Устройство для защиты днища с продольной системой набора при посадке судна на грунт

Полезная модель относится к области судостроения, точнее к днищевым конструкциям с высокой местной прочностью в судах с продольной системой набора днища, и может быть использована при посадке судов на грунт с их последующим осушением в местах отливов, в том числе на необорудованном берегу.
Известно устройство для защиты днища судна при его посадке на грунт, выполненное виде пары замкнутых продольных элементов, расположенных симметрично относительно диаметральной плоскости судна и жестко закрепленных на обшивке днища, при этом каждый продольный элемент содержит опорную полосу, преимущественно горизонтальную, наклонные боковые стенки, верхние кромки которых жестко прикреплены к обшивке днища, и поперечные ребра жесткости, причем расстояние между верхними кромками наклонных боковых стенок больше ширины опорной полосы (см. патент РФ № 2559062, 2015 г.).
К недостаткам решения можно отнести значительное число узлов с высокой концентрацией напряжений в местах резких изменений высоты стенки флора. При повреждениях (трещины, разрывы) сварных швов обшивки в этих местах корпус судна лишается важнейшего свойства - водонепроницаемости. Отсеки затапливаются не сразу после повреждений, а в период прилива, и судно может не всплыть, потерять свойство плавучести. Силы давления грунта на обшивку днища остаются высокими и практически неизменными в процессе осушения, что способствует более глубокому погружению судна в грунт, т.к. наклонные полосы близки к вертикальному положению, что не позволяет по мере погружения судна в грунт существенно повысить площадь (ширину) контакта для передачи сил давления грунта. При этом данное решение предлагает увеличенное число стрингеров и сравнительно большую их высоту. Это повышает металлоемкость и стоимость днища при сохранении низкой технологичности изготовления и ремонтопригодности.
В качестве ближайшего аналога принято устройство для защиты днища с продольной системой набора при посадке судна на грунт, выполненное в виде пары замкнутых продольных элементов, расположенных симметрично относительно диаметральной плоскости, при этом каждый продольный элемент содержит поперечные ребра жесткости, боковые стенки, нижние кромки которых жестко прикреплены к опорной полосе, преимущественно горизонтальной, а верхние жестко прикреплены к обшивке днища, причем верхняя кромка внешней боковой стенки размещена в одной вертикальной плоскости с центральной осью ближайшего к ней несущего элемента днищевого набора судна (см. патент РФ № 206393, 2021 г.).
Недостатком ближайшего аналога является то, что изгиб опорной полосы передается на боковые стенки, тем самым снижая их прочность и устойчивость, что приводит к необходимости увеличения толщины элементов и веса устройства.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, состоит в разработке конструкции внешней защиты днища судов, которая обеспечит снижение давлений грунта и уровня напряжений в элементах при высокой ремонтопригодности.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в повышении защиты днища судна при его посадке на грунт в силу следующих факторов:
уменьшение давления грунта за счет увеличения исходной площади (ширины) контакта;
повышение прочности устройства за счет увеличения ширины опорной полосы, обусловленное значительным снижением изгибающего момента, передаваемого на боковые стенки от опорной полосы, и как следствие снижением уровня напряжений;
повышение жесткости опорной полосы при незначительном увеличении ее толщины;
повышение устойчивости боковых стенок без ухудшения прочности судна;
уменьшение массогабаритных характеристик устройства при условии равенства нагрузки от грунта;
повышение долговечности и надежности сварных швов, соединяющих опорную полосу с боковыми стенками, за счет предотвращения их прямого контакта с грунтом.
