Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы проектного обоснования прогулочных, разъездных и спасательных катеров и малых судов .
1.1. Обзор характеристик построенных катеров и малых судов отечественного производства 11
1.2. Анализ характеристик современных зарубежных катеров 25
1.3. Направления совершенствования конструктивных решений в мировом малотоннажном судостроении 74
1.4. Проблемы и задачи, требующие исследований 75
Глава 2. Модель обоснования проектных характеристик прогулочных, разъездных и спасательных катеров и малых судов .
2.1. Выбор критерия эффективности проектных вариантов катеров 81
2.2. Разработка архитектурно-компоновочной схемы, определение вместимости 84
2.3. Определение интервала характеристик базового варианта 92
2.4. Разработка таблицы нагрузки масс, предварительная удифферентовка и оценка остойчивости 96
2.5. Определение уточненных главных размерений, объемного водоизмещения, выбор типа обводов 107
Глава 3. Различные аспекты проектного обоснования верхних строений катеров многослойной оболочковой конструкции .
3.1. Возможные изменения в архитектурно-конструктивном типе судна 114
3.2. Обоснование области оптимального применения многослойных оболочковых конструкций для верхних строений катеров и малых судов 124
3.3. Учет особенностей обеспечения остойчивости и мореходных качеств катеров и малых судов при применении многослойных оболочек для верхних строений 133
Глава 4. Различные аспекты применения многослойных композитных оболочковых конструкций для верхних строений катеров и малых судов
4.1. И сход ныесырьеим атери а л ы, ко м поне нтн ая база дл я из готовл е н и я многослойных композитных оболочковых конструкций 141
4.2. Массовые параметры многослойных оболочковых конструкций 155
4.3. Механические характеристики, а также расчеты прочности и устойчивости узлов и элементов конструкции 161
4.4. Конструктивные особенности надстройки композитной металлополимерной многослойной оболочковой конструкции 172
4.5. Технологическое обеспечение и организация производства надстроек композитной металлополимерной многослойной оболочковой конструкции 186
Глава 5. Комплексная методика проектного обоснования катера, имеющего верхние строения металлополимерной многослойной оболочковой конструкции .
5.1. Формирование методики на основании выполненных исследований 195
5.2. Опыт проектирования, постройки и испытаний катера, имеющего верхние строения металлополимерной многослойной оболочковой конструкции 198
5.3. Соотнесение проектных решений с требованиями Правил Речного Регистра России и Морского Регистра судоходства 213
5.4. Применение методики при проектном обосновании перспективных судов других типов 218
Заключение 223
Библиографический список 224
Приложение 230
- Анализ характеристик современных зарубежных катеров
- Разработка архитектурно-компоновочной схемы, определение вместимости
- Обоснование области оптимального применения многослойных оболочковых конструкций для верхних строений катеров и малых судов
- Массовые параметры многослойных оболочковых конструкций
Анализ характеристик современных зарубежных катеров
Импорт в Россию малых судов начался одновременно с эпохой рыночных реформ. С самого начала подавляющее большинство ввозимых судов относилась к категории прогулочных, а остальные тем или иным образом были предназначены для отдыха на воде. Появление первых современных катеров зарубежного производства в московских яхт-клубах относится к осени 1991 года. Таким образом, история поставок малых судов зарубежной постройки в современную Россию насчитывает более четырнадцати лет. На начальном этапе ввоз катеров осуществляли сами судовладельцы. Большую долю ввозимых катеров составляли суда, которые были до того, в употреблении. До 1996 года ввоз катеров из-за рубежа носил достаточно хаотичный характер. Однако по мере улучшения экономической ситуации в стране, импорт малых судов стал приобретать все более упорядоченные черты. На начальной стадии большинство ввозимых судов по своему классу были близки к моторным лодкам. Лишь к 1997 году по мере формирования рынка, ввоз судов более высокого класса стал принимать регулярный характер, хотя был небольшим по численности. Дефолт 1998 года, последующая девальвация рубля и временное снижение деловой активности привели к