CC BY-NC
26
DOI: 10.24937/2542-2324-2020-1-S-I-28-32 УДК 629.5.081.32
С.В. Антоненко
Дальневосточный федеральный университет, Владивосток, Россия
о нагрузках на днище сухого дока судостроительного комплекса «звезда» при постройке ледокола «лидер»
Объект и цель научной работы. Обоснование расчетных нагрузок на днище сухого строительного дока в составе судостроительного комплекса «Звезда» от расчетного судна - перспективного атомного ледокола «Лидер». Материалы и методы. Для определения нагрузок на доковые опоры применен метод пяти моментов. Использованы проектные данные по ледоколу.
Основные результаты. Выполнены расчеты реакций доковых опор применительно к случаю постановки ледокола в ремонтный док для различных вариантов жесткости кильблоков при отсутствии и наличии строительной погиби килевой линии. Результаты сопоставлены с проектным расчетом. Обсуждается различие в распределении реакций между случаями постройки и ремонта судна. Обращается внимание на важность использования достоверных данных о механических характеристиках подушек доковых опор, а также величине и форме строительной погиби килевой линии судна. Заключение. Даны рекомендации по уменьшению нагрузок на днище дока путем обоснованного выбора характеристик прочности и жесткости доковых опор. Показано значительное влияние построечных деформаций корпуса судна на распределение опорных реакций.
Ключевые слова: строительный сухой док, реакции кильблоков, строительная погибь килевой линии, механические характеристики подушек кильблоков.
Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2020-1-S-I-28-32 УДК 629.5.081.32
S. Antonenko
Far Eastern Federal University, Vladivostok, Russia
dry dock bottom loads of zvezda shipbuilding complex during construction of lider icebreaker
object and purpose of research. Justification of design loads on the bottom ofZvezda shipbuilding complex dry dock with respect to the target vessel, advanced nuclear icebreaker Lider.
Materials and methods. The loads on dock supports were determined as per the method of five moments taking into account the icebreaker's main data.
Main results. Structural responses of dock supports were calculated for the scenario of icebreaker installation to a repair dock for different keel block stiffnesses, with and without initial bending of the keel line. Then, these results were compared with design calculations. The paper also discusses the difference in load distribution for two scenarios (ship construction and ship repair), highlighting the importance of reliable data on the mechanical characteristics of dock support cappings, as well as on scope and shape of the ship's keel line bending.
Conclusion. This paper gives recommendations on load mitigation for dry dock supports through optimization of their strength and stiffness parameters, as well as demonstrates that hull shape imperfections may seriously affect the distribution of loads on dock supports.
Keywords: dry dock, keel block responses, keel line bending, mechanical characteristics of keel block cappings. Authors declare lack of the possible conflicts of interests.
Для цитирования: Антоненко С.В. О нагрузках на днище сухого дока судостроительного комплекса «Звезда» при постройке ледокола «Лидер». Труды Крыловского государственного научнго центра. 2020; Специальный выпуск 1: 28-32. For citations: Antonenko S. Dry dock bottom loads of Zvezda shipbuilding complex during construction of Lider icebreaker. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2020; Special Edition 1: 28-32 (in Russian).
Введение
Introduction
Сухие доки используются как для строительства, так и для ремонта судов. Они отличаются, с одной стороны, долговечностью, с другой - дороговизной, связанной с большим объемом земляных и бетонных работ. Толщина днища дока во многом зависит от принятых при его проектировании расчетных нагрузок.
В г. Большой Камень идет строительство одного из крупнейших в России судостроительных комплексов - ССК «Звезда». В состав комплекса входят, в частности, тяжелый открытый стапель с передаточным доком грузоподъемностью 40 000 т и сухой строительный док размерами 489*110 м. Ввод в строй этого комплекса позволит отечественной судостроительной отрасли выпускать крупнотоннажные суда и морские инженерные сооружения, размеры которых значительно превышают ранее строившиеся. Так, рассматривается возможность постройки в сухом доке перспективных атомных ледоколов типа «Лидер» мощностью 120 МВт. Этот ледокол принят в качестве расчетного при проектировании сухого дока.
С точки зрения постановки в док специфика ледоколов, в особенности атомных, состоит в том, что их доковое водоизмещение ненамного меньше полного, имеются значительные конструктивные (по терминологии [1, с. 169]) свесы обеих оконечностей, погонная нагрузка на килевую дорожку намного больше, чем у транспортных судов сравнимой длины.
Сухой док - дорогостоящее сооружение, недооценка величины нагрузок может привести к повреждению его днища, а завышение - к удорожанию его строительства. Вопросы определения реакций доко-
P, т 6000
5000
4000
3000
2000
1000
вых опор при постройке судна в доке и оценки возможности снижения нагрузок представляют практический интерес.
