CC BY-NC
33
DOI: 10.24937/2542-2324-2020-2-S-I-57-62 УДК 629.5.081.328:629.027
С.В. Антоненко
Дальневосточный федеральный университет Политехнический институт (школа), Владивосток, Россия
О ВЫБОРЕ РАЦИОНАЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ ДОКОВОГО ОПОРНОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ КОРАБЛЯ С БОЛЬШИМИ СВЕСАМИ ОКОНЕЧНОСТЕЙ
Сообщается о многовариантной проработке опорного устройства для постановки в плавучий док атомного крейсера «Фрунзе» (ныне «Адмирал Лазарев») в условиях жестких ограничений по условиям прочности корпуса корабля и опорного устройства, а также по установке корабля в док из-за недостаточной глубины котлована. Ключевые слова: плавучий док, доковое опорное устройство, большие свесы оконечностей, обеспечение прочности.
Автор заявляет об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2020-2-S-I-57-62 UDC 629.5.081.328:629.027
S. Antonenko
Far Eastern Federal University, Polytechnical Institute (school), Vladivostok, Russia
SELECTION OF OPTIMAL KEEL BLOCK FOR DOCKING SHIPS WITH LARGE BOW AND STERN OVERHANGS
This paper discusses various design options for a keel block needed for accommodating Frunze (now Admiral Lazarev) nuclear cruiser in a floating dock taking into account structural strength restrictions for both cruiser hull and the keel block, as well as limited depth of docking basin.
Keywords: floating dock, keel block, large overhangs, structural strength. Author declares lack of the possible conflicts of interests.
Введение
Наличие у судна свешивающихся оконечностей значительной длины обычно связывается с возможностью появления чрезмерных реакций кильблоков на концевых участках килевой дорожки из-за перегиба корпуса судна. Это может представлять опасность для прочности как концевых участков килевой дорожки, так и конструкций двойного дна докуемого судна. В отраслевом руководящем документе [1], монографиях [2, 3] и других, довольно многочисленных источниках можно найти рекомендации по конструированию докового опорного устройства (ДОУ) для судов с большими свесами. Не будем подробно
останавливаться на этих рекомендациях, с комментариями к которым читатель может познакомиться в работах автора [4-6]. Отметим лишь большое разнообразие рекомендаций, определенную их противоречивость и, как правило, отсутствие четких указаний, в каких случаях какой способ (или способы) следует предпочесть. Кроме того, следование этим рекомендациям может не дать желаемого результата.
В данной работе сообщается об опыте разработки докового опорного устройства для атомного ракетного крейсера «Фрунзе» (пр. 1144, ныне «Адмирал Лазарев») применительно к большому плавучему доку ПД-41 грузоподъемностью 80 000 т.
Для цитирования: Антоненко С.В. О выборе рациональной конструкции докового опорного устройства для корабля с большими свесами оконечностей. Труды Крыловского государственного научного центра. 2020; Специальный выпуск 2: 57-62.
For citations: Antonenko S. Selection of optimal keel block for docking ships with large bow and stern overhangs. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2020; Special Edition 2: 57-62 (in Russian).
Длины носового и кормового свесов составляли соответственно 45 и 35 м, массы (приблизительно) 1600 и 2500 т. Ввиду значительной гибкости корабля задача обеспечения прочности концевых участков ДОУ была достаточно сложной. Следовало также иметь в виду, что в средней части прочность днищевых конструкций корабля сравнительно невысока. Дополнительные трудности были связаны с тем, что из-за ограниченной глубины котлована и большой высоты килевой дорожки (2700 мм), обусловленной наличием выступающих частей ниже основной плоскости, следовало тщательно учитывать геометрические ограничения.