уменьшению объемов ввоза и упрощению ввозимых судов. Однако по мере подъема экономики, импорт малых судов снова стал расти количественно и качественно, приобретая цивилизованные формы, как в плане продаж, так и в части таможенной очистки. Серьезный качественный скачок в импорте катеров повышенной комфортабельности возник с приходом на этот рынок фирм, специализирующихся на импорте автомобилей. Эти коммерческие структуры имели большой оборот капитала, обширные связи в таможенных органах, сеть поставщиков за рубежом, отработанные схемы в части логистики, достаточно широкий круг состоятельной клиентуры. Благодаря сочетанию этих факторов, фирмы сумели занять лидирующее положение на рынке в части продаж дорогих и сложных судов. В последние годы рынок импортных судов стал широк и многогранен. В последних каталогах потенциальным клиентам предлагаются сотни прогулочных судов различных типов. На рынке в целом сформировалась сеть дилеров и дистрибьюторов известных зарубежных фирм-производителей, предлагающих кроме прямых продаж, систему поставок под заказ, предпродажный, гарантийный и послегарантийный сервис. Продвижение своих судов на рынке фирмы-продавцы осуществляют с помощью нескольких специализированных журналов, а также интернет технологий. Поставки малых судов из-за рубежа производятся сегодня в большинство регионов России. Наряду с малыми катерами крупносерийной постройки, ввозятся моторные яхты стоимостью несколько миллионов долларов или евро, построенные по индивидуальным заказам.
Что же представляет собой современный катер зарубежного производства, импортируемый в Россию? В подавляющем большинстве малые прогулочные суда, поставляемые в Россию, являются стеклопластиковыми. Применение этого материала позволяет фирмам производителям с одной стороны, достаточно легко и быстро получать совершенные формы катеров, а с другой, обеспечивать их высокий товарный вид (См. рис. 7).
Масштабное использование стеклопластика в качестве конструкционного материала в малом судостроении привели к тому, что по мере накопления опыта проектирования, строительства и эксплуатации стеклопластиковых судов, конструкция их корпусов стала все больше и больше отличаться от конструкции корпусов судов, изготовленных из традиционных материалов. Сегодня можно говорить о создании принципиально новой конструкции корпуса стеклоп ластикового судна, наилучшим образом использующей положительные качества этого материала.
Корпус современного катера, как правило, скоростного, рассчитанный на высокие динамические нагрузки, это система поверхностей, образующих объемно - прочную конструкцию. И корпус без палубы, и палуба без корпуса не обладают достаточной прочностью. И только после соединения в единое целое, они приобретают необходимый набор качеств. При этом, каждая из поверхностей корпуса и палубы имеет свой набор механических свойств. В отличие от традиционных судовых конструкционных материалов, эти свойства могут изменяться как по толщине поверхности, так и по ее площади.
Для примера необходимо подробно рассмотреть конструкцию корпуса стеклопластикового катера. Корпус катера формируется из двух секций; собственно корпуса и секции палубы. Независимо от размеров они формуются целиком. Стыковка - по вертикальному разъему, напоминающему мыльницу. Первым слоем (от разделительного слоя, нанесенного на матрицу), является декоративный слой. Помимо функции придания корпусу товарного вида он выполняет не менее важную роль — защиту последующих слоев от механических разрушений и осмосам -проникновения воды через микроскопические поры. Этот слой имеет повышенную твердость и плотность, но меньшую гибкость, чем последующие слои. Слой, который следует за декоративным, является переходным к основной оболочке. Он обеспечивает высокую адгезию декоративного слоя за счет мелкоячеистой фактуры и исключает отпечаток на растяжение и изгиб. Для повышения прочности и жесткости конструкции эти слои могут быть дополнены поликорматом, углеволокном или кевларом. Для всех слоев применяются различные схемы армирования, которые и обеспечивают заданные прочностные характеристики: продольную, поперечную, диагональную и другие. Выполняются в них и местные усиления наложением дополнительных слоев, или применением армирующих материалов с другими свойствами.
