КОНСТРУКТИВНАЯ ЗАЩИТА СУДОВ ОТ ГРУНТА Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Б01: 10.24937/2542-2324-2022-1-8-1-113-119 УДК 629.5.021+629.5.023

В.А. Кулеш, Ч.Х. Фам

ФГАОУВО «Дальневосточный федеральный университет», Владивосток, Россия

КОНСТРУКТИВНАЯ ЗАЩИТА СУДОВ ОТ ГРУНТА

Объектом анализа является конструктивная защита днища судов от грунта. Целью работы является решение вопросов прочности, устойчивости и оптимизации элементов конструктивной защиты судов от грунта.

Рассматривается прочность элементов днищевой конструкции с внешней конструктивной защитой разных типов. Используются аналитические методы строительной механики корабля и метод конечных элементов.

Представлена методика определения параметров элементов фальшкилей и алгоритм для оптимизации. Выявлены положительные эффекты разных типов фальшкилей для защиты днищевых конструкции судов от грунта. Показаны перспективы применения фальшкилей в качестве внешней конструктивной защиты днища судов от грунта. Работа ориентирована на развитие методик проектирования и оптимизации конструктивной защиты днища судов от воздействия грунта.

Ключевые слова: суда, посадка на грунт, конструктивная защита, запасы прочности. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.

Введение

Судно «Камчадал» стало одним из первых в России, которое получило символ класса Регистра КЛЛБ8Л1 для работы на необорудованный берег с возможностью полного осушения при отливах. Судно японской постройки водоизмещением 716 тонн с размерами: длина расчетная - 40 м, ширина - 8 м, высота борта - 3,5 м и осадка - 3,1 м. Судно имеет собственное грузовое устройство и способно перевозить не только генеральные грузы, но и жидкое топливо. Судно ориентировано на работу в устьях рек западной Камчатки. В этом регионе посадка на грунт и возможность полного осушения корпуса являются характерными.

В ходе работы для определения условий соответствия корпуса символу класса КЛЛБ8Л1 с разработкой и учетом схем подкреплений корпуса установлено [1] следующее.

1. Общая прочность корпуса на конец срока эксплуатации обеспечена с запасом 21%.

2. Поперечная прочность отсеков корпуса не требует подкреплений.

3. Местная прочность днищевых продольных балок с пролетами 3-4 шпации требует повышения. Рассмотрены варианты установки дополнительных как поперечных, так и продольных балок.

4. Прочность пятки ахтерштевня при посадке на грунт недостаточна и требует повышения.

5. Прочность форштевня достаточна.

Для цитирования: Кулеш В.А., Фам Ч.Х. конструктивная защита судов от грунта. Труды Крыловского государственного научного центра. 2022; Специальный выпуск 1: 113-119.

Фрагменты усилений набора внутри двойного дна и пятки ахтерштевня показаны на рис. 1.

Рис. 1. Фрагменты усилений набора днища и пятки ахтерштевня судна «Камчадал»

Рекомендованные усиления были реализованы весной 2020 года при ремонте судна в Южной Корее. При их обосновании использован формальный подход - приведения прочности к уровню требований Регистра без конструктивной защиты днища. Представленный случай показал.

1. Затраты на внутренние конструктивные усиления днища трудоемки и значительны. Даже при существенном повышении прочности условия прямого контакта с грунтом оставляют жесткие ограничения на износ связей - 20%.

2. Наличие значительной килеватости днища при положении судна на грунте приводит к его крену и невозможности использования собственных грузовых устройств.

3. Применение внешней конструктивной защиты (ВКЗ) корпуса судна от грунта предусмотрено Правилами Регистра. Оно позволяет смягчить ограничения на износ связей днища до 30% и одновременно повысить устойчивость положения судна на грунте без крена.

Рис. 2. Японский МДК с двумя скегами

4. Методология проектирования внешней конструктивной защиты (фальшкилей) от грунта практически не разработана. Опыт применения ВКЗ кораблей от грунта был накоплен в ходе последней мировой войны при десантных операциях в Тихом океане (рис. 2). Здесь ВКЗ в виде двух носовых фальшкилей (скегов) защищает корпус от контактов с грунтом, а также повышает устойчивость судна при грузовых операциях [2].

