Способ усиления надувных конструкций (варианты)
METHOD OF STRENGTHENING OF INFLATED CONSTRUCTIONS (VERSIONS)

Изобретение относится к маломерному судостроению, в частности к надувным маломерным судам с надувным корпусом, преимущественно к туристическим, прогулочным, спортивным и для других целей судам моторного, гребного или парусного типа, и судам специального назначения и конструкциям, таких как плоты или надувные переходы (судовые мостики), а также к космической промышленности, авиастроению, автомобилестроению, мобильным сооружениям быстрого развертывания служб МО и МЧС (госпитали, палатки, ангары, иные строительные конструкции).
Известные надувные моторные маломерные суда имеют общий принцип строения.
Верхний надувной корпус, цилиндрической или иной U-образной формы, замкнутый в корме транцем или надувным элементом или незамкнутый, надувной корпус может быть образован двумя надувными по оси симметрии баллонами, закрепленными между собой каркасом или дном, или иным способом. Дно, которое может быть надувным или жестким (RIB) из различных материалов, таких как пластик, смолы с армированием различных тканей, волокон, нитей или металла, или корпус изготовлен из дерева. Имеются маломерные суда, имеющие жесткий корпус, а в верхней части бортов или по периметру закреплен надувной борт, который служит дополнительным средством для плавучести судна. Известны суда имеющие фальшборт и суда катамаранного типа, которые имеют оболочечную конструкцию, напряженную избыточным давлением рабочей среды (воздухом). Как правило, эти конструкции имеют цилиндрическую удлиненную обтекаемую форму.
Надувной фальшборт устанавливается на надувной корпус судна с целью защитить судно от брызг и волн во время движения. Фальшборт увеличивает продольную жесткость надувного судна.
Катамараны характеризуются тем, что имеют два плавучих образования (скеги) по днищу, которые расположены симметрично друг другу и равноудалены от оси симметрии днища к правому и левому бортам. Тримараны имеют катамаранную конструкцию, только по оси симметрии, продольно, установлен еще один скег. Тримараны могут перемещать больший вес, но проигрывают катамаранам в скорости.
Существуют различные варианты плавсредств, таких как плоты или временные надувные переходы между судами, которым требуется поперечная и продольная жесткость.
Известен патент РФ на полезную модель №99763 (заявлен 01.07.2010, опубликован 27.11.2010), где роль скегов играют замкнутые или нет надувные баллоны, которые соединены между собой силовым каркасом, а к основным надувным баллонам для образования глиссирующей поверхности присоединены малые поплавки.
Известен патент РФ на полезную модель №148315 (заявлен 04.04.2014, опубликован 10.12.2014), в котором регулировка ширины подошвы скега осуществляется за счет баллона скега, в котором продольно устанавливается перегородка, которая фиксирует высоту баллона скега, а ширина двух долей образованных перегородкой единого баллона задана в зависимости от необходимой ширины подошвы скега.
Однако приведенные конструкции обладают рядом существенных ограничений.
Как-то надувной корпус имеет цилиндрическую U-образную или иную форму, который несет на себе большие продольные и поперечные нагрузки. Корпус состоит из баллона, как правило, цилиндрической формы, в котором, при необходимости, имеются по правому и левому борту герметичные поперечные переборки, которые создают независимые отсеки, повышающие живучесть судна. При разрушении одной секции целыми остаются, как минимум, одна или две секции, в некоторых случаях в корпусах секций больше.
Поперечной жесткости можно добиться, если поперек установить по крайней мере один надувной элемент.
Однако у надувных судов слабым местом является продольная жесткость. Если в кокпите судна не равномерно распределен вес, например, в носовой и в кормовой частях, надувной корпус изгибается, и судно теряет свои ходовые качества. В судах, где применяют деревянную слань (пайолы) в кокпите жесткость частично решается, однако не полностью и к тому же суда с пайолами менее мобильны, требуют дополнительных усилий по сборке, и значительно увеличивается вес. В судах с надувным дном жесткости можно добиться, если по периметру в кокпите установить жесткий продольный рамный каркас. Сам каркас имеет избыточный вес, требует достаточно времени для сборки, имеет неудобные габариты.
В маломерных надувных судах катамаранного и тримаранного типа частично продольную жесткость обеспечивают надувные образования (скеги), а если у таких судов присоединяют фальшборт, то судно приобретает еще дополнительную жесткость.
Надувные плоты имеют множество вариантов конструкции, но у всех есть общая особенность. Надувной плот имеет секции, образованные внутренними перегородками, закрепленными на внутренние поверхности оболочечной конструкции, которые создают объемный мат, либо секции состоят из надувных баллонов цилиндрической формы, скрепленных поочередно друг с другом. Тот же метод используется для изготовления судовых мостиков перехода. Всем этим конструкциям необходима поперечная и продольная жесткость.
