CC BY-NC
0
УДК 629.5.015.4+629.5.024:678.067 EDN: TWYLGE
E.A. Маслич, В.В. Платонов , Н.Н. Федонюк
ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия
АНАЛИЗ ТРЕБОВАНИЙ ВЕДУЩИХ КЛАССИФИКАЦИОННЫХ ОБЩЕСТВ К КОНСТРУКЦИИ И ПРОЧНОСТИ СУДОВ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Объект и цель научной работы. Объектом исследования являются требования к конструкции и прочности судов из полимерных композиционных материалов (ПКМ), изложенные в правилах ведущих классификационных обществ. Целью работы является проведение сопоставительного анализа требований к прочности и жесткости корпусных конструкций судов из ПКМ, представленных в правилах зарубежных классификационных обществ и Российского морского регистра судоходства (РМРС).
Материалы и методы. Исходными материалами для проведения исследования являлись правила Американского бюро судостроения (American Bureau of Shipping - ABS), Регистра Ллойда (Lloyd's Register of Shipping - LR SSC) Великобритании, Норвежского Веритаса и Германского Ллойда (Det Norske Veritas and Germanischer Lloyd - DNV GL), Бюро Веритас Франции (Bureau Veritas Marine & Offshore - France), а также Российского морского регистра судоходства (Правила классификации и постройки морских судов, часть XVI, 2024 г.). Основным методом исследования является сравнение требований к прочности и жесткости корпусных конструкций судов из ПКМ.
Основные результаты. Выполнен сопоставительный анализ требований к прочности, жесткости и устойчивости конструкций из ПКМ ведущих зарубежных классификационных обществ и РМРС. Показаны подходы к проектированию и назначению норм прочности, принятые в различных классификационных обществах.
Заключение. Сопоставительный анализ требований к конструкции и прочности судов из ПКМ ведущих зарубежных классификационных обществ и РМРС показал, что наиболее жесткое нормирование выполняется в правилах LR SSC Великобритании, которые ориентированы на относительно тяжелые условия эксплуатации судов. Показано, что нормы прочности и жесткости корпусных конструкций из ПКМ, установленные российскими и иностранными правилами, имеют близкие значения.
Ключевые слова: полимерные композиционные материалы, корпусные конструкции, прочность, жесткость, устойчивость.
Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
UDC 629.5.015.4+629.5.024:678.067 EDN: TWYLGE
E.A. Maslich, V.V. Platonov , N.N. Fedonyuk
Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia
ANALYSIS OF STRUCTURAL AND STRENGTH REQUIREMENTS SPECIFIED BY LEADING CLASSIFICATION SOCIETIES FOR SHIPS MADE OF COMPOSITE MATERIALS
Object and purpose of research. The study object is a comparative analysis of structural and strength requirements for composite ships formulated in the rules of leading classification societies. The purpose is to compare the strength and stiffness requirements imposed on composite ship hulls by foreign class rules and the Russian Maritime Register of Shipping (RS).
Для цитирования: Маслич Е.А., Платонов В.В., Федонюк Н.Н. Анализ требований ведущих классификационных обществ к конструкции и прочности судов из полимерных композиционных материалов. Труды Крыловского государственного научного центра. 2024; 4(410): 38-48.
For citations: Maslich E.A., Platonov V.V., Fedonyuk N.N. Analysis of structural and strength requirements specified by leading classification societies for ships made of composite materials. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2024; 4(410): 38-48 (in Russian).
Materials and methods. The main materials under study are the rules of American Bureau of Shipping (ABS) USA, Lloyd's Register of Shipping (LR SSC) UK, Det Norske Veritas and Germanischer Lloyd (DNV GL), Bureau Veritas Marine & Offshore, France, as well as Russian Maritime Register of Shipping (Rules for the classification and construction of sea-going ships, Part XVI, 2024). The main study method is comparing the strength and stiffness requirements for composite hull structures.
Main results. Comparative analysis of the requirements for strength, stiffness and buckling performance of composite hull structures contained in the rules of key foreign classification societies and RS is performed. Approaches to design and specification of strength norms adopted by different classification societies are indicated.
Conclusion. Comparative analysis of the structural and strength requirements for composite ships imposed by key foreign
classification societies and RS has shown that the most rigorous regulations are applied in the rules of LR SSC, UK, which are
oriented towards relatively heavy ship operating conditions. The strength and stiffness norms for composite hull structures set
by Russian and foreign rules are shown to have close levels.
Keywords: composite materials, hull structures, strength, stiffness, buckling.
The authors declare no conflicts of interest.
