршней в исходное положение.
Днищевое перекрытие судна, состоящее из наружной обшивки с установленными на ней стрингерами и флорами, стенки которых подкреплены вертикальными и горизонтальными ребрами жесткости, содержащее вертикальный киль, продольные балки и настил второго дна с продольными ребрами жесткости настила второго дна, нижние части вертикального киля, стенок флоров и стрингеров выполнены с элементами конструктивной защиты, отличающееся тем, что стенки флоров, стрингеров и вертикальный киль выполнены составными из заменяемой деформирующейся и не заменяемой частей, а элементы конструктивной защиты выполнены в виде гидроцилиндров, оснащенных устройствами сброса давления, причем параметры гидроцилиндров и устройств сброса давления определены из условия обеспечения требуемой податливости нижней части днищевого перекрытия.