В авиастроении в конструкции надувного крыла и корпуса, а также используются надувные скеги шасси, всем им необходима продольная жесткость.
В автостроении есть категория автотранспорта, в которой применяются объемные колеса, эта торовая оболочечная конструкция требует дополнительной жесткости.
Большие и малые помещения быстрого развертывания, применяемых МО, МЧС, в космической промышленности также требуются жесткие надувные конструкции, такие, как мачты для радиоантенн, солнечные паруса, плоскости для размещения солнечных батарей, надувные переходы и т.д.
В строительстве ангаров, стадионов, катков, складов, надувных домкратов, требуется дополнительная жесткость.
Издательством Иркутского государственного технического университета за 2006 год, была опубликована монография, «Эластичные Механизмы и Конструкции». Авторы книги В.Н. Шихирин, В.Ф. Ионова, О.В. Шальнев, В.И. Котляренко. Книга может быть полезна студентам, аспирантам, научным работникам и инженерам, занимающимся конструированием, эксплуатацией эластичных механизмов, аварийно-спасательного и инженерного оборудования и исследованием их свойств. В книге изложен многолетний опыт создания и исследования мягких оболочек, эластичных пневматических конструкций, мягких конструкционных материалов и, так называемых, торовых технологий и перспективы их использования в промышленности.
К эластичным механизмам (механизмам с эластичными элементами) относятся мягкие, предварительно напряженные избыточным давлением рабочей среды, оболочечные конструкции.
В монографии описываются замкнутые пузырьковые системы, которые близко подходят к решению задачи создать верхний надувной корпус упругим и жестким. Однако такая система до конца не решает поставленную задачу.
Упругость для надувных судов необходима для компактности сборки, жесткость корпуса судна необходима для ходовых характеристик в процессе эксплуатации.
Данная монография является научным описанием мягких оболочек и их механических возможностей, и в отношении заявляемого решения имеет общие признаки, а именно оболочечная конструкция, напряженная избыточным давлением рабочей среды.
Предложенная в данной заявке конструкция обладает достаточной технической простотой формирования жесткости оболочечной конструкции, напряженной избыточным давлением рабочей среды, удешевляет технологический процесс производства жесткости надувного корпуса, увеличивает скорость сборки и уменьшает вес судна. Перечисленные преимущества являются техническим результатом предлагаемого решения.
Заявителем проведен патентный поиск по данной теме. Он показал, что предлагаемая совокупность существенных признаков не обнаружена. Поэтому данное изобретение можно считать новым изобретением.
Сущность предлагаемого изобретения и практическая его работоспособность поясняется чертежами и нижеследующим описанием.
Известны жесткие конструкции, такие как плоские фермы, состоящие из поясов нижнего и верхнего, образующих контур фермы и решетки, состоящей из раскосов и стоек. Такие жесткие конструкции изготавливаются из металлов, бетона, дерева, пластика и других жестких материалов.
Пояса фермы работают на продольные усилия, решетка ферм воспринимает поперечную нагрузку. Если все стержни лежат на одной плоскости, ферма называется плоской. Если плоские фермы соединить между собой, появится пространственная ферма, имеющая от двух и более граней.
В интернете на сайте http://window.edu.ru/resource/250/65250/files/ystu04.pdf опубликовано Учебное пособие для студентов «Металлические конструкции», где подробно описаны конструкции и их свойства.
Конструктивные элементы, о которых идет речь ниже, являются фермами, которые могут быть плоскими и пространственными и которые являются элементами оболочечной конструкции (см. Википедия: Фермой называется жесткая конструкция из прямолинейных стержней, соединенных на концах шарнирами. Если все стержни фермы лежат в одной плоскости, ферма называется плоской. Места соединения стержней фермы называют узлами. Все внешние нагрузки к ферме прикладываются только в узлах. При расчете фермы трением в узлах и весом стержней (по сравнению с внешними нагрузками) пренебрегают или распределяют веса стержней по узлам. Тогда на каждый из стержней фермы будут действовать две силы, приложенные к его концам, которые при равновесии могут быть направлены только вдоль стержня. Следовательно, можно считать, что стержни фермы работают только на растяжение или на сжатие;
См. Википедия. (фр. , от лат.  прочный) - стержневая система в строительной механике, остающаяся геометрически неизменяемой после замены ее жестких узлов шарнирными. В элементах фермы, при отсутствии расцентровки стержней и вне узловой нагрузки, возникают только усилия растяжения-сжатия. Фермы образуются из прямолинейных стержней, соединенных в узлах).