В судостроении применение полимерных композиционных материалов (ПКМ) активно идет с начала 1960-х гг. Первые правила различных классификационных обществ для конструкций из ПКМ зародились, когда единственные широко используемые слоистые материалы имели в своей структуре стекло-армирующие наполнители с тканым ровингом. Основными смолами являлись полиэфирные, а производство изделий и конструкций из ПКМ осуществлялось в основном контактным (ручным) способом.
Сегодня активно расширяется номенклатура ПКМ за счет применения новых армирующих материалов разной химической природы и структуры с высокими удельными характеристиками. Совершенствуются также методы изготовления конструкций и изделий из ПКМ с дальнейшим развитием технологий закрытого формования и расширением применения средств механизации.
С годами правила классификационных обществ изменялись и сегодня имеют более широкое применение, охватывая конструкции из ПКМ широкой номенклатуры и усовершенствованные методы их производства.
Одной из главных проблем при проектировании и создании судов и кораблей из ПКМ является проблема нормирования прочности и жесткости их конструкций. Интенсивный процесс внедрения новых материалов в мировом судостроении послужил основой детальной проработки требований к проектированию из них морских сооружений, что нашло свое отражение в правилах ведущих иностранных классификационных обществ и Российского морского регистра судоходства (РМРС).
В настоящей статье рассматриваются требования указанных правил к конструкции и прочности судов из ПКМ ведущих классификационных обществ, перечень которых и область распространения правил представлены в табл. 1.
В правилах РМРС и зарубежных классификационных обществ рассматриваются однослойные и трехслойные (имеющие средний слой в виде заполнителя) конструкции. В качестве материалов приняты ПКМ на основе стекло-, угле- и арамид-ных волокон, в качестве заполнителя приводятся характеристики бальзы и пеновинилхлоридного пенопласта (ПВХ-пенопласта). Рекомендуется использовать продольный и поперечный наборы, подкрепляющие обшивку, настилы палуб и полотнища переборок в форме П-образного (трапециевидного) профиля, имеющего сердечник в основном из бальзы или ПВХ-пенопласта.
Согласно рассматриваемым правилам проектирование корпусов судов и надстроек из ПКМ выполняется с учетом зависимостей, определяющих минимальную толщину обшивки (настилов, полотнищ) и минимальные параметры подкрепляющего набора. Размеры связей выбираются на основе выполнения условий прочности, жесткости связей и устойчивости. Для однослойных конструкций минимальная толщина обшивки (настила, полотнища) определяется исходя из заданных требований по жесткости и прочности. Для балок вводятся зависимости по определению минимальных значений моментов сопротивления сечений и площади поперечного сечения на основе выполнения условий прочности, а также значений минимального момента инерции на основе выполнения условий по жесткости с учетом допускаемых значений отклонений (прогибов) балок при действии на них нагрузки. Величина допускаемых напряжений назначается исходя из характера нагрузки (статическая или динамическая).
Вместе с тем подходы к назначению норм прочности и жесткости, которые практикуются в каждой стране, занимающейся строительством судов из ПКМ, имеют свои особенности, что находит отражение
в правилах ведущих классификационных обществ [7]. Рассмотрим более подробно эти подходы.
1. Правила ABS. Величина допускаемых напряжений назначается исходя из степени ответственности конструктивных связей корпуса и надстройки с учетом характера нагрузки. Значения допускаемых напряжений устанавливаются в долях от пределов прочности материала при растяжении, сжатии или изгибе. В правилах для корпусов трехслойной конструкции с легким заполнителем вводятся нормы допускаемых нормальных напряжений в несущих слоях и касательных напряжений в заполнителе. Для корпуса с однослойной обшивкой из ПКМ вводятся нормы допускаемых напряжений, также назначаются допускаемые напряжения для балок набора корпусов из ПКМ.
Нормируется критерий деформативности, который вводится через определение допускаемых прогибов связей корпуса:
w < [w], (1)
где w - расчетное значение прогиба связи корпуса судна, м; [w] - допускаемое значение прогиба связи корпуса судна, м.
Для одно- и трехслойных пластин установлены единые критерии деформативности. Допускаемые
прогибы связей корпуса и надстройки определяются в зависимости от расположения конструктивной связи. В правилах закреплено следующее требование: связь не должна терять устойчивость до напряжений, равных удвоенным расчетным.
2. Правила LR SSC. Величина допускаемых напряжений, как и в правилах ABS, назначается исходя из степени ответственности конструктивных связей. Вводятся одинаковые нормы допускаемых нормальных напряжений для корпусов с однослойной обшивкой и в несущих слоях трехслойной конструкции из ПКМ. Значения допускаемых напряжений устанавливаются в долях от пределов прочности материала при растяжении или сжатии, в зависимости от того, что меньше. Для корпусов трехслойной конструкции вводятся нормы допускаемых касательных напряжений в заполнителе. Назначаются допускаемые напряжения для балок набора корпусов из ПКМ.