На внешнюю оболочку укладывается слой сэндвичевого заполнителя, который повышает устойчивость поверхностей и, в тоже время служит для обеспечения термозвукоизоляции, снижения высокочастотной вибрации и низкочастотных колебаний, вызванных динамическими нагрузками. В качестве заполнителя для сэндвича используется мат из бальсы или поливинилхлоридных пенопластов, имеющих высокие механические характеристики. Он укладывается и приклеивается к внутренней поверхности наружной оболочки, начиная от прикильной зоны и области продольных реданов. В дальнейшем сэндвич может быть сформирован до скулы, а на ряде катеров он располагается и на бортах до привального бруса. Транец имеет усиленную конструкцию. В области форштевня и киля в корпус замоноличивается трубчатое или коробчатое подкрепление, в районе реданов выполняются закладки из ровинга. Верхнюю часть слоев сэндвича формируют также, из стеклоткани сатинового плетения или стекломатов, применяя различные схемы армирования. После тщательной проклейки всех слоев образуется единая поверхность, имеющая различные механические характеристики в зависимости от глубины залегания того или иного слоя.
Разработка архитектурно-компоновочной схемы, определение вместимости
В большой степени архитектурно - компоновочную схему катера или малого судна определяет режим его движения. Можно утверждать, что к началу нового века сложились основные архитектурно - компоновочные схемы водоизмещающих, глиссирующих катеров и малых судов, а также судов, движущихся в переходном режиме. Это же можно сказать и о катерах на воздушной подушке. В то же время, существует смешение и взаимопроникновение удачных технических решений в архитектурно -компоновочных схемах.
Одним из важных условий, определяющих архитектурно компоновочную схему катера или малого судна, является мощность, тип и компоновка его главной энергетической установки в сочетании с движительно-рулевым комплексом.
Для катеров и малых судов, движущихся в водоизмещающем и переходном режиме, характерно применение достаточно экономичных двигателей в сочетании с гребными винтами. У водоизмещающих катеров и малых судов возможно
В средней части корпуса МО размещается у умеренно тихоходных судов, имеющих заостренные очертания носа и кормы. При расширении кормовых очертаний, целесообразно смещать машинное отделение ближе к корме. В случае размещения МО в средней части корпуса, катер имеет двухостровную компоновку, когда помещения располагаются по обе стороны машинного отделения. Кормовой блок помещений при этом располагается над гребными валами. При размещении над МО открытой прогулочной палубы на водоизмещающих катерах верхние строения, также приобретают двухостровную компоновку. Среднее расположение МО имеет свои преимущества и недостатки. Повышается устойчивость судна на волнении, уменьшаются ускорения килевой качки за счет размещения большой сосредоточенной массы, которой является главный двигатель в районе центра масс судна. Упрощается прокладка коммуникаций, кабельных трасс и приводов управления. Улучшается компоновка МО за счет размещения его в удобных объемах.
В то же время, помещения, предназначенные для размещения экипажа и пассажиров, смещаются в оконечности, имеющие более острые обводы и менее эффективно используемые объемы. При килевой качке люди, находящиеся в оконечностях, испытывают большие ускорения качки. При двухостровной планировке верхних строений в условиях плохой погоды пассажиры, находящиеся в кормовых помещениях оказываются, по сути, изолированными от основных (носовых) помещений, если прогулочная палуба не закрыта тентом. Требуются дополнительные меры по защите кормовых жилых помещений от шума и вибрации, вызванных вращением гребных валов. При среднем расположении МО архитектурно - компоновочная схема зачастую выглядит следующим образом: - судно может иметь избыточный надводный борт; - верхние строения судна находятся в средней части судна, могут быть разнесены к оконечностям; - средняя прогулочная палуба является крышей МО; - помещения на главной палубе расположены внутри надстройки, рубки в средней части; - пост управления расположен в средней части или со смещением в нос внутри рубки у остекленной носовой стенки; - возможно расположение дублирующего поста управления на открытом участке палубы; пассажирские каюты и салоны расположены внутри корпуса и в рубке по оси судна, помещения санитарно - бытового назначения смещены переборкам МО. Кормовое расположение машинного отделения является, в ряде случаев, более предпочтительным. При кормовом расположении МО улучшается компоновка пассажирских помещений, упрощается их защита от шума и вибрации за счет уменьшения площади защищаемых поверхностей. При этом уменьшается длина гребного вала, и, соответственно, крутильные колебания, снижаются структурный шум, и вибрация корпуса Длина МО при этом определяется размещением гребных винтов под корпусом, наклоном гребных валов и отстоянием двигателей от дейдвуда. При достаточно большой осадке катера, когда есть возможность расположить гребной вал близко к горизонтали, двигатели могут быть смещены максимально в корму. В корме располагаются двигатели и при применении угловых V - образных редукторов. В то же время, средоточие в корме больших масс ведет к увеличенному дифферентующему моменту на корму. При недостаточно полных кормовых обводах, и, соответственно, недостатке сил поддержания в кормовой оконечности, , это может привести к повышенному кормовому дифференту и усилению килевой качки. Для основной массы современных катеров, эксплуатирующихся в переходном режиме, размещение машинного отделения в корме является традиционным. При? всех изложенных выше достоинствах этого расположения, на катерах переходного режима возникает проблема борьбы с избыточным кормовым дифферентом, которая часто решается отгибом днища у транца или применением интерцепторов.