Специалисты Дальневосточного федерального университета осуществляют научно-техническое сопровождение строительства сухого дока. В рамках этой работы автору настоящей статьи было предложено выполнить оценку нагрузок на днище дока при постройке ледокола «Лидер». Для этой цели были предоставлены материалы по расчету постановки судна в док для ремонта.
Исходные данные
Input data
Длина рассматриваемого ледокола по конструктивной ватерлинии - 200 м, длина килевой дорожки - 141 м, водоизмещение порожнем - 53 400 т, а при постановке в док - 58 400 т. Распределение доковой массы судна P по теоретическим шпангоутам показано на рис. 1, а кривая моментов инерции I - на рис. 2. Нулевой шпангоут соответствует носовому перпендикуляру.
Днище дока должно состоять из связанных между собой железобетонных плит «тяжелой» и «легкой» зон, различающихся величиной проектных нагрузок и, соответственно, толщиной. Размеры плит в плане - примерно 25*(16-18) м, толщина не менее 1 м, марка бетона - В35, арматуры - А400.
Согласно проектному расчету для случая постановки на ремонт в док, доковое опорное устройство (ДОУ) состоит из одной килевой дорожки в оконечностях и трех в средней части. Кильблоки размерами
0.4*2,0 и 0,6*2,0 м располагаются только в районе
1, м4 500
400
300
200
100
0 20 40 60 80 100 120 140 160
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Рис. 1. Распределение массы судна по длине Fig. 1. Distribution of the ship's weight by length
Рис. 2. Кривая моментов инерции Fig. 2. Curve of inertia moments
0
0
X. м
X. м
плоского горизонтального днища и имеют дубовую подушку высотой 200 мм и сосновую прокладку 50 мм (первый тип) или 400 и 100 мм (второй тип). Шаг кильблоков - 900 мм (одна практическая шпация), но на некоторых участках устраивается сплошная килевая дорожка. Кроме того, под двумя поперечными переборками в районах ±1/4 длины судна от миделя проектант предлагает установить по четыре дополнительные клетки с дубовыми подушками.
Определение реакций кильблоков
Keel block response calculations
Судно в проектном расчете рассматривалось как балка переменного сечения, лежащая на независимых податливых опорах, каждая из которых соответствует одному или трем кильблокам, расположенным на одном шпангоуте. Весовая нагрузка прикладывалась в виде сосредоточенных сил на опорах; дополнительно учитывались силы и моменты от свешивающихся оконечностей; массы носового и кормового свесов составляют 6300-6400 т. Учитывались деформации сдвига. Считалось, что дубовые подушки работают в упругой стадии, а диаграмма деформации сосновой прокладки принималась по рекомендациям отраслевого нормативного документа [2, с. 46].
Важно отметить, что использование вполне адекватных расчетных схем не гарантирует получения достоверных результатов. Выполненные автором обширные натурные измерения [3, 4] показали, что, во-первых, у всех судов имеется строительная погибь килевой линии, а во-вторых, реальная податливость деревянных подушек значительно выше, чем говорится в литературе. Первый из указанных факторов ведет к увеличению неравномерности распределения опорных реакций (и, что весьма существенно, к их перераспределению по длине), второй - к ее уменьшению. Это влияние в какой-то мере иллюстрирует рис. 3, на котором показаны эпюры изгибающих моментов в корпусе ледокола и давлений на кильблоки, рассчитанные при различных допущениях. Линии «проект» соответствуют проектному расчету; вариант 1 - расчет методом пяти моментов (М5М) с теми же исходными данными, но без учета деформаций сдвига и нелинейности работы мягкой прокладки; в варианте 2 модуль упругости дубовой подушки умножен на 0,3, а сосновой прокладки - на 0,25, что примерно соответствует нашим экспериментальным данным. Кроме того, рассмотрены случаи наличия строительного проги-
М104, тм 30
25
20
15
10
5
0
-5
0 20 40 60 80 100 120 140 160 x, м q, т/м2 600
500
400
300
200
100
0
б) — пр оект 1 -ч к-1а ----2
\ \ V • / \
\ и 1 у\ L\/l V
0 20 40 60 80 100 120 140 160 x, м
Рис. 3. Эпюры изгибающих моментов M (а), и давлений на кильблоки q (б): проект - согласно проектному расчету; 1 - расчет методом пяти моментов (М5М); 2 - расчет М5М с уменьшением модулей упругости подушек; с буквой «а» - при наличии общего прогиба 100 мм
Fig. 3. Distribution diagrams of a) bending moments M and b) keel block loads q: Project - design calculation data; 1 - calculation as per the method of five moments (M5M); 2 -M5M calculation for stiffer cappings; a index means global bending (100 mm)
ба килевой линии со стрелкой 100 мм на длине судна между перпендикулярами (фактически она может быть значительно больше). По оси абсцисс отложены расстояния от носового перпендикуляра, а по оси ординат - изгибающие моменты (тм).