В данных правилах нормируется критерий де-формативности, который вводится через определение допускаемых прогибов связей корпуса. Здесь предлагается довольно жесткое нормирование этого критерия. Как и в предыдущем случае, закреплено требование о том, что связь не должна терять устойчивость до напряжений, равных удвоенным расчетным.
Таблица 1. Перечень правил по конструкции и прочности судов из полимерных композиционных материалов ведущих классификационных обществ
Table 1. List of rules on structure and strength specified by key classification societies for ships made of composite materials
№ п/п Классификационные общества
1 Американское бюро судостроения (American Bureau of Shipping - ABS), США [1]
Правила распространяются на скоростные суда длиной до 61 м неограниченного морского плавания с одно- и многокорпусной архитектурой (катамараны, тримараны)
2 Регистр Ллойда (Lloyd's Register of Shipping - LR SSC), Великобритания [2]
Правила применимы к одно- и многокорпусным судам стандартных пропорций, конфигурации и скоростей. Распространяются только на суда со скоростью V < 60 уз, длиной L < 50 м (многокорпусные) и L < 65 м (однокорпусные)
3 Норвежский Веритас и Германский Ллойд (Det Norske Veritas and Germanischer Lloyd - DNV GL) [3]
Правила применимы к одно- и многокорпусным легким судам, а также к высокоскоростным судам
4 Бюро Веритас (Bureau Veritas Marine & Offshore - BV), Франция [4, 5]
Правила распространяются на однокорпусные грузовые суда (балкеры, танкеры, контейнеровозы и т.п.) длиной L < 65 м, а также суда, не предназначенные для перевозки больших грузов, имеющие длину L < 95 м, стандартную скорость, нормальные обводы и пропорции. Корпуса судов и надстройки могут быть полностью или частично изготовлены из ПКМ
5 Российский морской регистр судоходства (Правила классификации и постройки морских судов, часть XVI) [6]
Правила применимы к однокорпусным водоизмещающим судам из ПКМ длиной 15-70 м включительно, высокоскоростным водоизмещающим судам с числом Фруда в пределах Frv ~ 1,0-2,5. Требования распространяются также на надстройки из ПКМ водоизмещающих судов с металлическими корпусами
3. Правила БКУ ОЬ. Оценка прочности связей конструкции выполняется через введение запасов прочности. Напряжения и деформации для всех основных связей корпусных конструкций не должны превышать значений, определяемых как доля от предельной прочности или предельной деформации материала:
Р
с, или т, или £, или У = -Г-, (2)
Я • с • с
'-с '-ГШ
где с - напряжения растяжения, сжатия, МПа; т - касательные напряжения, МПа; е - деформации растяжения, сжатия; у - деформации сдвига; РГ -предельная прочность (П+, П_, Пизг, Псдвиг) или предельная деформация материала (е+, е_, е^, есдвиг); Я - коэффициент запаса; сс = 0,8 - связи водонепроницаемых переборок при аварийном давлении, сс = 1,0 - все связи; сГШ = 0,95 - технологии закрытого формования (УЛЯТМ1 и ЯТМ2 методы, пре-преги3), сГШ = 1,0 - открытые технологии формования (контактное формование, напыление).
Коэффициент запаса, введенный в формуле (2), определяет отношение между предельной прочностью (предельной деформацией) ПКМ и допускаемыми напряжениями (деформациями) с учетом коэффициентов сс и с-Ш.
Для основных связей корпусных конструкций из ПКМ в случаях растяжения, сжатия, сдвига в плоскости и изгиба коэффициент запаса прочности принят равным Я = 3,0. Для заполнителя в трехслойных конструкциях коэффициент запаса прочности на сдвиг Я = 2,5. Нормируется единый критерий деформативности отдельно для пластин и отдельно для балок (см. (1)).
1 VARTM (Vacuum assisted resin transfer molding) - метод инфузии, который относится к технологиям закрытого формования путем инжекции связующего в замкнутую полость, которая создается за счет герметичной пленки, прилегающей к матрице с уложенным на ней армирующим материалом.
2 RTM (Resin transfer molding) - метод относится к технологиям закрытого формования, когда инжектирование связующего происходит за счет давления, создаваемого специальной установкой. Чтобы выдержать давление связующего, матрица и пуансон должны быть достаточно жесткими, поэтому их часто изготавливают из металла либо с применением металлических профилей.
3 Препрег - заранее подготовленный полуфабрикат, который состоит из слоев тканей, предварительно пропитанных связующим.