На рис. 3 показана своеобразная форма носа и днища российского (СССР) малого десантного катера (МДК). Здесь также использовано решение с двумя форштевнями, переходящими в защитные кили [3].

Современное судоходство и потребности в грузовых операциях судов на необорудованный берег привлекают внимание к такому опыту защиты кораблей от грунта. Однако тенденции развития десантных кораблей изменились в пользу скоростных судов, преимущественно на воздушной подушке. Опыт защиты судов и кораблей от грунта меняется или утрачивается. Возможность применения ВКЗ от грунта, оговоренная Правилами Регистра [4], показывает перспективное направление, но требует развития методических основ регламентации.

Методика расчета параметров элементов фальшкиля

Для оценки общей концепции, критериев и задач проектирования ВКЗ в виде фальшкиля в первую очередь полезно рассмотреть случай - симметричный фальшкиль (рис. 4, см. вклейку). Здесь показаны 3 схемы разрушений: 1 - потеря устойчивости наклонных полос (красный), 2 - изгибное разрушение опорной полосы (синий), 3 - совместное разрушение всех полос (зеленый).

Условие устойчивости при сжатии наклонных полос можно представить в виде, где сила сжатия с учетом коэффициента запаса устойчивости не превышает эйлеровой нагрузки (правая часть)

0,5• kv • P/cosа =

п2 • E • b • s3/12

(1)

(h /cos а)

При этом толщины всех связей не должны приниматься меньше минимальных регистровых smin. Для толщины наклонных полос получаем

s1 = max

cos а

6 • ky • P

n2b • h • E

\1/3

(2)

Рис. 3. Форма днища и носа советского МДК

здесь b - размер наклонной полосы вдоль судна.

При изгибном разрушении опорной полосы возможны 2 версии пластических шарниров в местах соединений с наклонными полосами [5]:

Таблица 1. Данные для расчета фальшкилей

М0 = 0,25-00 • Ь •

Ш1И

(3)

Поэтому толщина опорной полосы по условию изгибной прочности определяется формулой

52 = тах

1/2

С =УС

Ь • [ —-—+ s2 • ^ со8 а

, а + - • tgа

+ $т1п —

(5)

к Аь

ке1 = —^ ^ тах, е1 СЬ

7 °Ь •

ке2 = —^ ^ т1п.

е2 Аь

(7а)

(7б)

Пример решения рассмотрен для случая фальшкилей упомянутого судна «Камчадал». Расчеты параметров элементов фальшкиля по форму-

1/2

( ки • Р • а 2 1 и-7--^ , (4)

V °0 •Ь

(0,5• ки • Р• а 1

•Ь

где ки - коэффициент запаса изгибной прочности, с0 -предел текучести.

Вес ВКЗ (фальшкиля) в пределах одной поперечной шпации судна как сумму весов наклонных полос, опорной полосы и поперечных бракет можно представить в виде

Параметры Обознач. Разм. Значение

Ограничение толщин е . ^тт мм 6

Сила давления на шпацию Р кН 219

Шпация Ь мм 550

Коэф. запаса устойчивости ку - 4

Модуль упругости Е МПа 210000

Напряжения текучести МПа 235

Коэф запаса на изгиб ки - 2

Ширина опорной полосы а мм 250

Удельный вес стали Тс г/см3 7,85

Здесь принято, что внутренние бракеты установлены через 2 шпации и имеют толщину равную ^т1п.

Показатель веса защитной конструкции является недостаточным для оптимизации - при его снижении защитные функции также снижаются. Положительным фактором можно считать площадь защищенной части корпуса, которая в пределах одной поперечной шпации

Аь = Ь •(а + 2• -• tgа), (6)

С учетом (5) и (6) поиск эффективного решения можно свести к функциям

лам (1)-(6) выполнены при данных, указанных в табл. 1. Для оптимизации параметров принято условие (7а).

Расчеты показали (рис. 5, см. вклейку) наличие четко выраженного максимума эффективности в диапазоне углов 40-70°. Чем больше высота фальшкиля, тем меньше требуется угол отклонения от вертикали - т.е. очевидно смещение к более «острым» формам сечений.