Заметим, что при относительно малом отношении длины судна к высоте борта и довольно большом моменте инерции эквивалентного бруса ледокол на ДОУ обладает существенной гибкостью. Величина
безразмерного параметра u = L^^kf, характеризующего соотношение жесткостей судна (EI) как балки, лежащей на упругом основании длиной L, и ос-
нования, жесткость которого k, составляет, в зависимости от принятых в настоящих расчетах модулей упругости деревянных подушек, от 2,5 до 3,5.
Относительная гибкость судна, имеющего большие свешивающиеся оконечности и сосредоточенные массы в средней части, способствует неравномерному распределению реакций ДОУ Эта неравномерность, как показано в проектном расчете, несколько сглаживается благодаря работе сосновых прокладок за пределом пропорциональности.
Опорные реакции при постройке судна
Responses of supports during ship construction
Условия постройки судна в доке значительно отличаются от условий при постановке судна в док для ремонта, и не только меньшим доковым весом, но и, что гораздо важнее, более точным соответствием формы опорной поверхности форме днища. Кроме того, по технологическим соображениям в оконечностях будут установлены высокие опоры, которые отсутствуют в ремонтном доке. Это создает более благоприятные условия для судна при постройке. Ввиду того, что в процессе формирования корпуса каждый блок должен удерживаться своими опорами, распределение нагрузок на днище дока будет близким к распределению масс судна. В районе реакторного отсека интенсивность этой нагрузки превышает среднее значение более чем в два раза.
В результате выполнения сварочных работ при сборке корпуса будут происходить общие деформации (подъем оконечностей) [3, 5], которые могут оказать отрицательное влияние на распределение нагрузок на днище дока. К моменту спуска на воду кильблоки в оконечностях судна могут даже оказаться разгруженными, несмотря на наличие свешивающихся оконечностей [5]. Иначе говоря, как показал В.П. Суслов, при постройке судна, несмотря на то, что в исходном состоянии строительные опоры точно устанавливаются по высоте, к моменту спуска на воду образуется начальный зазор. Предварительные расчеты построечных деформаций и принятые в соответствии с ними меры не могут полностью предотвратить возникновение строительной погиби. Для снижения этого влияния необходимо обеспечить соответствующие характеристики прочности и жесткости опор.
На рис. 4 изображены килевые линии пяти дизель-электрических линейных ледоколов двух серий, полученные по результатам нивелирования
80 60 40 20 0 -20 -40 -60
отклонение от базовой прямой, мм
расстояние от оси баллера, м ■ ■ _i_
0
20
40
60
80 100 120
Рис. 4. Килевые линии ледоколов Fig. 4. Keel lines of icebreakers
в сухих доках Дальзавода, выполненного автором в 1968-1982 гг. Как видим, все эти суда имели значительный прогиб килевой линии.
Широко распространено мнение, что при больших свесах оконечностей эффективны сминающиеся прокладки на концевых участках килевой дорожки или килевые дорожки переменной жесткости с уменьшением ее от миделя к оконечностям [1, 2, 6]. Автор считает, что в рассматриваемом случае такие меры крайне нежелательны. В связи с наличием построечных опор в оконечностях судна и вероятным возникновением строительного прогиба килевой линии к моменту спуска на воду возможна недопустимая перегрузка ДОУ в средней части. Представляется целесообразным применять в составе ДОУ, по крайней мере, в районе плоского днища, кильблоки одинаковой жесткости; в оконечностях, где будут располагаться высокие опоры, это условие выполнить нереально.
Большие погонные нагрузки на ДОУ от докового веса, в соответствии с рекомендациями [2], требуют использовать кильблоки с подушками из древесины твердых пород (дуб, ясень). Количество дубового бруса в составе ДОУ по чертежу проектанта ледокола составляет 100 м3. К сожалению, практика показывает, что ввиду дефицитности этих пород древесины возможности их использования ограниченны. Учитывая, с одной стороны, то, что ДОУ для такого судна, скорее всего, будет разовым, а с другой, необходимость обеспечения высокой податливости кильблоков (желательно также, чтобы эта податливость у опор в оконечностях судна не слишком отличалась от податливости кильблоков на плоском участке днища), полезно проработать вопрос о возможности за-
мены твердой породы на мягкую при существенном увеличении расчетных давлений на нее. Такое решение, будучи, по сути, вынужденной мерой, было использовано нами при докованиях авианесущих кораблей и дало положительные результаты. Но следует отметить, что увеличение среднего давления на подушки хвойных пород до 150 т/м2 (1,5 МПа) и выше потребует тщательной проработки конструкции кильблоков.