Рассматриваются общая потеря устойчивости панели из ПКМ и местная потеря устойчивости несущих слоев (складкообразование) в трехслойных конструкциях. При оценке общей потери устойчивости панелей из ПКМ и местной потере устойчивости несущих слоев трехслойных панелей коэффициент запаса Я = 3,0.
4. Правила БУ. Здесь предложена методология проведения расчетов прочности основных связей корпуса и надстройки из ПКМ. Определение деформаций и напряжений выполняется: при действии местных нагрузок - обязательно; при действии нагрузок от общего изгиба - дополнительно, если требуется; при совместном действии этих нагрузок - также только в случае необходимости (по требованию БУ). Оценка прочности конструкций из ПКМ выполняется путем введения запасов прочности.
Основным критерием при проектировании конструкций из ПКМ является выполнение следующего условия для каждого армирующего слоя (монослоя):
с < сь- /БР и т < Тьг /БР, (3)
где с, т - фактические действующие нормальные и касательные напряжения в каждом армирующем слое композита; сЬг, ть- - разрушающие нормальные и касательные напряжения в монослое, полученные теоретическим путем (или с помощью эксперимента); БР - коэффициент запаса.
Минимальное значение коэффициента запаса определяется путем перемножения коэффициентов Су, СР, СЯ, С{ и СВиск следующим образом: ■ При выполнении расчетов прочности при действии местных нагрузок минимальное значение коэффициента запаса принимается равным:
БР > Су • СР • Ся • С, (4)
где Су - коэффициент, учитывающий естественное старение материала: Су = 1,2 - для однослойных и несущих слоев трехслойных конструкций из ПКМ, Су = 1,1 - для материала заполнителя; СР - коэффициент, учитывающий способ формования материала (препреговая технология, УЛЯТМ, ЯТМ, контактное формование): СР = 1,10 - для препрегов, СР = 1,15 - при использовании УЛЯТМ, СР = 1,25 - при контактном формовании, СР = 1,00 - для материала заполнителя; СЯ - коэффициент, учитывающий направление действия нормальных (растяжение или сжатие)
и касательных напряжений в конструкциях из ПКМ и среднем слое (заполнителе):
1) монослой
- напряжения растяжения или сжатия в направлении основного армирования:
Ск = 2,1 - для мультиаксиальных тканей, Ск = 2,4 - для плетеных ровинговых тканей;
- напряжения растяжения или сжатия в направлении, перпендикулярном основному армированию:
Ск = 1,25 - для мультиаксиальных тканей;
- касательные напряжения в плоскости расположения волокон:
Ск = 1,6 - для мультиаксиальных тканей, Ск = 1,8 - для плетеных ровинговых тканей;
2) заполнитель
- напряжения растяжения или сжатия:
Ся = 2,1 - для всех материалов кроме бальзы;
- касательные напряжения:
Ся = 2,5 - для всех материалов;
С, - коэффициент, учитывающий способ
нагружения:
С, = 1,0 - внешнее воздействие моря (местные статические нагрузки), внутреннее давление и сосредоточенные нагрузки, С, = 0,8 - динамическое нагружение (сле-минг),
С, = 0,6 - ударные нагрузки на многокорпусные суда.
■ При определении критических нагрузок в случае потери устойчивости минимальное значение коэффициента запаса принимается равным:
БРВ > СВиск ' СР ' СУ' Съ (5)
где СВиск = 1,5 - коэффициент, учитывающий возможную потерю устойчивости конструкции, СР = 1,10 - для препрегов, СР = 1,15 - при использовании УЛЯТМ,
СР = 1,25 - при контактном формовании,
Су = 1,2, С, = 1,2.
В табл. 2 приведены минимальные значения коэффициентов запаса для нормальных напряжений растяжения или сжатия в направлении основного армирования, которые действуют в однослойных конструкциях и несущих слоях трехслойных конструкций из ПКМ при внешнем воздействии местных статических нагрузок, определенные с использованием формулы (4).
Согласно формуле (4) для заполнителя из ПВХ-пенопласта в трехслойных конструкциях при действии статических нагрузок коэффициент запаса прочности на сдвиг при Су = 1,1; СР = 1,0; СК = 2,5; С, = 1,0 равен БР = 2,75.
Минимальное значение коэффициента запаса, учитывающего возможную потерю устойчивости конструкции, согласно формуле (5), принимается равным:
■ БРВ = 2,5 - при использовании УЛЯТМ;
■ БРВ = 2,7 - при контактном формовании.
Нормируется единый критерий деформативно-
сти для пластин (см. (1)). Величины допускаемых напряжений определяются исходя из необходимых запасов прочности согласно формуле (3), в которой разрушающие нормальные и касательные напряжения в монослое оЬг, тЬг определяются теоретическим путем [4] или с использованием полученных с помощью эксперимента значений предельной прочности материала (П+, П_, ПШг, ПсдВИг).