Автору довелось в 1983 г. увидеть «Фрунзе» в доке им. Велещинского в Кронштадте, до того, как крейсер прибыл на Тихоокеанский флот. На основании осмотра ДОУ был сделан вывод о том, что корабль имеет значительный строительный прогиб. Это обстоятельство учитывалось при выполнении расчетов: кроме случая прямолинейного судна, анализировался случай наличия строительного прогиба со стрелкой 200 мм. Сейчас трудно сказать, почему при подготовке к докованию не была выполнена оценка этого прогиба по маркам углубления в положении на плаву, но натурные измерения во время докования показали, что в действительности прогиб был еще больше. С подобной проблемой пришлось встретиться несколько позже при подготовке к постановке в док корабля «Урал» с АЭУ. Предварительно было известно, что он имеет строительный прогиб. Благодаря тому, что на плаву были определены фактические осадки, а затем рассчитана упругая линия при переходе от состояния на плаву к состоянию в доке, удалось установить, что стрелка прогиба несколько превышает 300 мм. Выполненное по этим данным профилирование килевой дорожки дало возможность избежать опасных перегрузок боковых килевых дорожек в средней части.
Ограниченный объем статьи не позволит нам рассмотреть результаты натурных измерений, которые были выполнены во время докования и в дальнейшем позволили усовершенствовать ДОУ [7]. Задача статьи - описание начального этапа разработки проекта докования в части конструирования ДОУ.
Анализируемые варианты
Конструкторским бюро на основе докового чертежа проектанта было разработано 8 основных вариантов ДОУ с учетом имеющихся на доке штатных кильблоков. Кильблоки имеют размеры в плане 2,25^1,2 м, штатная подушка состоит из древесины твердой породы с включением между рядами
брусьев «мягкой прокладки» толщиной 100 мм, приблизительно соответствующей дубу по своим механическим характеристикам, как показали натурные измерения. Общая высота штатной подушки - 700 мм, высота штатных кильблоков центральной дорожки - 1500 мм. Увеличение высоты штатных боковых дорожек, связанное с погибью бимсов понтона (уклоном стапель-палубы в поперечном направлении) обеспечивается изменением высоты металлических оснований. Для получения требуемой высоты килевой дорожки поверх штатных кильблоков было необходимо устанавливать дополнительные элементы - металлические коробки (основания других кильблоков) и деревянные подушки. Кильблоки устанавливались по всей длине горизонтального киля, за исключением необходимых разрывов, с шагом 1,8 м, т.е. на каждом штатном месте. Количество и расположение клеток было принято в соответствии с чертежом проектанта корабля, но размеры некоторых клеток в оконечностях были уменьшены, поскольку при большом возвышении их над базовой плоскостью установка корабля над ДОУ была невозможной (корабль наводился на ДОУ лагом). Возвышение опорной поверхности кильблоков над стапель-палубой с учетом выступающих частей ниже основной плоскости составляло 2700 мм.
Вариант 1: на штатных кильблоках укладывается слой сосновых брусьев толщиной 150 мм, на них устанавливается основание кильблока центральной дорожки высотой 800 мм, затем металлический наголовник высотой 100 мм с уложенными на нем сосновыми досками - мягкой прокладкой размером 2250^800x100 мм. Наличие наголовника позволяло получить два варианта ДОУ, обеспечивающие очистку и окраску всей площади днища, т.к. иначе промежуток между кильблоками составлял 600 мм при размере подушки вдоль судна 1200 мм.
Вариант 2: то же, но на 30-метровых концевых участках килевой дорожки сосновые брусья заменены на дубовые.
Вариант 3: по варианту 1, но штатная подушка заменена сосновыми брусьями.
Вариант 4: по варианту 2, но штатная подушка заменена на концевых участках дубовыми, а в средней части - сосновыми брусьями.
Вариант 5: по варианту 1, в оконечностях сплошная килевая дорожка, сосновая подушка (без штатной).
Вариант 6: по варианту 1, в оконечностях сплошная килевая дорожка, дубовая подушка (без штатной).