При фиксированной ширине опорной полосы (250 мм) общая ширина «оптимального» фальшкиля высотой 200 мм в районе соединения с корпусом составит 1100 мм (две шпации). При этом масса конструкции в пределах одной шпации составит 81 кг, а в пределах всего судна может достигнуть 11,8 т (или порядка 1,6 % от водоизмещения судна).

Защитные функции фальшкилей также связаны с их высотой. У судов без килеватости днища высота фальшкилей может быть меньше.

Если в представленном примере уменьшить высоту с 400 мм до 200 мм (в 2 раза), то оптимальный угол с 50° увеличится до 60°, ширина уменьшится на половину шпации мм, а вес снизится на 38 %. При этом критерий эффективности вырастет на 24,5 %.

В оконечностях судов при традиционных обводах (без бульба) наоборот могут потребоваться фальшкили с увеличенной высотой. Таким образом, форма «оптимального» поперечного сечения фальшкилей может трансформироваться от трапециевидной при малых высотах и приближаться к клиновидной по мере увеличения высоты.

Представленные расчеты показали принципиальную возможность разработки методики проектирования ВКЗ с процедурой оптимизации пара-

метров. Здесь не использована третья схема - одновременного разрушения всех полос на рис. 4. Причина в том, что это наиболее нежелательная схема с позиции ремонта - замены потребуют сразу все элементы фальшкиля. Учитывая экстремальные условия работы таких конструкций и неизбежность повреждений, при их проектировании важно соблюдать принцип «иерархии прочности» или «слабого звена». В данном случае в роли «слабого звена» целесообразно полагать опорную полосу, замена которой сравнительно проста в ремонте при не потерявших форму (устойчивость) наклонных полосах. Принцип «иерархии прочности» требует связи с коэффициентами запасов.

Коэффициенты запасов

В представленных расчетах были приняты коэффициенты запаса: 2 - для изгибной прочности; 4 - по устойчивости.

Вопросы назначения запасов одни из наиболее сложных при проектировании любых конструкций. В значительной мере их решают с учетом опыта эксплуатации и статистики отказов конструкций. Если такого опыта (данных) нет, как в случае с ВКЗ, то сложность и значимость их решений возрастает.

В Правилах Регистра [4] в общем случае для пластин обшивки под поперечной нагрузкой (п. 1.6.4.4) требование к толщине имеет вид

5 = мак

■+А,

(8)

кр = 1,67-2,22.

(9)

к, =

5 -А,

= 1,49-2,78.

(11)

Здесь меньшее значение соответствует толщине 10 мм и запасу 1,8 мм, а большее - толщине 6 мм и запасу 2,4 мм.

Запас на выносливость в принципе не актуален для ВКЗ (число циклов мало, а применение сталей повышенной прочности маловероятно), но его можно оценить по п. 1.1.4.3 Правил коэффициентом

п

к == 1,00-1,47. о„

(12)

Учитывая, что толщины обшивки и длины судов связаны, можно получить оценки обобщенных коэффициентов запаса для случая ВКЗ от грунта

к = крк,кп = 3,31-4,64.

(13)

Здесь меньшее значение относится к судам длиной 65 м, а большее - к малым судам. У судов средних размеров (длиной 40 м) для ВКЗ значение коэффициента запаса будет на уровне равном 4.

Вопрос обобщенных коэффициентов запаса рассматривался в работе [5]. Для прямых расчетов прочности и проектирования пластин обшивки судов на срок 25 лет даны значения

к = 2,37-3,53.

(14)

и включает 3 вида запасов:

- на перегрузки (через коэффициент допускаемых напряжений);

- на долговечность (через запас на износ);

- на выносливость (через нормативный предел текучести).

Для обшивки днища судов длиной в диапазоне 12-65 м при поперечной системе набора коэффициент допускаемых напряжений согласно п. 2.2.4.1 принимается в диапазоне 0,60-0,45, соответственно (допускается линейная интерполяция). В результате коэффициенты запаса на перегрузки составят

Вопрос запасов устойчивости в общем случае можно решать аналогично. Например, площадь сечения сжимаемых стоек между продольными балками двойного дна согласно п. 2.4.4.7.1 Правил

/ = 5-Р01 + 0,1. и .А,.

(15)

К°п

Здесь, как и в формуле (8), также 3 вида запасов. В явном виде устойчивость не упоминается, но косвенно она учитывается через дополнительную регламентацию момента инерции сечения.