5) Правила РМРС. В соответствии с принятым здесь подходом устанавливаются нормы опасных и допускаемых напряжений и деформаций. При назначении норм используются значения прочностных характеристик материала, которые он приобретает на заданный срок эксплуатации в составе конструкции в связи с естественным старением ПКМ и воздействием на него эксплуатационных факторов.
Таблица 2. Минимальные значения коэффициентов запаса для нормальных напряжений, действующих в однослойных и несущих слоях трехслойных конструкций из полимерных композиционных материалов при действии местных статических нагрузок
Table 2. Minimum safety factors for normal stresses in single composite layers and load-bearing layers of sandwich structures under local static loads
Коэффициенты запаса
Тип ткани Препреги Технологии закрытого формования Контактное формование
Мультиаксиальные ткани 2,77 2,90 3,15
Плетеные ровинговые ткани 3,17 3,31 3,60
При этом также учитывается влияние технологических факторов на характеристики материала при формовании из него конструкции.
Исходя из этого характеристики остаточной прочности материала на конец эксплуатации считаются опасными напряжениями, при достижении которых в конструкции, выполненной из этого материала, становится возможным появление и развитие повреждений. Это приводит тому, что конструкция либо разрушается, либо частично или полностью не может эксплуатироваться.
Таким образом, в качестве опасных напряжений принимаются пределы прочности ПКМ (при растяжении, сжатии, межслойном сдвиге и т.д.), значения которых уменьшены в соответствии с ожидаемым влиянием эксплуатационных факторов (увлажнения, нагрева, солнечной радиации и т.д.) в течение всего срока службы судна, а также технологии изготовления. Опасные напряжения определяются из следующих соотношений:
al = k П (±) '
(6)
где с,/ - опасные напряжения в выбранных направлениях; Пуф - исходные пределы прочности материала при растяжении (+), сжатии (-), а также сдвиге
(¿, ] = 1, 2, 3); к - результирующие коэффициенты влияния, определяемые как:
к = П к, (7)
£=1
где к1 - коэффициенты, учитывающие изменение свойств ПКМ в результате увлажнения; к2 - коэффициенты, учитывающие старение материала; к3 -коэффициенты, учитывающие влияние нагрева на свойства ПКМ в составе конструкции; к4 - коэффициенты, учитывающие изменение физико-механических характеристик материала, полученного в производственных условиях при изготовлении натурных корпусных конструкций, по сравнению с образцами и масштабными опытными конструкциями, изготовленными в лабораторных условиях.
Значения коэффициента к для различных связей корпуса, учитывающего изменение прочностных свойств ПКМ в результате воздействия влаги, нагрева, старения и технологии изготовления, а также расположения связи приведены в табл. 3.
Коэффициенты получены на основании опыта длительной службы судов из ПКМ, а также результатов экспериментальных исследований по влиянию различных факторов среды эксплуатации на свойства ПКМ.
Таблица 3. Значения коэффициентов k при определении опасных напряжений Table 3. Values of coefficient k for estimation of dangerous stresses
k
Наименование связи корпуса Однослойные и несущие слои трехслойных конструкций и балки набора из полимерных композиционных материалов Заполнитель трехслойных конструкций и сердечник балок П-образного профиля
Технологии закрытого формования Контактное формование
Настил верхней палубы (в открытой части) Палубный стрингер 0,55 0,45 0,50
Палубный набор 0,70 0,60 0,65
Промежуточные палубы, платформы 0,70 0,60 0,65
Поперечные водонепроницаемые переборки 0,70 0,60 0,65
Стойки переборок 0,70 0,60 0,65
Обшивка борта выше ватерлинии Ширстрек 0,65 0,55 0,60
Обшивка борта ниже ватерлинии Обшивка днища Горизонтальный киль 0,60 0,50 0,55
Бортовой и днищевой набор 0,65 0,55 0,60
Таблица 4. Значения коэффициентов kn, kc при определении допускаемых напряжений Table 4. Values of coefficients fc„, kc for estimation of allowable stresses
Внешние нагрузки kn kc
Длительные, статически переменные нагрузки 0,6 0,5
Случайные, аварийные нагрузки 0,8 0,7
Нагрузки от веса оборудования 0,6 0,6
Таблица 5. Нормы допускаемых нормальных напряжений для однослойных и несущих слоев трехслойных конструкций из полимерных композиционных материалов при действии местных статических нагрузок
