ПАССАЖИРСКОЕ СУДНО НА ПОДВОДНЫХ КРЫЛЬЯХ, ИМЕЮЩЕЕ НАДСТРОЙКУ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Область техники
Полезная модель относится к области судостроения, а именно к конструкции скоростных пассажирских судов, в частности, пассажирских судов на подводных крыльях (СПК).
Уровень техники
Из уровня техники известно пассажирское амфибийное судно на воздушной подушке, содержащее в своем составе несущий корпус из высокопрочных композиционных материалов, разделенный на отсеки и содержащий в том числе пассажирский салон (заявка на патент РФ №2010118578, МПК В60У1/00, дата публикации заявки: 20.11.2011).
Однако, в данной заявке рассмотрено пассажирское судно на воздушной подушке и с корпусом из композиционных материалов, а не судно на подводных крыльях и с надстройкой из композиционных материалов, а у каждого из таких типов судов своя специфика и характер силовых нагрузок, в том числе на части из композиционных материалов.
По авторским сведениям, пассажирские суда на подводных крыльях имели до настоящего времени металлические корпус и надстройку из алюминиевых сплавов [3].
Раскрытие полезной модели
Задача полезной модели - разработка единого целого устройства пассажирского судна на подводных крыльях и с надстройкой из композиционных материалов с учетом силовых нагрузок в таком судне.
Технический результат: увеличение полезной нагрузки (пассажировместимости) судна за счет экономии массы судна при оптимальной обоснованной замене металлической надстройки на надстройку из композиционных материалов.
Технический результат достигается тем, что пассажирское судно на подводных крыльях имеет надстройку в виде многослойной оболочки обтекаемой формы, изготовленной из неметаллических композиционных материалов.
При этом оптимизация массы корпуса и надстройки судна произведена в первую
срКМ
срЛС
очередь с использованием формулы, где t, t - средняя толщина обшивки корпуса, соответственно, из композита и из легкого (алюминиевого) сплава; а от, воле - пределы прочности, соответственно, композита и легкого сплава; так как по формуле можно определить предел прочности композита и среднюю толщину композита при условии совместной деформации при общем изгибе эквивалентного бруса, состоящего из нижней части (собственно корпуса СПК), изготовленного из легких сплавов, и верхней части (надстройки СПК), изготовленной из композита. При этом надстройка прикреплена по периметру к металлическому корпусу при помощи заклепочных или болтовых соединений и опирается на переборки и выгородки, жестко прикрепленные к корпусу.
Надстройка имеет слоистую структуру, преимущественно пятислойную.
Первым внешним слоем надстройки является декоративный слой, изготовленный из синтетического связующего (полиэфирной, винилэфирной, эпоксидной смолы) и пигментов или может быть выполнен в виде окрасочного слоя.
Третьим с внешней стороны надстройки слоем является легкий слой, который изготовлен из материалов для легких слоев, имеющих малый удельный вес, например, вспененных структур типа пенопластов и прикреплен ко второму слою с помощью клея. Внутри легкого слоя имеются сквозные каналы, которые также заполнены клеем.
Следующим за первым декоративным слоем идет второй слой, изготовленный из стеклянного армирующего материала и синтетического связующего (полиэфирной, винилэфирной, эпоксидной и других смол) методом контактного формования.
Четвертым с внешней стороны надстройки слоем является слой, также изготовленный из стеклянного армирующего материала и синтетического связующего (полиэфирной, винилэфирной, эпоксидной и других смол) методом контактного формования.
Второй и четвертый слои могут быть изготовлены также из армирующих материалов на основе углеродных волокон.
Второй, третий и четвертый слои надстройки могут быть изготовлены посредством вакуумной инфузии.
Пятым с внешней стороны надстройки и крайним с внутренней стороны слоем является слой, изготовленный из любого декоративного материала и предназначенный для обеспечения дизайна интерьера помещения, находящегося внутри надстройки. Внутренний декоративный слой крепится к предыдущему слою также при помощи клея.
В результате использования указанных средств замены алюминиевой надстройки СПК на композитную можно получить увеличение полезной нагрузки (пассажировместимости) судна до 10…15% за счет экономии массы судна до 5…8%.