Ферма состоит из элементов: пояс, стойка, раскос, шпренгель (опорный раскос).
Пространственные фермы образуют жесткий пространственный брус, способный воспринимать нагрузку, действующую в любом направлении. Каждая грань такого бруса представляет собой плоскую ферму).
В данном изобретении предложена конструкция различных надувных ферм, предварительно напряженных избыточным давлением рабочей среды, помещаемых в оболочечные конструкции.
Сущность предлагаемого способа можно охарактеризовать следующим образом.
Способ усиления надувных конструкций, включающих оболочечную конструкцию, напряженную избыточным давлением рабочей среды, характеризующийся тем, что в нее по оси симметрии закрепляют надувную плоскую ферму, образованную из двух поясов, надувных цилиндрических баллонов и раскосов, надувного цилиндра, который закрепляют на пояса.
Способ усиления надувных конструкций, включающих оболочечную конструкцию, напряженную избыточным давлением рабочей среды, характеризующийся тем, что в нее по оси симметрии закрепляют надувную конструкцию сплошной плоской фермы.
Способ усиления надувных конструкций, включающих оболочечную конструкцию, напряженную избыточным давлением рабочей среды, характеризующийся тем, что в нее по оси симметрии закрепляют надувную конструкцию сплошной фермы, состоящей из двухслойного эластичного материала, между слоями сплетены полиамидные нити, при этом оба слоя эластичной ткани по периметру их свободных краев герметично закрепляют между собой.
Способ усиления надувных конструкций, включающих оболочечную конструкцию, напряженную избыточным давлением рабочей среды, характеризующийся тем, что в нее по оси симметрии закрепляют пространственную надувную ферму.
Надувной цилиндрический корпус маломерного судна несет на себе поперечные нагрузки, т.е. на сжатие и растяжение. Чем длиннее надувной корпус, тем меньшие нагрузки он может вынести, при возрастающих нагрузках он изгибается, тем самым происходит деформирование корпуса состоящего из надувного корпуса и дна судна. Теоретически, если создать избыточное давление в 1-6 атмосферы, надувной корпус мог бы отвечать техническим характеристикам жесткого маломерного судна изготовленного из металла, пластика, дерева или иных жестких материалов. Но так как надувные маломерные суда изготавливаются из эластичных материалов и имеют швы соединений, то если не сама эластичная ткань, то соединительные швы не выдерживают необходимого давления и нагрузок. В настоящий момент не известны технологии, создающие бесшовные надувные суда.
Плоская надувная ферма, имеющая надувные раскосы, по характеристикам равна сплошной надувной объемной плоской ферме из того же эластичного материала, разница только в том, что сплошную поверхность проще и дешевле изготовить.
Эластичные ткани состоят из эластичного материала, который, может быть изготовлен из армирующей ткани, которая с двух сторон покрыта воздухонепроницаемым защитным слоем полимера поливинилхлорида ПВХ (PVC). Армирующий слой держит форму, и нагрузки, а полимер защищает ткань от истирания, раздира, ультрафиолетового излучения, агрессивной химической среды и воздухонепроницаем. В зависимости от толщины слоев полимера и толщины нитей плетения армирующей ткани, материал может быть по плотности гр./см.2 легче или тяжелее. В зависимости от габаритов маломерного судна для его создания используются ткани разной плотности.
Предлагается (Фиг. 1) в оболочечную конструкцию 1, напряженную избыточным давлением рабочей среды, в которой требуется поперечная и продольная жесткость, по оси симметрии установить из эластичной ткани надувную ферму 5, которая при избыточном давлении воздуха примет надлежащую форму и жесткость. Ферма изготавливается из двух поясов 3 - надувных цилиндрических баллонов, и раскосов 4 - надувного цилиндра, который закрепляется между двух поясов таким образом, что на надувных поясах размечаются места присоединения раскосов, а надувной цилиндр размечается на равные отрезки, которые будут служить раскосами и по разметке закрепляется на пояса; при необходимости могут быть установлены надувные стойки 2. После подачи избыточного давления в пояса и в надувной цилиндр последний изламывается по точкам, закрепленным на поясах. Таким образом, мы получаем надувную ферму 5, напряженную избыточным давлением воздуха. В совокупности с надувным баллоном и закрепленной изнутри надувной фермой корпус судна приобретет жесткость, достаточную, чтобы выдерживать поперечные нагрузки. Раскосы могут изготавливаться не только из сплошного длинного надувного цилиндра, но и из отдельных независимых цилиндров необходимой длины. В этом случае каждый цилиндр должен иметь воздушный клапан, закрепленный на оболочечной конструкции, либо иметь более сложную конструкцию воздухопровода.