Table 5. Norms of allowable normal stresses for single composite layers and load-bearing layers of sandwich structures under local static loads
Конструктивная Допускаемые нормальные напряжения [ой], МПа
связь ABS1 LR SSC DNV GL2 BV2 РМРС2
Обшивка днища сизп,,,, о,ззп± 0,25П± 0,36П± о,зоп±
Обшивка борта сизп„, о,ззп± 0,30П± 0,36П± о,зоп±
Киль 0,40П+ 0,25П± а) мультиаксиальные 0,36П± о,зоп±
Балки днища 0,40П+ 0,30П± 0,35Г1± ткани 0,34511± i 0,32П± ' 0,39П± о,ззп±
Настил главной 0,33 nHîr 0,30П± о,ззп± б) плетеные ровинговые ткани о,зоп± о,ззп:
палубы о,ззп± 0,27П±
Балки главной 0,40П+ 0,33П± 0,28П± 0,42П±
палубы 0.36П±
Стенки надстройки о,ззп1(1Г О.ЗЗП± 0,30П± 0,42 П± 0,36П±
Балки надстройки 0,33П+ 0,33П± 0,42П± 0,3 6П±
[о,-,-] - допускаемые нормальные напряжения в несущих слоях для корпусов трехслойной конструкции и для корпусов с однослойной обшивкой из ПКМ, МПа;
Пизг - предел прочности ПКМ при изгибе, МПа;
П± - предел прочности ПКМ при растяжении или сжатии, в зависимости от того, что меньше, МПа; П+ - предел прочности ПКМ при растяжении, МПа;
1 в числителе значения допускаемых напряжений для однослойных ПКМ, в знаменателе - для несущих слоев трехслойных ПКМ;
2 в числителе значения допускаемых напряжений для связей, сформованных с использованием УЛЯТМ, в знаменателе - при контактном (ручном) способе формования.
Величины допускаемых напряжений назначаются как некоторая часть опасных напряжений, величина которой определяется исходя из необходимых запасов прочности:
■ для нормальных напряжений
[о,,] = К ^ (I = 1, 2); (8)
■ для касательных напряжений
N = К ^ (¿, } = 1, 2, 3, IФ У). (9)
Величины коэффициентов ^ в зависимости от характера действующих на корпус внешних нагрузок приведены в табл. 4.
Согласно описанному выше подходу к нормированию определяются значения опасных и допускаемых нормальных напряжений в долях от пределов прочности материала для разных связей корпусных конструкций при растяжении или сжатии. Вводятся одинаковые нормы допускаемых нормальных напря-
жений в несущих слоях для корпусов трехслойной конструкции и для корпуса с однослойной обшивкой из ПКМ. Для корпусов трехслойной конструкции в зависимости от расположения связи (согласно данным табл. 3 и 4) определяются нормы допускаемых касательных напряжений в заполнителе и для сердечников П-образных балок. Нормируется единый критерий деформативности отдельно для пластин и отдельно для балок (см. (1)). Коэффициенты запаса устойчивости для основных связей корпуса принимаются равными от 1,5 до 2.
На основании приведенных данных в правилах [1-6] сформированы обобщенные таблицы, которые содержат требования ведущих классификационных обществ по прочности и жесткости, предъявляемые к основным конструктивным связям корпусов и надстроек из ПКМ. В табл. 5 представлены нормы допускаемых нормальных напряжений для одно-
Таблица 6. Допускаемые напряжения заполнителя на сдвиг в трехслойных конструкциях из полимерных композиционных материалов
Table 6. Allowable shearing stresses in filling material of sandwich structures
Материал заполнителя Допускаемые касательные напряжения 1т I / тпРед L Чан J 1 tian
ABS LR SSC DNV GL BV РМРС
ПХВ-пенопласт - PVC 0,40 0,45 0,40 0,36 0,25-0,32
Остальные материалы (бальза, полиуретан - PU) 0,30 0,35 0,40 0,36 -
[тзап] - допускаемые касательные напряжения в заполнителе, МПа; : - минимальное значение предела прочности заполнителя на сдвиг, МПа.
Таблица 7. Требования по ограничению величины прогиба основных конструктивных связей из полимерных композиционных материалов
Table 7. Requirements regarding constraints on deflection of primary composite structures
Конструктивная связь Допускаемый прогиб [w]/ С
ABS LR SSC DNV GL BV РМРС
Обшивка днища 1/66,7 1/100 1/66,7 1/100 1/80
Обшивка борта 1/50 1/100 1/66,7 1/100 1/80
Киль 1/200 1/200 1/200 - 1/100
Балки днища 1/200 1/200 1/200 - 1/100
Настил главной палубы 1/100 1/150 1/66,7 1/100 1/80
Балки главной палубы 1/250 1/250 1/200 - 1/100
Стенки надстройки 1/40 1/100 1/66,7 1/100 1/80
Балки надстройки 1/100 1/150 1/200 - 1/100
[w] - допускаемый прогиб конструктивной связи; 'для пластин ( = /mil I для балок С = L-
Чд
[л
. где /min - размер наименьшей стороны пластины; L6 - длина пролета балки.