В соответствии с современными принципами проектирования глиссирующих катеров и малых судов разъездного, прогулочного и спасательного назначения передача вращения на винт от двигателей мощностью до 320 кВт (450 л.с.) часто производится через поворотно - откидную колонку. Применение такого движительно-рулевого комплекса предопределяет наличие транцевой кормы и расположение двигателей непосредственно у транца, который является кормовой переборкой машинного отделения (моторного отсека).
Двигатели большей мощности применяются в сочетании с гребными винтами или приводами Арнесона через прямую передачу. Поэтому, по условию размещения движителей под корпусом главные двигатели смещаются в нос от транца. Угловые передачи вращения на винт через V - образные редукторы в последние годы встречаются на ряде глиссирующих катеров и малых судов.
Обоснование области оптимального применения многослойных оболочковых конструкций для верхних строений катеров и малых судов
При принятии решения о модернизации малого судна необходимо определить в первую очередь, какие качества судна не устраивают судовладельца, и, следовательно, какие элементы судна подлежат обновлению. В данной работе не рассматриваются варианты модернизации судов, связанные с усовершенствованием механической установки, повышением пропульсивных качеств движительно-рулевого комплекса, применением средств автоматизации управления и т.п., ибо не это является целью этой работы.
В рамках настоящей работы, под целями модернизации понимается повышение безопасности плавания на данном судне и улучшение обитаемости данного судна с приведением ее в соответствие с современными стандартами. В ряде случаев обе эти цели могут быть реализованы совместно в оптимальном соотношении, или же может доминировать одна из них, в зависимости от конкретных условий эксплуатации. Рассмотрим вопросы повышения безопасности плавания на примере промысловых судов.
Значительное увеличение в последнее время интенсивности рыболовства в прибрежных морских и внутренних водоемах, а также работ по воспроизводству рыбных запасов и экологии приводит уже в настоящее время к увеличению роли и численности малотоннажного рыболовного флота. Работа малотоннажного флота ведется практически круглогодично в прибрежной зоне в условиях разрушающегося волнения, шквалистых ветров, приливно-отливных течений, течений рек и других неблагоприятных факторов.
