Днищевое перекрытие судна
Изобретение относится к области судостроения и может быть использовано при постройке и ремонте днищевых конструкций корпусов судов. Днищевое перекрытие судна 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, в нижних частях вертикального киля, стенок флоров и стрингеров установлены трубчатые элементы конструктивной защиты в виде трубчатого профиля металлического проката, заполненные рабочей средой с возможностью регулирования давления. Изобретение обеспечивает повышение эффективности конструктивной защиты днищевого перекрытия судна в случае посадки судна на мель. 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 (RU №2072935, МПК В63В 3/24, В63В 3/14, В63В 3/36, опубл. 10.02.1997 г.). 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 гофр 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 гофры;
- при использовании гофр 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 (RU №2463198, МПК В63В 3/24, опубл. 10.10.2012 г.), 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.
Изобретение решает задачу повышения эффективности конструктивной защиты днищевого перекрытия судна за счет обеспечения возможности регулировать податливость конструктивной защиты, увеличивая рассеивание энергии при деформировании.
Для решения поставленной задачи в днищевом перекрытии судна, содержащем в нижней части наружную обшивку, элементы конструктивной защиты в виде трубчатого профиля металлического проката в стенках флоров, стрингеров и в вертикальном киле, продольные балки, в верхней части, выполненной с меньшей податливостью, чем нижняя, - стенки флоров и стингеров с вертикальными и горизонтальными ребрами жесткости, настил второго дна с продольными ребрами жесткости, предлагается трубчатый профиль металлического проката заполнить рабочей средой с возможностью регулирования давления для изменения податливости нижней части днищевого перекрытия, причем давление рабочей среды в трубчатом профиле металлического проката и нагрузку, вызывающую деформирование трубчатого профиля металлического проката предлагается связать зависимостью:
где:
Р - усилие, вызывающее деформирование фрагмента трубчатого профиля металлического проката длиной b, Н;
h - толщина стенки трубчатого профиля металлического проката, м;
d - диаметр трубчатого профиля металлического проката, м;
b - длина фрагмента трубчатого профиля металлического проката, м;
q - давление рабочей среды в трубчатом профиле металлического проката, Па;
σT - предел текучести материала трубчатого профиля металлического проката, Па;
β - угол поворота звена, образующегося в трубчатом профиле металлического проката, при его деформировании в случае посадки судна на мель, рад.
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 трубчатого профиля металлического проката, заполненные рабочей средой. При этом верхние части флоров и стрингеров, а вместе с ними и настил второго дна, остаются недеформированными за счет того, что податливость нижней части днищевого перекрытия выше, чем податливость верхней, что обеспечивается выбором диаметра устанавливаемых трубчатых элементов конструктивной защиты, толщиной их стенок и величиной давления рабочей среды в них.
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 - фрагмент трубчатого профиля металлического проката в процессе деформирования;
на фиг. 4 - зависимость нагрузки, деформирующей фрагмент трубчатого профиля металлического проката, от угла поворота звеньев после превращения фрагмента трубчатого профиля металлического проката в кинематически изменяемый механизм.
На графических материалах приняты следующие обозначения:
1 - обшивка наружная;
2 - ребро жесткости горизонтальное;
3 - профиль трубчатый металлического проката;
4 - балка продольная;
5 - киль вертикальный;
6 - флор;
7 - стрингер;
8 - настил второго дна;
9 - ребро жесткости вертикальное;
10 - ребро жесткости продольное настила второго дна;
11 - лист междудонный крайний;
12 - кница скуловая;
13 - шпангоут;
14 - среда рабочая;
15 - устройство сброса давления;
Р - усилие, вызывающее деформирование фрагмента трубчатого профиля металлического проката длиной b, Н;
q - давление рабочей среды в трубчатом профиле металлического проката, Па;
r - радиус трубчатого профиля металлического проката, м;
β - угол поворота звеньев кинематически изменяемого механизма, рад;
P(β) - зависимость усилия, вызывающего деформирование фрагмента трубчатого профиля металлического проката длиной b, от угла поворота звеньев, Н;
M1(β), М2(β) - предельные моменты сечений фрагмента трубчатого профиля металлического проката длиной b, определяемые с учетом действия продольных усилий, Н⋅м;
R2(β) - реактивные усилия, заменяющие действие левой части фрагмента трубчатого профиля металлического проката длиной b на его правую часть, Н.