Перечень фигур
Фиг. 1. Вид сбоку типового СПК и его расчетная схема (сбоку и спереди) для определения массы и положения центра тяжести корпуса и надстройки СПК, сочетающих в своей конструкции легкие (алюминиевые) сплавы и композиционные материалы.
Фиг. 2. Надстройка из композиционных материалов (вид сбоку и спереди)
Фиг. 3. Четыре варианта сечений слоистой надстройки из композиционных материалов
Фиг. 4. Два варианта узлов крепления надстройки из композиционных материалов к корпусу.
Фиг. 5. Два варианта узлов крепления остекления в надстройке из композиционных материалов.
Осуществление полезной модели
Для обеспечения необходимых характеристик экономичности пассажирское (с количеством пассажиров на борту более 12 человек) судно на подводных крыльях должно иметь наибольшее соотношение между его полезной нагрузкой и собственным весом.
Для повышения характеристик эффективности пассажирского судна на подводных крыльях, за счет снижения массы его надстройки и одновременного повышения его полезной нагрузки нагрузку судна на подводных крыльях можно представить в виде:
i
где Р - статья нагрузки
Нагрузка масс, также, может быть представлена в виде:
пор
где D - водоизмещение порожнем;
DW - дедвейт.
Основными составляющими водоизмещения порожнем для пассажирских судов на подводных крыльях будут:
корп
где P - масса корпуса,
об
P - масса оборудования;
эу
P - масса энергетической установки;
КУ
P - масса крыльевого устройства;
ДРК
P - масса движительно-рулевого комплекса;
эл.об
P - масса электрооборудования;
j
ΣP - сумма масс всех остальных статей водоизмещения порожнем, как правило, не превышающая 3…5% от общей суммы.
Составляющими дедвейта для пассажирского судна на подводных крыльях будет масса экипажа и пассажиров, а также запас топлива, который в большой степени, определяет потребительские качества судна такого типа. Тогда:
насс
где P - масса пассажиров и экипажа;
толл
P - масса топлива;
g
ΣP - масса остальных статей дедвейта, как правило, не превышающая 3…5% от общей суммы.
Для обеспечения необходимых характеристик экономичности пассажирское судно на подводных крыльях должно иметь наибольшее соотношение между его полезной нагрузкой и полной массой:
Дедвейт судна на подводных крыльях может быть представлен как разность между полной массой судна и его водоизмещением порожнем (собственным весом судна):
При анализе уравнений (1-3) при фиксированных размерах судна (L, B, H=const) (см. фиг. 1) определяется условие обеспечения минимального водоизмещения порожнем (собственного веса судна). Минимизация водоизмещения порожнем судна на подводных крыльях обеспечивается за счет обеспечения минимизации массы корпуса и надстройки при прочих равных других статьях весовой нагрузки при необходимости обеспечения его прочности и долговечности.
Масса корпуса и надстройки входит в качестве слагаемого в уравнение полной массы (1) и может быть выражена, как:
k
где P - масса по статье нагрузки «Корпус», включающая массу корпуса и надстройки;
i-l
ΣP - масса по статьям нагрузки без статьи «Корпус»;
L, B, H - длина, ширина, высота корпуса и надстройки;
k
g - кубический модуль, представляющий собой отношение массы корпуса к его объему.
Материал корпуса и надстройки определяется своими характеристиками. Характеристики материала корпуса входит в качестве сомножителя в уравнение прочности:
max
где M - предельный изгибающий момент от общего изгиба СПК при наиболее неблагоприятном случае эксплуатационной нагрузки;
0
σ - предел прочности материала;
k - коэффициент пропорциональности;
W - момент сопротивления поперечного сечения эквивалентного бруса на миделе судна.
Предельный изгибающий момент при общем изгибе судна на подводных крыльях при наиболее неблагоприятном случае эксплуатационной нагрузки, также, может быть выражен как:
где D - полная масса судна;
l
k - коэффициент пропорциональности.