Специальный раздел Правил посвящен пиллерсам и распорным бимсам, для которых устойчивость наиболее актуальна. Формула для площади сечения (п. 2.9.4.1)

Запас на износ днищевой обшивки (п. 1.1.5.1 Правил) будет в диапазоне

А, = 1,8-2,4, мм. (10)

Учитывая, что прочность пластин пропорциональна толщине в квадрате, дополнительный коэффициент запаса составит

„ 10кР . _ / =-+ А/.

(16)

Здесь Р - сжимающая нагрузка, а к = 2 - коэффициент запаса устойчивости, заданный в явном виде. Обобщенный коэффициент запаса с учетом поправки на износ будет больше и может иметь порядок 3.

сг

Непосредственно для пластин эйлеровы напряжения Правила определяют для толщин с вычетом надбавки на износ, что также подтверждает принцип дифференциации запасов прочности и долговечности (п. 1.6.5.5)

ое = 0,1854п(,'/Ь)2 те = 0,1854п(,'/Ь)2,

(17)

(18)

где п - коэффициент, зависящий от вида нагру-жения пластин и отношения сторон; 5' - построечная толщина пластины, уменьшенная на величину А,; Ь - сторона пластины перпендикулярная направлению действия нормальных сжимающих напряжений; при действии касательных напряжений за Ь принимается меньшая сторона пластины.

Применительно к ВКЗ важно учитывать особенность. Сосредоточенное действие нагрузки наиболее неблагоприятно как по условиям прочности, так и по устойчивости. Реальные эпюры нагрузок многообразны. На рис. 6, см. вклейку представлены практически два крайних случая: сосредоточенных нагрузок (а); равномерно распределенных нагрузок (б) и комбинации, близкой к условиям работы полос ВКЗ (в).

Критическая сила потери устойчивости пластины при сжатии определяется по формулам [6, 7]:

- для случая (а)

Ркр = 4,73

пР Ь ''

- для случая (б)

Рр = 6,25

п2 Р Ь :

(19)

(20)

где Ь - меньшая сторона, а нагрузка на длинной стороне для случая (а); большая и нагруженная сторона в случае (б); соотношение сторон 2.

Принимая случай (а) за базовый, для варианта (б) получим рост в 2,08 раза.

Случай (рис. 6в) занимает промежуточное положение и характерен для ВКЗ, когда одна кромка сжимаемой полосы нагружается со стороны опорной полосы примерно равномерно, а вторая кромка нагружается со стороны флора или бракеты силой, близкой к сосредоточенной.

В любом случае, приведенный пример показывает, что специфика ВКЗ требует дополнительного повышения (примерно в 1,5 раза) запа-

сов устойчивости относительно типовых случаев для судовых пластин. Таким образом:

■ Принятое в расчетах значение коэффициента запаса 2 для изгибной прочности опорной полосы, согласно полученным оценкам (13), можно увеличить до значения порядка 4. Здесь важно учитывать, что контакты таких полос с грунтом будут сопровождаться повышенными скоростями износа, но опыта пока нет.

■ Принятое значение коэффициента запаса 4 для устойчивости сжимаемых полос представляется достаточным 2x1,54x1,3 = 4. Здесь 2 - прямой запас прочности по Правилам, 1,54 - запас на специфику нагруже-ния сжимаемых полос фальшкиля, 1,3 -запас на износ (30 %).

Типы фальшкилей

На рис. 7, см. вклейку даны 3 типа сечений асимметричных фальшкилей: трапециевидная (а), каплевидная (б) и трапециевидная со свесами (в).

В общем случае опорные сечения ВКЗ (1 и 2) могут иметь разную прочность и жесткость. Опорные реакции от фальшкиля на корпус передаются через продольные подкладные полосы (4 и 5), предварительно приваренные к обшивке днища (3). Наклонные и вертикальные листы (6 и 7) работают преимущественно на сжатие, но могут воспринимать и прямые давления грунта. Разные углы наклона этих листов (0! и р2) в сочетании с дополнительной возможностью разных толщин для них обеспечивают выбор оптимальных условий работы, с учетом разной жесткости в опорных сечениях. Первичным элементом фальшкиля является горизонтальный лист (8), для которого наибольшие не только давления грунта, но и скорости износа. Для прочности и долговечности его толщина может быть дополнительно увеличена. Прочность листов фальшкиля дополнительно обеспечивают поперечные бракеты (9), устанавливаемые с интервалами кратными шпациям судна в плоскости флоров [9].