и трехслойных конструкций из ПКМ при действии местных длительных статических нагрузок, в табл. 6 - значения допускаемых напряжений заполнителя на сдвиг для трехслойных конструкций из ПКМ, в табл. 7 - требования по ограничению величины прогиба основных конструктивных связей из ПКМ.
Представленные данные по нормам допускаемых нормальных напряжений для однослойных и несущих слоев трехслойных конструкций из ПКМ при действии местных статических нагрузок (табл. 5) имеют достаточно близкие значения. Вместе с тем наиболее жесткие требования к прочности предъявляются в правилах ЬЯ 88С, а также в правилах БУ в случае использования плетеных ровинговых тканей в качестве армирующего материала, в которых величина допускаемых нормальных напряжений принимается равной на уровне 0,25+0,30 % от соответствующих пределов прочности.
Практически одинаково нормируются касательные напряжения в заполнителе трехслойных ПКМ и в сердечнике балок П-образного профиля (табл. 6).
Критерий деформативности в отношении пластин применительно ко всем классификационным обществам, обсуждаемым в данной статье, нормируется примерно одинаково (табл. 7). Согласно рассматриваемым правилам величина допускаемых прогибов для пластин не должна превышать в среднем 1/70+1/80 размера их наименьшей стороны. Что касается балок, то достаточно жесткие требования представлены в правилах ЛБ8, ЬЯ 88С и БМУ вЬ, где допускаемые прогибы (в зависимости от расположения конструктивной связи) не должны превышать 1/250+1/150 длины их пролета (табл. 7). Наиболее мягкие требования по деформа-тивности назначаются в правилах РМРС, где величина допускаемых прогибов для балок не должна превышать 1/100 длины их пролета.
Для сравнения методик назначения норм правил рассматриваемых классификационных обществ выполнены расчеты напряженно-деформированного состояния (НДС) однослойных пластин, представляющих характерную днищевую, бортовую и палубную конструкции эксплуатируемых судов из ПКМ длиной 70 м. Все пластины изготовлены
Таблица 8. Геометрические размеры пластин и нагрузка Table 8. Geometric dimensions of plates and load
Местоположение Размеры пластины Толщина Равномерное
пластины в плане, мм пластины, мм давление, кПа
Днище а = 880; b = 1400 25 86
Борт а = 880; b = 1300 20 64
Верхняя палуба а = 1000; b = 2150 13 10
Таблица 9. Сопоставление расчетных значений максимальных напряжений и прогибов пластин с допускаемыми значениями
Table 9. Comparison of maximum estimated stresses and deflections with allowable values
Классифи- Днище Борт Верхняя палуба
кационное общество Wрасч /[w] /с®.] Wрасч/[w] /[о.] Wрасч /[w] —max /г-ч- 1 <VH /[<3., ]
ABS 0,43 0,48 0,44 0,54 0,88 0,29
LR SSC 0,65 0,64 0,88 0,60 1,32 0,32
DNV GL 0,43 0,46 0,59 0,51 0,59 0,27
BV 0,65 0,461 0,53 0,88 0.521 0,60 0,88 0,28' 032
РМРС 0,52 0,44 0,71 0,50 0,70 0,29
1 в числителе значения относительных напряжений при использовании мультиаксиальных тканей в конструкциях из ПКМ; в знаменателе - при использовании плетеных ровинговых тканей.
методом инфузии на основе стеклоткани (расчетный модуль упругости материала E = 14,9e+9 Па; коэффициент Пуассона v = 0,27) и винилэфирного связующего. Геометрические размеры пластин и величина действующего на них равномерно распределенного давления представлены в табл. 8. Величины давлений определены согласно правилам РМРС [8]. Расчеты прочности выполнялись при жесткой заделке всех кромок пластин.
В результате проведения численных расчетов получены значения прогибов пластин и максимальных расчетных напряжений. В табл. 9 представлены данные сопоставления допускаемых значений напряжений и прогибов, введенных правилами рассматриваемых классификационных обществ, и расчетных значений.
Расчеты НДС пластин показывают, что наиболее жесткое нормирование по жесткости принято в правилах LR SSC. В частности, критерий дефор-мативности применительно к пластине верхней палубы рассматриваемого судна не выполняется.
Выводы
Conclusion
Приведенные данные по нормированию прочности и жесткости корпусных конструкций из ПКМ показывают разные подходы к проектированию и назначению норм прочности, принятые в ведущих классификационных обществах. Эти подходы выработаны на основании имеющегося в каждой стране опыта проектирования, строительства и эксплуатации композитных судов. Наиболее строгие требования в отношении деформативности балок подкрепляющего набора введены правилами ABS, LR SSC и DNV GL, которые ориентированы на относительно тяжелые условия эксплуатации судов. Вместе с тем нормы прочности и жесткости пластин корпусных конструкций из ПКМ, установленные российскими и зарубежными правилами, имеют близкие значения.