Момент сопротивления поперечного сечения эквивалентного бруса на миделе судна может быть представлен как:
где F - площадь поперечного сечения эквивалентного бруса на миделе;
k
η - коэффициент утилизации профиля эквивалентного бруса. Приравнивая выражения (12) и (13) получим:
Выражение (14) отражает степень влияния материала корпусных конструкций судна на его полную массу и, как следствие, на характеристики полезной нагрузки. Рассматривая данное уравнение, можно увидеть, что основным резервом увеличения полезной нагрузки пассажирского судна на подводных крыльях является правильное проектирование его корпуса и надстройки, заключающееся, во-первых, в минимизации их массы, и, во-вторых, в оптимальном сочетании массы корпуса и надстройки, их общей и местной прочности [1, 2, 4]. При этом корпус и надстройка подвергаются различным эксплуатационным нагрузкам. Корпус в процессе эксплуатации подвергается статическим и динамическим воздействиям, которые требуют от корпусных конструкций большой прочности и необходимой жесткости и, соответственно, веса. Надстройка пассажирских судов на подводных крыльях подвержена существенно меньшим нагрузкам. Поэтому обеспечение минимизации массы по статье нагрузки «Корпус» пассажирского судна на подводных крыльях наилучшим образом может быть обеспечено за счет минимизации массы его надстройки. [1, 2, 4]
Минимизация массы надстройки, изготовленной из алюминиевых сплавов, приводит к минимизации толщин ее связей. Это влечет за собой технологические затруднения при ее изготовлении, выражающиеся в использовании клеено-клепаных и клеено-сварных соединений, с одновременным повышением стоимости изготовления и снижением характеристик долговечности конструкции.
Так как пассажирские суда на подводных крыльях являются скоростными судами, они должны иметь возможно меньшее сопротивление движению. При этом корпус судна, движущийся в воде и над поверхностью воды, должен иметь в первую очередь, минимальное гидродинамическое сопротивление. А надстройка, движущаяся в воздушной среде должна иметь минимальное аэродинамическое сопротивление, то есть наилучшую обтекаемость формы. Изготовление конструкций совершенных аэродинамических форм из алюминиевых сплавов связано с существенными технологическими затруднениями и большими затратами. Поэтому, в ряде случаев, совершенством аэродинамических форм конструкций судов на подводных крыльях поступаются из соображений их технологичности. [1, 2, 4]
В соответствии со сложившейся в отечественном судостроении практикой, наиболее предпочтительным материалом для постройки скоростных судов считаются легкие сплавы. В то же время, придание конструкциям из легких сплавов совершенных аэродинамических форм связано с применением достаточно сложных технологий обработки и, как следствие, с большими затратами. Поэтому наиболее предпочтительным для подсистемы «Корпус» СПК является сочетание легких сплавов для конструкции собственно корпуса и композиционных материалов для конструкции надстройки (рубки). Использование для изготовления надстройки пассажирского судна на подводных крыльях полимерных композиционных материалов позволяет обеспечить аэродинамическое совершенство формы надводной части судна в сочетании с необходимой экономией веса конструкции. [3]
Известно, что наибольшую часть массы корпуса СПК составляет масса наружной обшивки корпуса и надстройки, а на долю переборок, выгородок продольного и поперечного набора, фундаментов и подкреплений редко приходится более 15% массы корпуса. Поэтому на этапе декомпозиции подсистемы «Корпус», на котором производится определение его массы, конструкция корпуса и надстройки СПК может рассматриваться, как оболочка. [3]
Можно рассматривать поверхность этой оболочки в виде двух отдельных поверхностей. Это, во-первых, корпус, имеющий остроскулые обводы с небольшой килеватостью в средней и кормовой части. Он изготавливается из легких сплавов. Во-вторых, это поверхность надстройки СПК, которую целесообразно изготавливать из композиционных материалов. Обе части входят в состав эквивалентного бруса и обеспечивают общую прочность СПК. Из условия обеспечения прочности корпуса СПК при общем изгибе (14) может быть выражен предел прочности материала корпуса:
Момент сопротивления эквивалентного бруса без учета площади продольного набора, которая, как правило, невелика, на этом этапе разработки проекта может быть представлен, как:
ср
где t - средняя толщина обшивки.