Заключение
Conclusion
Достоверность расчета опорных реакций при стоянке судна в доке в значительной степени зависит от полноты и точности заложенных в расчет исходных данных. При постановке судна в док для ремонта ДОУ набирается в соответствии с теоретическим чертежом, если документально не зафиксировано наличие погиби килевой линии или не предусмотрено специальное профилирование ДОУ Если же судно находится в процессе постройки, может сложиться впечатление, что в этом случае начальный зазор между судном и ДОУ отсутствует. Но при секционном (пирамидальном) методе постройки, когда последними свариваются швы в верхней части корпуса, происходит подъем оконечностей, который не всегда удается компенсировать соответствующей, определенной расчетом, выкладкой кильблоков. При этом происходит перераспределение опорных реакций: уменьшение их в оконечностях и увеличение в средней части, что для ледокола крайне нежелательно. Снизить это негативное влияние можно, увеличивая податливость деревянных подушек кильблоков за счет выбора материала, высоты подушек, среднего давления на ДОУ.
Материалы данной работы были включены в научно-технический отчет Дальневосточного федерального университета.
Библиографический список
1. Козляков В.В., Финкепь Г.Н., Хархурим И.Я. Проектирование доковых опорных устройств. Л.: Судостроение, 1973. 176 с.
2. РД5-076.011-82. Методические указания. Корпуса кораблей и судов. Методы расчета прочности. Расчет на ЭВМ общей и местной прочности кораблей и судов при постановке в сухой и плавучий доки. Л.: 1982. 237 с.
3. Аникин Е.П., Антоненко С.В. Некоторые результаты экспериментального изучения опорных реакций в сухих доках // Судостроение. 1978. № 10. С. 72-75.
4. Антоненко С.В. Результаты исследований прочности, жесткости и ползучести деревянных подушек кильблоков // Судостроение. 1991. № 1. С. 43-46.
5. Суслов В.П., Кочанов Ю.П. К вопросу об определении нагрузок на днищевые перекрытия при спуске судна с продольного стапеля // Судостроение и морские сооружения. 1966. Вып. 2. С. 94-100.
6. Архангородский А.Г., Беленький Л.М., Литвин А.Б. Сминающиеся прокладки в судостроении и судоремонте. Л.: Судостроение, 1966. 132 с.
References
1. Kozlyakov V., Finkel G., Harhurim I. Design of dock supports. Leningrad: Shipbuilding, 1973. 176 pp. (in Russian).
2. RD5-076.011-82. Methodical instructions. Hulls. Strength calculation methods. Computer-based calculation of global and local strength of ships in dry and floating docks. Leningrad, 1982. 237 pp. (in Russian).
3. Anikin E., Antonenko S. Some results of experimental study of dry dock support responses // Sudostroyeniye (Shipbuilding). 1978. No. 10. P. 72-75 (in Russian).
4. Antonenko S. Strength, stiffness and creep of wooden keel block cappings: research data // Sudostroyeniye (Shipbuilding), 1991. No. 1. P. 43-46 (in Russian).
5. Suslov V., Kochanov Yu. On determination of bottom grillage loads during ship launch from a longitudinal slipway // Shipbuilding and marine structures. 1966. Vol. 2. P. 94-100 (in Russian).
6. Arkhangorodsky A., Belenky L., Litvin A. Crushing strips in shipbuilding and ship repair. Leningrad: Sudostroyeniye, 1966. 132 pp. (in Russian).
Сведения об авторе
Антоненко Сергей Владимирович, д.т.н., профессор ФГАОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет». Адрес: 690091, Владивосток, ул. Суханова, 8. Тел.: +7 (908) 973-49-62. E-mail: sergey.antonenko.43@mail.ru.
About the author
Antonenko, Sergey V., Dr. Sci., (Eng), Prof., Far Eastern Federal University. Address: 8, Sukhanova st., Vladivostok, Russia, post code 690091. Tel.: +7 (908) 973-49-62. E-mail: sergey.antonenko.43@mail.ru.
Поступила / Received: 31.01.20 Принята в печать / Accepted: 07.02.20 © Антоненко С.В., 2020