Многочисленная аварийная статистика свидетельствует, что, зачастую, опрокидывание судна предопределяется не его повреждением, не ошибочными действиями экипажа или обстоятельствами непреодолимой силы, а связано, главным образом, с недостаточным запасом остойчивости, выбранным при проектировании, на основании тех или иных требований. Гибель судна в неповрежденном состоянии объективно может быть обусловлена в числе прочих причин и несовершенством самих требований к остойчивости. [57, 111]
Аварийная статистика свидетельствует, что около 65% аварий приходится на рыболовные суда, имеющие длину корпуса менее 20 м, а свыше 87% аварий - на суда имеющие длину корпуса менее 25 м. По данным этой же статистики, более 86% потерпевших аварию судов из-за потери остойчивости в условиях заливания палубы на попутном и косом волнении были гладкопалубными или имели надстройки протяженностью не более 1/5 от длины судна. И лишь 14% потерпевших аварию судов имели длинные надстройки, (См. рис. 59) [57, 111]
Опираясь на анализ ряда аварийных происшествий и данные других исследований, многие специалисты высказывают мысль, что для малых судов удары волны более актуальны, чем внезапно набежавший шквал, тем более, что вблизи от поверхности воды ветер сильно трансформируется вследствие влияния волн. [38] Согласно Правил Российского Морского Регистра Судоходства, остойчивость судов длиной до 20 м по критерию погоды не проверяется. [71] Таким образом, повышение безопасности плавания на данном судне может быть осуществлено, наряду с другими мероприятиями, за счет увеличения объема и протяженности надстройки, и, соответственно, уменьшения площади заливаемых палуб.
Как уже было сказано, вторым направлением модернизации является улучшение обитаемости судна и приведение ее в соответствие с современными стандартами. Способом улучшения обитаемости является увеличение количества и объема помещений, предназначенных для пассажиров и экипажа, оптимизации их устройства с точки зрения эргономики, снижения в этих помещениях уровня физических полей и другие. Излишне говорить, что оба этих направления тесно связаны
При решении задачи оптимизации при выборе направления модернизации судна необходимо принять следующие граничные условия: - судно после модернизации не изменяет своего назначения; - первоначальный проект судна не содержит ошибок в оценке его остойчивости; - при модернизации не изменяется форма подводной и не меняется кардинально форма надводной части корпуса; - радиус кривизны поверхностей надстройки много больше толщины слоистого пакета: Н - толщина пакета.
При наличии на надстройке участков, где это условие не выполняется, их площадь исключается из расчета, и их масса и координаты ЦТ рассчитываются отдельно, как для отдельного готового изделия. Встречаются случаи, когда не все выше перечисленные условия выполняются. Для решения задачи оптимизации необходимо определить влияние собственно надстройки, без учета дополнительных факторов.
Как правило, проектант имеет в своем распоряжении полный пакет документации модернизируемого судна, куда входит и информация об остойчивости. В случае его отсутствия все элементы начальной остойчивости, а также расчеты остойчивости на больших углах крена могут быть восстановлены по данным обмера корпуса. Решение задачи оптимизации оболочек и определения минимальной массы конструкций изложено в [31, 55]. Для решения этой задачи в общем виде можно применять методы математического программирования и использовать ЭВМ для расчетов. На стадии эскизного проектирования, когда наряду с количественными важно получить и качественные характеристики, а проводимые расчеты отличаются поливариантностью, можно предложить следующий алгоритм решения задачи:
Массовые параметры многослойных оболочковых конструкций
Решение вопроса о целесообразности применения конструкции на судне неразрывно связано с ее массовыми параметрами и механическими характеристиками. В отношении надпалубных конструкций массовые параметры особенно важны, т.к. они в большой степени влияют на положение центра масс всего судна и, соответственно, на его мореходные качества. При проведении оценочных расчетов очень удобно не производить поэлементного расчета массы конструкции, а пользоваться приближенными удельными значениями, приведенными к единице площади поверхности или объема конструкции.
Поэтому, для того чтобы оценить целесообразность применения многослойной оболочковой конструкции вместо надстройки классической конструкции необходимо иметь возможность расчета массы и механических характеристик в укрупненном виде.
Для определения параметров конструкции воспользуемся моделью элемента (см. рис. 72). Она представляет из себя плоский элемент конструкции, имеющий в плане квадратную форму внешней и внутренней поверхности, а также средний слой, состоящий вспененного полимера, каркасированного п продольными и п поперечными взаимно перпендикулярными связями из алюминиевого полуфабриката, ориентированными параллельно сторонам элемента. Поперечные сечения у всех связей на всей длине считаются одинаковыми. Толщина внешнего и внутреннего слоев по всей площади считается одинаковой и неизменной. Плотность полимерного заполнителя в любом месте считается одинаковой. Клеевое соединение по всей площади считается сплошным, имеющим одинаковую толщину.