Поставленная задача решается тем, что устройство для защиты днища с продольной системой набора при посадке судна на грунт, выполненное в виде пары замкнутых продольных элементов, расположенных симметрично относительно диаметральной плоскости, при этом каждый продольный элемент содержит поперечные ребра жесткости, боковые стенки, нижние кромки которых жестко прикреплены к опорной полосе, преимущественно горизонтальной, а верхние жестко прикреплены к обшивке днища, причем верхняя кромка внешней боковой стенки размещена в одной вертикальной плоскости с центральной осью ближайшего к ней несущего элемента днищевого набора судна отличается тем, что у каждого продольного элемента опорная полоса шире, чем расстояние между линиями крепления к ней нижних кромок боковых стенок, а расстояние от боковой кромки опорной полосы до ближайшей к ней линии крепления нижней кромки соответствующей боковой стенки составляет 20-30% от ширины опорной полосы, кроме того, для каждой боковой стенки угол между ее внутренней поверхностью и опорной полосой составляет не менее 90°.
Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков предлагаемого технического решения и совокупности существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом совокупность отличительных признаков формулы полезной модели позволяет при незначительном повышении веса достичь снижения давлений грунта и повышения долговечности, ремонтопригодности конструкции, прочности и жесткости опорной полосы и прочности и устойчивости боковых стенок.
На фиг. 1 показана конструктивная схема продольного элемента.
На фиг. 2 изображен поперечный разрез судна с продольными элементами.
На фиг. 3 приведены сравнения изгибающих моментов в кН⋅см (балочная идеализация) при ортогональном соединении элементов:
а - при ширине опорной полосы, соответствующей расстоянию между линиями крепления к ней нижних кромок боковых стенок;
б - при ширине опорной полосы больше расстояния между линиями крепления к ней нижних кромок боковых стенок.
На фиг. 4 приведены сравнения перемещений в мм (балочная идеализация) при ортогональном соединении элементов:
а - при ширине опорной полосы, соответствующей расстоянию между линиями крепления к ней нижних кромок боковых стенок;
б - при ширине опорной полосы больше расстояния между линиями крепления к ней нижних кромок боковых стенок.
На фиг. 5 приведены сравнения приведенных напряжений в МПа (балочная идеализация) при ортогональном соединении элементов:
а - при ширине опорной полосы, соответствующей расстоянию между линиями крепления к ней нижних кромок боковых стенок;
б - при ширине опорной полосы больше расстояния между линиями крепления к ней нижних кромок боковых стенок.
На фиг. 6 приведены результаты расчетов методом конечных элементов (МКЭ) устройства, в котором угол между опорной полосой и внутренней поверхностью внутренней боковой стенки больше угла между опорной полосой и внутренней поверхностью внешней боковой стенки (пластинчатая идеализация):
а - напряжения при ширине опорной полосы, соответствующей расстоянию между линиями крепления к ней нижних кромок боковых стенок;
б - прогибы при ширине опорной полосы, соответствующей расстоянию между линиями крепления к ней нижних кромок боковых стенок;
в - напряжения при ширине опорной полосы больше расстояния между линиями крепления к ней нижних кромок боковых стенок;
г - прогибы при ширине опорной полосы больше расстояния между линиями крепления к ней нижних кромок боковых стенок.
На чертежах показаны опорная полоса 1, внутренняя 2 и внешняя 3 боковые стенки, поперечные ребра жесткости 4 продольного элемента, обшивка днища 5 судна, опоры 6 и 7, продольные подкладные полосы 8 и 9 внутренней 2 и внешней 3 боковых стенок соответственно, несущие элементы 10 днищевого набора, борт 11 и горизонтальный киль 12 судна.
Также на чертежах указаны следующие обозначения:
b0 - расстояние между линиями крепления нижних кромок боковых стенок 2 и 3 к опорной полосе 1;
b1 - расстояние от боковой кромки опорной полосы 1 до линии крепления к ней нижней кромки внешней боковой стенки 3;
b2 - расстояние от боковой кромки опорной полосы 1 до линии крепления к ней нижней кромки внутренней боковой стенки 2;
B - ширина опорной полосы 1;
b - эффективная ширина продольного элемента при погружении судна в грунт на величину h;
h - глубина внедрения судна в грунт;
H - максимальная высота продольного элемента;
β1 - угол между опорной полосой 1 и внутренней поверхностью внешней 3 боковой стенки;
β2 - угол между опорной полосой 1 и внутренней поверхностью внутренней 2 боковой стенки.