Условие обеспечения общей прочности (16) справедливо, как для корпуса, изготовленного из легких сплавов, так и для корпуса, изготовленного из композитов. Подставив в уравнение общей прочности выражение (14), получаем:
срКМ
срЛС
где: t, t - средняя толщина обшивки корпуса, соответственно, из композита и из легкого сплава;
0КМ
0ЛС
σ, σ - пределы прочности, соответственно, композита и легкого сплава.
Выражение (17) является условием равной прочности конструкций корпуса, изготовленного из легких сплавов и конструкций корпуса, изготовленного из композитов. Для корпусов, имеющих одинаковые геометрические размеры, это условие будет иметь вид:
Выражение (18) позволяет определить предел прочности композита и его среднюю толщину при условии совместной деформации при общем изгибе эквивалентного бруса, состоящего из нижней части (собственно корпуса СПК), изготовленного из легких сплавов, и верхней части (надстройки СПК), изготовленной из композита.
В дополнение к нагрузкам от общего изгиба эквивалентного бруса в виде корпуса и надстройки СПК, на поверхность его нижней части, изготовленной из легких сплавов, действует комплекс локальных статических и динамических нагрузок. Поверхность надстройки из композитов подвергается эпизодическим внешним воздействиям локальных нагрузок, имеющих существенно меньшую величину и принципиально иной характер. Конструкции корпуса и надстройки СПК обеспечивают прочность при действии этих различающихся нагрузок, поэтому имеют различную площадь поперечного сечения и, соответственно, различную массу единицы поверхности.
При расчетах ходкости судов на подводных крыльях, а также общей и местной прочности СПК по существующим методикам необходимо знать распределение масс по длине судна, а также положение его центра тяжести по длине и высоте. Наибольшую сложность расчет распределения масс по длине и определение положение центра тяжести по длине и высоте представляет для статьи нагрузки «Корпус».
кi
нj
кi
i
нj
j
Рассмотрим элемент поперечного сечения корпуса и надстройки длиной ΔL. (см. фиг. 1) Выделим на поверхности нижней части корпуса элементарную дугу S а на поверхности надстройки S. Отнесем к площадке SΔL массу всех конструкций G, находящихся на этой площадке. Соответственно, к площадке SΔL будет отнесена масса всех конструкций G, находящихся на этой площадке. Тогда масса первого участка может быть представлена, как:
Масса второго участка может быть определена, как:
Определим моменты относительно плоскости мидель - шпангоута и основной плоскости для каждого элементарного участка. Соответственно, для нижней части (собственно, корпуса) и верхней части (надстройки) СПК запишем:
Суммарно масса всего корпуса и надстройки СПК равна:
Координаты его центра тяжести определяются, как:
Используя выражения (21-27) варьируя толщину и другие характеристики материалов корпуса и надстройки СПК, можно оптимизировать массу корпуса и надстройки судна, обеспечивая положение центра тяжести судна в соответствии с условиями, определенными из уравнения ходкости и необходимого дифферента. Изменение весовых и механических характеристик материалов корпуса и надстройки СПК позволяет, в определенных пределах, управлять положением центра тяжести по высоте, что дает возможность влиять на характеристики остойчивости судна. [3]
На фиг. 2 показаны виды сбоку и спереди надстройки из композиционных материалов, где буквами выделены: А - 4 варианта сечений слоистой структуры надстройки из композиционных материалов (на фиг. 3 показан общий вариант структуры слоистого материала для всех четырех упомянутых вариантов), Б - 2 варианта узлов крепления надстройки из композиционных материалов к корпусу (на фиг. 4), В - 2 варианта узлов крепления остекления в надстройке из композиционных материалов (на фиг. 5).
Для четырех вариантов А фиг. 3 обозначены следующими позициями слои:
1 - декоративно-защитный слой (гелькоут - варианты 1, 3, 4; краска - вариант 2),
2 - два слоя стеклопластика (варианты 1, 2, 4) или два слоя углепластика (вариант 3)
3 - средний слой - наполнитель (пенопласт - варианты 1, 2, 3 или соты - вариант 4);
4 - декоративная зашивка - все варианты.