При проведении расчета масс отдельных элементов конструкции необходимо произвести некоторые допущения. Во-первых, при проведении расчета не учитываются массы заклепок, герметизирующих прокладок, наплавленного металла при сварке и других переменных элементов в связи с их малостью. Во-вторых, вспененный полимер считается уложенным в ячейку целым блоком. В третьих, при определении площадей, на которые наносятся клеевые составы, не сделана поправка на площади внешнего и внутреннего слоев, лежащие под поперечным сечением стенки связей среднего слоя в связи с их малостью.
Массу всей конструкции можно определить по формуле: IvU - масса вспененного конструкционного материала среднего слоя; Мб - масса клеевых соединений. Масса внешнего слоя определяется по формуле: где, S - площадь внешнего слоя; 11 -толщина внешнего слоя; pi- плотность материала внешнего слоя. Масса внутреннего слоя определяется по формуле: где, S - площадь внутреннего слоя; 12-толщина внутреннего слоя; р2 - плотность материала внутреннего слоя. Масса каркаса среднего слоя определяется по формуле: где, ос - площадь поперечного сечения связи среднего слоя; L-длина связи среднего слоя, равная длине одной стороны модели; рЗ- плотность материала связи среднего слоя; П - число связей каркаса одного направления на единицу площади поверхности конструкции. Масса среднего слоя вспененного полимерного материала определяется по формуле: где, І4-толщина среднего слоя; р4 - плотность вспененного полимерного конструкционного материала. Масса клеевого состава нанесенного на поверхности при изготовлении конструкции определяется по формуле: где, І5 -толщина пленки клеевого соединения; р5- плотность клеевого состава. Подставим полученные выражения в формулу (4,/.)и получим Проектанту важно знать, какие параметры оказывают наибольшее влияние на изменение массы конструкции, и иметь возможность проведения оценочного При анализе формулы (%?) видно, что масса единичного элемента конструкции зависит от толщины внешнего и внутреннего слоев, расстояния между ними, площади поперечного элементов каркаса среднего слоя, толщины пленки клеевого состава, а также физико-механических свойств примененных материалов.
Рассмотрим более подробно влияние каждого из приведенных выше параметров на массу конструкции.
Целесообразность применения многослойных оболочковых конструкций рассматривается в качестве альтернативы надстройке классической конструкции в сочетании с деталями изоляции и внутренней обстройки. Известно, что классическая конструкция надстройки предусматривает проектирование обшивки: толщиной от 3 мм и выше из стали, и 3 мм и выше из свариваемых алюминиевых сплавов. Надстройки классической клепаной конструкции в настоящее время, как правило, не проектируются, поэтому приводить их в качестве примера мы не будем. , Итак, из выше сказанного видно, что применение многослойной оболочковой конструкции целесообразно при максимальной толщине ее внешнего слоя из алюминиевого сплава не более 2 мм. Сортаменты отечественных металлургических предприятий предусматривают изготовление листовых полуфабрикатов в диапазоне 0,7...2,0 мм с шагом изменения толщины в среднем 0,2 мм (ГОСТ 21631-76). Таким образом, существует возможность достаточно широко варьировать толщину внешнего слоя конструкции.
В качестве материала внутреннего слоя могут применяться как металлические, так и неметаллические материалы. В случае использования листов алюминиевого сплава, толщина внутреннего слоя может варьироваться в тех же пределах, что и внешнего слоя. При применении неметаллических материалов шаг изменения толщины определяется техническими условиями на этот материал.
Для начала определим, каким образом влияет на изменение массы всей конструкции изменение толщины внешнего и внутреннего слоев. В общем виде эти зависимости выглядят так: Однако, учитывая, что мы имеем дело с дискретным изменением параметров tl и t2, и, кроме того, число этих изменений не только конечно, но и мало, запишем: Перейдя в соответствии с ГОСТ21631-76 к численным значениям, получаем для алюминиевого сплава значение изменения шага At1 и Al2 примерно равным величине 0,54 кг/кв. м поверхности.