Устройство для защиты днища судна с продольной системой набора днища при его посадке на грунт выполнено в виде пары замкнутых продольных элементов, расположенных симметрично относительно диаметральной плоскости (ДП) судна и жестко закрепленных на обшивке днища 5.
Каждый продольный элемент содержит
преимущественно горизонтальную опорную полосу 1, для которой наибольшие не только давления грунта, но и скорости износа, и толщина которой может быть дополнительно увеличена для повышения прочности и долговечности;
боковые стенки 2 и 3, которые работают преимущественно на сжатие, но могут воспринимать и прямые давления грунта;
поперечные ребра жесткости 4, установленные по длине преимущественно с равным интервалом, повышают пространственную жесткость продольных элементов.
Верхние кромки боковых стенок 2 и 3 жестко прикреплены к их продольным подкладным полосам 8 и 9, предварительно приваренным к обшивке днища 5 в соответствующих опорах 6 и 7, причем верхняя кромка внешней боковой стенки 3 размещена в одной вертикальной плоскости с центральной осью ближайшего к ней несущего элемента 10 днищевого набора судна, в качестве которого могут быть использованы продольная балка и/или стрингер.
Нижние кромки боковых стенок 2 и 3 жестко прикреплены к опорной полосе 1 с формированием на ней линий крепления.
У каждого продольного элемента:
ширина B опорной полосы 1 больше, чем расстояние b0 между линиями крепления к ней нижних кромок боковых стенок 2 и 3;
величина расстояний b1, b2 от боковой кромки опорной полосы 1 до ближайшей к ней линии крепления нижней кромки соответствующей боковой стенки 3, 2 составляет 20-30% от ширины B опорной полосы 1;
для каждой боковой стенки 3, 2 угол между ее внутренней поверхностью и опорной полосой (β1 и β2) составляет не менее 90°.
При этом варьирование и сочетание значений углов β1 и β2 и расстояний b1, b2 обеспечивает выбор оптимальных условий работы боковых стенок 3 и 2 с учетом возможной разной жесткости в соответствующих опорах 7 и 6.
Опорные полосы 1 продольных элементов следует располагать ниже уровня горизонтального киля 12 судна.
На грунтах относительно высокой прочности это позволит избежать прямого контакта горизонтального киля 12 с грунтом.
На грунтах средней прочности возможен дополнительный контакт грунта в районе горизонтального киля 12. Этот район днища 5 является конструктивно усиленным для восприятия реакции килевой дорожки при постановках судов в док.
На грунтах с невысокой прочностью силы давления грунта могут охватывать значительную часть поверхности днища 5, включая районы с относительно низкой прочностью. Однако сила давления на эти районы будет меньше за счет первичного участия продольных элементов и конструктивно усиленных районов днища 5.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
При посадке судна, в процессе его погружения в грунт силы давления грунта на опорную полосу 1, а также на боковые стенки 2 и 3 каждого продольного элемента передаются через продольные подкладные полосы 8 и 9 на обшивку днища 5 и далее на опоры 6 и 7.
При этом по мере внедрения судна в грунт и увеличения глубины h значение соответствующей эффективной ширины b продольного элемента:
при ортогональном соединении боковых стенок 2 и 3 с опорной полосой 1 становится постоянным и соответствующим расстоянию b0 между линиями крепления к ней нижних кромок боковых стенок 2 и 3;
при наклонном соединении хотя бы одной из боковых стенок 2 и 3 с опорной полосой 1 увеличивается, а значения удельных сил давления грунта наоборот падают, что приводит к минимизации глубины внедрения судна в грунт h.
Параметры продольных элементов определяют расчетным путем по известным методикам.
Сила взаимодействия судна с грунтом при полном осушении равна его весовому водоизмещению. При наличии внешней конструктивной защиты днища на нее должна приходиться значительная доля этой силы, вплоть до 100% - когда нет прямого контакта обшивки днища с грунтом.