Список использованной литературы
1. Rules for Building and Classing. High Speed Craft. Pt 3: Hull construction and equipment / American Bureau of Shipping. Houston : ABS, 2013. IV, 246 p.
2. Part 8 : Hull Construction in Composite // Rules and Regulations for the Classification of Special Service Craft. London : Lloyd's Register, 2018. P. 580-721.
3. DNVGL-RU-HSLC. Rules for Classification: High speed and light craft. Pt 3: Structures, equipment. Chap. 4: Hull structural design, fibre composite and
sandwich constructions / Det Norske Veritas. Hevik : DNV GL, 2020. 68 p.
4. Hull in composite, plywood, and high density polyethylene materials : NR546 : rule note. Paris : Bureau Veritas, 2022. 131 p.
5. Hull Structure and arrangement for the classification of cargo ships less than 65 m and non cargo ships less than 90 m : NR600 : rule note. Paris : Bureau Veritas, 2022. 242 p.
6. Правила классификации и постройки морских судов : НД № 2-020101-174. Ч. XVI: Конструкция и прочность судов из полимерных композиционных материалов. Санкт-Петербург : Российский морской регистр судоходства, 2023. 167 с.
7. Федонюк Н.Н., Маслич Е.А. Применение полимерных композиционных материалов в зарубежном кораблестроении : аналитический обзор по материалам прессы 2006-2022 гг. Санкт-Петербург : Крыловский государственный научный центр, 2024. 303 с.
8. Правила классификации и постройки морских судов : НД № 2-020101-174. Ч. II: Корпус. Санкт-Петербург : Российский морской регистр судоходства, [2024]. 332 с.
References
1. Rules for Building and Classing. High Speed Craft. Pt 3: Hull construction and equipment / American Bureau of Shipping. Houston : ABS, 2013. IV, 246 p.
2. Part 8 : Hull Construction in Composite // Rules and Regulations for the Classification of Special Service Craft. London : Lloyd's Register, 2018. P. 580-721.
3. DNVGL-RU-HSLC. Rules for Classification: High speed and light craft. Pt 3: Structures, equipment. Chap. 4: Hull structural design, fibre composite and sandwich constructions / Det Norske Veritas. Hevik : DNV GL, 2020. 68 p.
4. Hull in composite, plywood, and high density polyethylene materials : NR546 : rule note. Paris : Bureau Veritas, 2022. 131 p.
5. Hull Structure and arrangement for the classification of cargo ships less than 65 m and non cargo ships less than 90 m : NR600 : rule note. Paris : Bureau Veritas, 2022. 242 p.
6. Rules for the classification and construction of sea-going ships: ND No. 22-020101-174. Part XVI: Structure and Strength of Fiber-Reinforced Plastic Ships. St. Petersburg : Russian Maritime Register of Shipping, 2023, 167 p. (in Russian).
7. Fedonyuk N.N., Maslich E.A. Application of composite materials in foreign shipbuilding : analytical review of press materials in 2006-2022. St. Petersburg : Krylov State Research Centre, 2024. 303 p. (in Russian).
8. Rules for the classification and construction of sea-going ships: ND No. 2-020101-174. Part II: Hull. St. Petersburg : Russian Maritime Register of Shipping, 2024. 303 p.
Сведения об авторах
Маслич Елена Александровна, к.т.н., начальник сектора ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. E-mail: [email protected]. Платонов Виктор Викторович, к.ф.-м.н., начальник лаборатории ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (812) 415-47-06. https://orcid.org/0000-0002-9639-0917. Федонюк Николай Николаевич, к.т.н., ведущий научный сотрудник ФГУП «Крыловский государственный науч-
ный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. E-mail: [email protected]. https://orcid.org/0000-0001-8835-8901.
About the authors
Elena A. Maslich, Cand. Sci. (Eng.), Head of Sector, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. E-mail: E_Maslich@ksrc .ru.
Viktor V. Platonov, Cand. Sci. (Phys. & Math.), Head of Laboratory, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (812) 415-47-06. https://orcid.org/0000-0002-9639-0917.
Nikolay N. Fedonyuk, Cand. Sci. (Eng.), Lead Researcher, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. E-mail: [email protected]. https://orcid.org/0000-0001-8835-8901.
Поступила / Received: 06.08.24 Принята в печать / Accepted: 14.11.24 © Маслич Е.А., Платонов В.В., Федонюк Н.Н., 2024