Предлагается (Фиг. 2) в оболочечную конструкцию 1, напряженную избыточным давлением рабочей среды по оси симметрии установить из эластичной ткани надувную конструкцию сплошной плоской фермы 6, которая при избыточном давлении воздуха примет надлежащую форму и жесткость.
Сплошная ферма изготавливается из эластичного материала и имеет две поверхности, выкроенные по форме прямоугольника или трапеции или иной формы, которая повторяет контур среза оболочечной конструкции по оси симметрии. Две поверхности по периметру между собой герметично закрепляются и имеют между собой внутренние перегородки, которые по двум своим свободным краями или по периметру закрепляются (Фиг. 4) вдоль оси симметрии 8 или (Фиг. 5) поперек 9 или (Фиг. 6) закрепляются под углом 10 оси симметрии как раскосы по всей длине сплошной фермы и формируют треугольные или прямоугольные, или продольные, или поперечные напряженные объемные секции. Толщина сплошной плоской фермы может зависеть от ширины перегородки, а длинна и высота может зависеть от кроя эластичного материала формирующих объемную фигуру надувной фермы.
2
Известна эластичная ткань (Фиг. 7), состоящая из двух поверхностей 11, она может быть изготовлена из армирующей ткани. Две поверхности с наружной стороны покрыты, воздухонепроницаемым защитным слоем полимера, например, поливинилхлорида - ПВХ (PVC). Армирующая ткань держит форму и нагрузки, а полимер защищает ткань от истирания, раздира, ультрафиолетового излучения, агрессивной химической среды и воздухонепроницаем. Два слоя эластичной ткани с внутренней стороны сплетены прочными нитями 12 из полиэстера. Нити расположены между собой на небольшом расстоянии на 1 см, их количество может достигать 20-40 шт. Если два слоя эластичной ткани по периметру их свободных краев герметично закрепить между собой и создать напряжение избыточным давлением рабочей среды, конструкция примет форму объемного мата. Толщина мата будет зависеть от длины нитей, сплетающих две поверхности эластичной ткани. Благодаря прочности полиамидных нитей и их частому расположению на внутренних поверхностях эластичной ткани, конструкция может выдерживать большое внутреннее давление. Ели из ткани создать (Фиг. 3) объемный мат в форме сплошной плоской фермы 7 и дать избыточное давление от 0,5 до 1 атмосферы, то конструкция будет иметь отличные характеристики по жесткости в рабочем, напряженном состоянии и обладать хорошей эластичностью в нерабочем состоянии.
Предлагается также (Фиг. 3) в оболочечную конструкцию 1, напряженную избыточным давлением рабочей среды, по оси симметрии закрепить надувную конструкцию сплошной фермы 7. Ферма (Фиг. 7) состоит из двухслойного эластичного материала 11, между которым сплетены полиамидные нити 12. Материал закраивается по форме, там, где это необходимо, совпадающей с очертанием линии продольного слеза в диаметральной плоскости корпуса. Два слоя эластичной ткани по периметру их свободных краев герметично закрепляется между собой, и при создании напряжения избыточным давлением рабочей среды, надувная конструкция примет форму сплошной плоской фермы.
Надувная конструкция плоской фермы из двухслойного материала, соединенного между собой полиамидными нитями, - самая жесткая из плоских надувных ферм. Но двухслойные ткани достаточно дорогие, а изготовление матов имеет очень сложное производство для создания герметичных швов, способных долгое время стабильно выдерживать большое давление.
Вышеописанные способы - это способы создания плоских ферм. Пространственные фермы (Фиг. 14) образуют жесткий пространственный брус 13, способный воспринимать нагрузку, действующую в любом направлении. Каждая грань такого бруса представляет собой плоскую надувную ферму. Пространственную ферму можно создать из двух плоских сплошных или с раскосами надувных ферм в поперечном срезе (Фиг. 9) без плоскости фермы в основании, или любую форму пространственной фермы (Фиг. 8, 9, 10, 11, 12, 13) имеющей в любом случае несколько граней. Пространственная ферма закрепляется изнутри, вдоль осевой цилиндрического или иного по форме корпуса (оболочечной конструкции).
В случае использования конструкций ферм в изготовлении корпусов судов, фальшбортов, скегов, катамаранов и тримаранов отпадает необходимость производить надувные корпуса с герметичными секциями, так как ферма внутри корпуса играет роль дополнительного гаранта плавучести судна в случае нарушения герметичности надувной оболочечной конструкции.