Конструкция днищевого перекрытия состоит из наружной обшивки 1, настила 8 второго дна с продольными ребрами 10 жесткости настила 8 второго дна, стрингеров 7, вертикального киля 5, содержащего в нижней части трубчатый профиль 3 металлического проката, флоров 6 и продольных балок 4. Стенки флоров 6 и стрингеров 7 в верхней части подкреплены системой горизонтальных 2 и вертикальных 9 ребер жесткости, а в нижней части содержат трубчатые профили 3 металлического проката, заполненные рабочей средой 14 и оснащенные устройствами 15 сброса давления.
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 8 второго дна остается недеформированной. Для этого нижние части вертикального киля 5, стенок флоров 6 и стрингеров 7 содержат трубчатые профили 3 металлического проката, заполненные рабочей средой 14. Трубчатые профили 3 металлического проката сминаются при нагрузке меньшей, чем критическая нагрузка для верхних частей стенок флоров 6 и стрингеров 7, подкрепленных вертикальными 9 и горизонтальными 2 ребрами жесткости. 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. Энергия диссипации при пластическом деформировании связей днищевого перекрытия состоит из энергии рассеивания при деформировании днищевых пластин, продольных ребер жесткости, нижней части флоров и стрингеров, нижней части вертикального киля, содержащих трубчатые профили 3 металлического проката, заполненные рабочей средой 14. Параметры трубчатых профилей 3 металлического проката должны выбираться из условия, чтобы предельная нагрузка для них была меньше, чем нагрузка, вызывающая сдвиг в стенках флоров и стрингеров. Давление рабочей среды 14 следует выбирать таким образом, чтобы деформирование трубчатого профиля 3 металлического проката осуществлялось без увеличения усилия Р, в противном случае не будет обеспечена требуемая податливость нижней части днищевого перекрытия. При этом наибольшего эффекта при реализации предлагаемой конструкции можно добиться в том случае, когда усилие Р остается практически неизменным во всем диапазоне изменения углов поворота звеньев кинематически изменяемого механизма, образующегося в трубчатом профиле 3 металлического проката при его деформировании. Располагая размерами среднестатистического пятна контакта днища с грунтом (n - 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 (nф - число флоров, nстр - число стрингеров). Тогда оптимальные параметры трубчатого профиля 3 металлического проката, заполненного рабочей средой 14, должны определяться согласно формулам:
где
Р - усилие, вызывающее деформирование фрагмента трубчатого профиля металлического проката длиной b, Н;
h - толщина стенки трубчатого профиля металлического проката, м;
d - диаметр трубчатого профиля металлического проката, м;
b - длина фрагмента трубчатого профиля металлического проката, м;
q - давление рабочей среды в трубчатом профиле металлического проката, Па;
β - угол поворота звена, образующегося в трубчатом профиле металлического проката, при его деформировании в случае посадки судна на мель, рад;
τт - предел текучести при сдвиге для материала флоров и стрингеров, Па;
σт - предел текучести материала трубчатого профиля металлического проката, Па;
Fф - площадь верхней части стенки флора, м2;
Fстр - площадь верхней части стенки стрингера, м2;
nф - количество флоров в зоне касания грунта;
nстр - количество стрингеров в зоне касания грунта;
n - размер среднестатистического пятна контакта вдоль судна, м;
m - размер среднестатистического пятна контакта поперек судна, м;
KЗ - коэффициент запаса.