В отличие от трапециевидной каплевидная форма включает криволинейный участок (10). Ее ремонтопригодность и возможности для оптимизации ниже [10].

Дополнительное решение для фальшкиля (рис. 7в) включает увеличение ширины горизонтальной полосы (8) за счет свесов в обе стороны от узлов соединения полос. Благодаря свесам давле-

ние грунта снижается, а прочность и жесткость горизонтальной полосы значительно повышается.

Представленные типы фальшкилей дают следующие положительные аспекты при их реализации:

■ благодаря внешнему размещению при их повреждении (трещинах и разрывах) корпус не теряет свойство непроницаемости (плавучести) и сохраняет повышенную живучесть;

■ для судов с такими фальшкилями возможен отказ от традиционных скуловых килей -их функции передаются фальшкилям;

■ асимметричная форма сечения фальшкилей в сочетании с возможностью варьирования углами положения и толщинами элементов позволяет оптимизировать их конструкцию и регулировать опорные реакции с учетом прочности и жесткости конструкции днища в местах соединений;

■ решения могут быть реализованы как на стадии проектирования и постройки новых судов, так и при ремонте судов, находящихся в эксплуатации.

Анализ местной прочности

Сравнительный анализ местной прочности фрагмента днища с разными типами фальшкилей был выполнен также на примере судна «Камчадал».

Фрагмент модели днищевой конструкции (рис. 8, см. вклейку) включал следующие элементы:

■ днищевую обшивку толщиной 8 мм;

■ флор таврового сечения 8x600/9x90 мм с круглыми вырезами диаметром 150 мм;

■ продольные днищевые балки 150x9 мм с интервалом размещения 0,55 м;

■ вертикальные ребра жесткости 65x9 мм по стенке флора;

■ заделки вырезов 8x100x90 мм для продольных балок;

■ кницы продольных балок 8x100x100 мм со стороны, где нет ребер жесткости;

■ внешнюю конструктивную защиту (ВКЗ) 3-х типов (рис. 8): трапециевидная со свесами (а) - принята за базу для сравнений, каплевидная (б), трапециевидная (в).

Базовый случай ВКЗ (а) включает горизонтальную полосу толщиной 12 мм и шириной 450 мм; вертикальную толщиной 10 мм в плоскости продольной балки; наклонную толщиной 11 мм с углом отклонения от вертикали 22,4° и поперечную браке-ту толщиной 10 мм в плоскости флора. Вес ВКЗ составляет 0,17 тонн на одной рамной шпации 1,65 м.

Таблица 2. Максимальные напряжения в элементах (МПа)

Элементы Случай (а) Случай (б) Случай (в)

Флор (стенка) 132 176 157

Ребра жесткости 111 131 172

Балки 107 110 133

Кница 117 83 68

Заделка 51 91 100

Дуга - 202 -

Вертикальная 141 - 53

ВКЗ Горизонтальная 42 - 102

Наклонная 96 - 94

Бракета 120 108 77

Размеры элементов других типов ВКЗ приняты при равной высоте, а расчетные толщины элементов определены из условия равного веса.

Расчетная нагрузка грунта на отсек по Правилам РС составляет 134 т. На фальшкиль в пределах рамной шпации приходится 22,3 т.

В табл. 2 представлены результаты проведенного МКЭ-анализа на основе программы Solidworks.

По результатам анализа можно отметить: 1. ВКЗ трапециевидной формы со свесами является самой эффективной для защиты днища от грунта. Она сразу обеспечивает наибольшую площадь контакта и наименьшие давления грунта. Уровень напряжений днищевого набора 132 МПа меньше, чем в других случаях. Наибольшие напряжения в вертикальной полосе 141 МПа практически равны. Наклонная и горизонтальная (42 МПа) полосы сохраняют значительные запасы, что позволяет уменьшать их толщины и вес ВКЗ.