Для повышения эффективности внешней конструктивной защиты днища важна суммарная площадь зон контакта судна с грунтом, зависящая от количества продольных элементов, их протяженности вдоль судна и эффективной ширины зоны этого контакта. Учитывая, что продольные элементы погружаются в грунт (тем больше, чем меньшие его сопротивление), эффективная ширина зоны контакта может меняться.
Правила Российского морского регистра судоходства предусматривают связь контактных давлений p с осадкой судна d и площадью контакта A:
При заданной силе контактных давлений p, равной весу судна, и проектной осадке судна d это позволяет оценить необходимую площадь контакта A для внешней конструктивной защиты.
При заданном количестве продольных элементов и их протяженности вдоль судна определению подлежит эффективная ширина продольных элементов b с учетом формы их поперечного сечения и глубины внедрения в грунт h.
Для проверки и подтверждения заявленного технического результата были выполнены сравнительные расчеты напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов (МКЭ) для моделей в балочной (фиг. 5) и в пластинчатой (фиг. 6) идеализациях.
За базовый вариант принято устройство для защиты днища, в котором при одинаковой длине боковые стенки размерами 10×250 мм ортогонально соединены с опорной полосой размером 12×250 мм, при этом ширина B опорной полосы соответствует расстоянию b0 между линиями крепления к ней нижних кромок боковых стенок (см. фиг. 5а).
Масса базового варианта устройства для защиты днища была принята за 100%.
В качестве заявляемого варианта (см. фиг.5б) принято устройство для защиты днища, в котором при одинаковой длине боковые стенки размерами 10×250 мм соединены с опорной полосой толщиной 12 мм, при этом:
b0 (расстояние между линиями крепления нижних кромок боковых стенок к опорной полосе) = 250 мм;
B (ширина опорной полосы) = 454 мм;
b1 = b2 (расстояния от боковой кромки опорной полосы до ближайшей к ней линии крепления нижней кромки соответствующей боковой стенки) = 22,47% от B = 102 мм;
β1 = β2 (углы между опорной полосой и внутренней поверхностью соответствующей боковой стенки) = 90°.
Масса заявляемого варианта составила 129%.
По итогам сравнительного анализа базового и заявляемого вариантов в балочной идеализации были сделаны следующие выводы:
1. Увеличение ширины опорной полосы увеличивает массу устройства на 29%.
2. В результате увеличения ширины опорной полосы давления грунта снижаются в 1,80 раза, соответственно снижаются скорости износа, а долговечность до момента ремонта и замены повышается.
3. Благодаря увеличению ширины опорной полосы наибольшие напряжения в ней уменьшаются в 1,87 раза, а прочность соответственно увеличивается.
4. Наибольшие стрелки прогиба опорной полосы уменьшаются в 3,92 раза и соответственно повышается ее жесткость.
5. Увеличение ширины опорной полосы позволяет обеспечить значительное (в 12 раз!) снижение наибольших напряжений в опорных полосах.
6. Увеличение ширины опорной полосы позволяет на 2-3 порядка уменьшить и практически исключить роль изгиба опорных полос и соответственно повысить их устойчивость в условиях сжатия.
Указанные эффекты при сохранении заданного уровня прочности могут использоваться для снижения толщин элементов устройства для защиты днища, его веса и стоимости.
Расчеты МКЭ в пластинчатой идеализации и последующий сравнительный анализ (фиг.6) показали, что уровень наибольших напряжений опорной полосы снижается в 3,6 раза, а ее прогибы снижаются в 1,4 раза.
Таким образом, пластинчатая идеализация показывает более значительный эффект по прочности опорной полосы, но менее значительный эффект по ее жесткости в сравнении с балочной идеализацией.
Представленные расчеты не учитывали дополнительное снижение нормативных давлений грунта по Правилам Регистра, где они связаны с площадью контакта (A) в соответствии с формулой (1).
Если полагать, что ребра жесткости 4 внутри устройства для защиты днища установлены через 1200 мм (2 шпации), то увеличение ширины опорной полосы с 250 до 454 мм приведет к снижению нормативных давлений по формуле (1) в 1,29, что равно указанному выше увеличению массы устройства для защиты днища.