Для двух вариантов Б фиг. 4 позициями обозначены: 5 - корпус; 6 - надстройка, 7 - профиль; 8 - крепления надстройки с корпусом внутри профилей (вариант 1 - заклепочные соединения; вариант 2 - болтовые соединения);
Для двух вариантов В фиг. 5 позициями обозначены: 6 - надстройка; 9 - рамка декоративная; 10 - остекление; для варианта 1: 11 - резина; 12 - рамка остекления; 13 - болтовое или винтовое соединение надстройки с остеклением с резиной; для варианта 2: 14 - профиль с замком 15 клеевого соединения надстройки и остекления.
Надстройка прикреплена по периметру к металлическому корпусу судна на подводных крыльях, изготовленному из алюминиевых сплавов, с помощью заклепочных или болтовых соединений (см. фиг. 4)
Надстройка опирается на переборки и выгородки, жестко прикрепленные к корпусу судна, имеющие многослойную структуру с легким средним слоем (пенопласт, соты) (фиг. 3).
Надстройка пассажирского судна на подводных крыльях представляет собой многослойную оболочку обтекаемой формы, изготовленную из неметаллических композиционных материалов.
Надстройка пассажирского судна на подводных крыльях имеет слоистую структуру. Первым внешним слоем надстройки является декоративный слой, изготовленный из синтетического связующего (полиэфирной, винилэфирной, эпоксидной смолы) и пигментов. Декоративный слой может быть выполнен в виде окрасочного слоя.
Следующим за декоративным слоем идет слой, изготовленный из стеклянного армирующего материала и синтетического связующего (полиэфирной, винилэфирной, эпоксидной и других смол) методом контактного формования. В качестве армирующих материалов могут применяться, также, высокомодульные и углеродные волокна. Для изготовления второго слоя может применяться также метод вакуумной инфузии.
Третьим с внешней стороны надстройки слоем является легкий слой, который изготавливается из вспененных структур типа пенопластов и крепится ко второму слою с помощью клея. Внутри легкого слоя имеются сквозные каналы, которые, также, заполняются клеем. Вместо пенопластов могут применяться также сотовые конструкции из различных материалов.
Четвертым с внешней стороны надстройки слоем является слой, изготовленный из стеклянного армирующего материала и синтетического связующего (полиэфирной, винилэфирной, эпоксидной и других смол) методом контактного формования. В качестве армирующих материалов могут применяться, также, высокомодульные и углеродные волокна. Для изготовления одновременно второго, третьего и четвертого слоев также может применяться метод вакуумной инфузии.
Пятым с внешней стороны надстройки и крайним с внутренней стороны слоем является слой, изготовленный из декоративного материала (любого), предназначенный для обеспечения совершенного дизайна интерьера помещения, находящегося внутри надстройки. Внутренний декоративный слой крепится к предыдущему слою при помощи клея.
Надстройка также имеет оконные проемы, в которых закреплены стекла с помощью клея. Стекла могут также крепиться в проемах с помощью болтов, а также с помощью специальных резиновых профилей (см. фиг. 5).
В результате использования указанных средств замены алюминиевой надстройки СПК на композитную можно получить увеличение полезной нагрузки (пассажировместимости) судна до 10…15% за счет экономии массы судна до 5…8%.
Опубликованные источники информации
1. Францев М.Э. Применение многослойных оболочковых конструкций на матрице из легких сплавов для надстроек, рубок и других надпалубных элементов малых судов. Судостроение, 2005, №1, стр.36-44
2. Францев М.Э. Улучшение эксплуатационных качеств малого судна за счет применения многослойных оболочек на матрице из легких сплавов. Речной транспорт (XXI век), 2005, №1, стр.89-93
3. Францев М.Э. Разработка методики проектирования верхних строений малых судов на основе многослойных оболочковых конструкций. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, СПБ, 2005, 236 стр.
4. Францев М.Э., Захаров А.И., Царев Б.А., Распределение функций и объемов между корпусом и надстройками при проектировании катеров. Материалы конференции СПбГМТУ «Кораблестроительное образование и наука»-2005». Сборник докладов. СПб, «Моринтех», 2005, стр.75-81.