2. ВКЗ каплевидной формы, кроме пониженной ремонтопригодности, наименее эффективно из-за малой начальной площади контакта. Уровень напряжений в днищевом наборе (176 МПа) самый высокий, а в опорной оболочке (202 МПа) приближается к пределу текучести. Для снижения напряжений потребуется увеличение толщин

и веса ВКЗ. Кроме того, малые зоны контакта и высокие давления ведут к ускоренному износу нижней части оболочки и необходимости ее замены с применением трудоемких гибочных операций и подгоночных работ по кромкам. 3. ВКЗ трапециевидной формы по эффективности занимает промежуточное положение. По эффективной площади контакта она значительно (450/207=2,2 раза) уступает базовому варианту. Ускоренный износ опорной полосы при меньшей площади контакта может со временем (износом) изменить сравнительно небольшой запас прочности и привести к более частым заменам в сравнении с базовым вариантом.

Заключение

В данной работе рассмотрены вопросы прочности и проектирования конструктивной защиты днища судов от грунта. Предложена методика определения параметров элементов фальшкилей и алгоритм для оптимизации. В условиях отсутствия опыта эксплуатации особое внимание уделено уровням коэффициентов запасов прочности и устойчивости.

Представлены разные типы возможных фальшкилей и отмечены положительные аспекты их реализации. Сравнительный анализ местной прочности днищевой конструкции с разными типами фальшкилей показал, что их применение не вызывает чрезмерных напряжений в элементах днищевого набора. Более высокой эффективностью отличается решение с горизонтальной опорной полосой и свесами.

Результаты работы направлены на расширение перспектив реализации внешней конструктивной защиты днища от грунта при проектировании и в эксплуатации судов с символом класса МЛЛБ8Л.

Список использованной литературы

1. Герман А.П., Кулеш В.А., Фам Ч.Х. Разработка схем усиления судна для взаимодействия с грунтом //

Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. -2020. Т. 12. № 5. С. 915-925.

2. Кулеш В.А., Фам Ч.Х. Специализированные суда и развитие морской инфраструктуры Вьетнама // Вестник Инженерной школы ДВФУ. 2020. № 3(44). С. 60-70.

3. Корабли ВМФ СССР. Справочник в четырех томах. Том IV. Десантные и минно-тральные корабли. СПб: «Галерея Принт», 2007. - 188 стр.

4. Российский морской регистр судоходства. Правила классификации и постройки морских судов. Т. 2. СПб., 2021. - 767 с.

5. Кулеш В.А., Турмов Г.П. Анализ и проектирование сварных конструкций // ДВФУ, Владивосток, 2014, -90 с.

6. Пономарев С.Д., Бидерман В.Л., Лихачев К.К. и др. Расчеты на прочность в машиностроении. М.: Гос. науч.-технич. изд-во машиностроит. лит., 1959 г. Т. 3. С. 964-987.

7. Биргер И.А., Пановко Я.Г. Прочность. Устойчивость. Колебания: справочник. М.: Машиностроение, 1968. Т. 3. С. 91-94.

8. Патент № 206373 РФ, МПК В63В 2/24, В63В 3/14. Устройство для защиты днища судна при его посадке на грунт: № 2021114350; опубл. 08.09.2021 / Кулеш В.А., Суров О.Э., Фам Ч.Х; заявитель ДВФУ. - 2 с.

9. Патент № 206393 РФ, МПК В63В 2/24, В63В 3/14. Устройство для защиты днища судна при его посадке на грунт: № 2021114349; опубл. 08.09.2021 / Кулеш В.А., Суров О.Э., Фам Ч.Х; заявитель ДВФУ. - 2 с.

Сведения об авторах

Виктор Анатольевич Кулеш, д.т.н., профессор Департамента Морской техники и транспорта, Дальневосточный федеральный университет. Адрес: 690950, Владивосток, ул. Суханова, 8. Тел.: 8 (908) 968-60-38. Е-та11: уки1езИ@таП.ш.

Фам Чунг Хиеп, аспирант Департамента Морской техники и транспорта, Дальневосточный федеральный университет. Адрес: 690950, Владивосток, ул. Суханова, 8. Тел.: 8 (999) 618-08-31. Е-та11: рЫера8Ш7@§та11.сот.

Поступила / Received: 10.01.22 Принята в печать / Accepted: 28.02.22 © Коллектив авторов, 2022