Как отмечено выше, для наиболее эффективного рассеивания энергии в трубчатых профилях 3 металлического проката, при посадке судна на мель их деформирование должно осуществляться при той же нагрузке, действие которой приводит к превращению трубчатого профиля 3 металлического проката в кинематически изменяемый механизм. Рассмотрим фрагмент трубчатого профиля 3 металлического проката длиной b, который представляет собой кольцо. При отсутствии рабочей среды 14 после образования кинематически изменяемого механизма в таком фрагменте его деформирование будет происходить при уменьшении 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]. Если же трубчатые профили 3 металлического проката заполнены рабочей средой 14, то после образования кинематически изменяемого механизма его звенья поддерживаются за счет давления рабочей среды 14 (фиг. 3), причем эффект от действия указанных сил растет с увеличением угла поворота звеньев. При соответствующем выборе давления рабочей среды q можно добиться того, чтобы трубчатый профиль 3 металлического проката деформировался при практически неизменном значении внешней нагрузки.
В качестве примера рассмотрим днищевое перекрытие, содержащее трубчатый профиль металлического проката диаметром d=0,325 м, с толщиной стенки h=0,016 м, предел текучести материала которого σТ=265 МПа. Ширину фрагмента трубчатого профиля металлического проката примем b=0,01 м. Результаты расчета деформирования фрагмента трубчатого профиля металлического проката с указанными выше параметрами представлены на фиг. 4. Видно, что при нулевом давлении рабочей среды 14 (что соответствует конструкции ближайшего аналога) усилие Р, вызывающее деформирование фрагмента трубчатого профиля металлического проката уменьшается на 30% по сравнению с первоначальным значением при повороте звеньев на 45°. Это ведет к снижению величины энергии, рассеиваемой трубчатыми элементами конструктивной защиты. При q=0,3 Мпа усилие Р, вызывающее деформирование фрагмента трубчатого профиля металлического проката, снижается не так интенсивно, а при q=0,6 Мпа остается практически неизменным. Поэтому в данном случае оптимальным значением давления рабочей среды 14 является q=0,6 Мпа. При q=0,9 Мпа усилие Р, вызывающее деформирование фрагмента трубчатого профиля металлического проката возрастает, в результате чего не будет обеспечена требуемая податливость нижней части днищевого перекрытия.
Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет повысить эффективность конструктивной защиты днищевого перекрытия судна, регулируя податливость нижней части днищевого перекрытия, что позволяет более эффективно рассеивать кинетическую энергию судна при его посадке на мель и касании грунта, чем это возможно в конструкции, описанной в ближайшем аналоге, что дает возможность предотвратить повреждение настила второго дна с фундаментами главных и вспомогательных механизмов, и, тем самым, снизить ущерб от данного вида аварий.
Днищевое перекрытие судна, содержащее в нижней части наружную обшивку, элементы конструктивной защиты в виде трубчатого профиля металлического проката в стенках флоров, стрингеров и в вертикальном киле, продольные балки, в верхней части, выполненной с меньшей податливостью, чем нижняя, - стенки флоров и стингеров с вертикальными и горизонтальными ребрами жесткости, настил второго дна с продольными ребрами жесткости, отличающееся тем, что трубчатый профиль металлического проката заполнен рабочей средой с возможностью регулирования давления для изменения податливости нижней части днищевого перекрытия, причем давление рабочей среды в трубчатом профиле металлического проката и нагрузка, вызывающая деформирование трубчатого профиля металлического проката, связаны зависимостью:
где:
Р - усилие, вызывающее деформирование фрагмента трубчатого профиля металлического проката длиной b, Н;
h - толщина стенки трубчатого профиля металлического проката, м;
d - диаметр трубчатого профиля металлического проката, м;
b - длина фрагмента трубчатого профиля металлического проката, м;
q - давление рабочей среды в трубчатом профиле металлического проката, Па;
σТ - предел текучести материала трубчатого профиля металлического проката, Па;
β - угол поворота звена, образующегося в трубчатом профиле металлического проката, при его деформировании в случае посадки судна на мель, рад.