Вариант 7: штатные кильблоки без дополнительных брусьев, сосновая прокладка на наголовниках, требуемая высота получена за счет использования металлических оснований высотой 1003 мм с крайних боковых дорожек.
Вариант 8: в отличие от варианта 2, сосновые брусья, как это обычно принимается для судов с большими свесами оконечностей, уложены на концевых участках, дубовые - в средней части.
Позже были введены в рассмотрение еще несколько вариантов, на которых мы не останавливаемся. Конструкция клеток во всех вариантах одинаковая.
Форма килевой линии принималась как прямолинейной, так и со строительным прогибом 200 мм на длине между перпендикулярами. Распределение балласта по отсекам дока считалось неизменным для всех исследованных вариантов.
Корабль ставился на центральную килевую дорожку, мидель располагался вблизи миделя дока, килевая линия длиной 170 м целиком находилась в пределах центральной секции дока, имеющей длину 201,6 м. Отметим, что в дальнейшем были проработаны и внедрены варианты групповых постановок (которые ранее были запрещены, потребовались серьезные исследования для обоснования их возможности), в том числе со смещением корабля как по длине дока (с переходом части килевой дорожки на концевой понтон), так и по его ширине (на одну из боковых дорожек, отстоящую от ДП дока на 17,5 м). Но рассмотрение этих работ выходит далеко за рамки статьи.
Расчеты выполнялись двумя методами. В методе конечных элементов (использовалась программа, разработанная Е.А. Шишениным) корабль и док моделировались двумя горизонтальными балками, соединенными между собой вертикальными распорками - доковыми опорами. Нагрузки прикладывались в виде узловых усилий. В методе пяти моментов корабль опирался на равноотстоящие податливые опоры. Жесткости опор в обоих методах рассчитывались с учетом количества реальных кильблоков и клеток в составе приведенной опоры и их конструкции. Модуль упругости подушек твердой породы принимался равным 7500 тс/м2 (75 МПа), мягкой породы - 1500 тс/м2 (15 МПа), что примерно соответствовало имевшимся результатам натурных измерений, но существенно расходилось с литературными данными. Поперечная жесткость понтонов дока в основных вариантах рассчитывалась по схеме плавающей балки, как это рекомендует В.Ф. Лапинский [8], а не по обычно предлагаемой схеме балки, свободно опертой на баш-
ни [1, 9]. Тем самым учитывалось, что вес докуемого судна уравновешивается весом балласта, удаляемого из отсеков дока. Поперечный изгиб дока, по опыту аналогичной работы для авианесущих кораблей пр. 1143, учитывался не для каждой отдельной приведенной опоры, а введением редукционного коэффициента к коэффициентам жесткости (КЖ), рассчитанным для сухого дока, полученного делением КЖ понтона дока в пределах килевой дорожки к сумме КЖ понтона и ДОУ в целом. Таким образом устранялась фиктивная неравномерность давлений на кильблоки, обусловленная изменением их количества и конструкции по длине корабля.
Основные результаты
Общая продольная прочность корабля и дока обеспечивались, расчетные значения изгибающих моментов для корабля не достигали и половины допускаемой величины. Основное внимание уделялось давлениям на килевую дорожку. На рис. 1 показаны эпюры давлений на кильблоки по вариантам, указанным выше, при отсутствии (а) и наличии (б) строительной погиби, согласно расчетам по методу конечных элементов. По оси абсцисс отложены расстояния от миделя корабля (нос справа), по оси ординат - давления на кильблоки, т/м2 (в технической системе единиц). В варианте 3 а поперечный изгиб дока учитывался по схеме балки на двух опорах (башни).
Для сравнения на рис. 2 представлены эпюры давлений на кильблоки при отсутствии строительной погиби, полученные методом пяти моментов (М5М).
Качественно результаты неплохо согласуются друг с другом, но изгиб плавучего дока способствует некоторому сглаживанию пиков реакций.
Анализируя эти результаты, следует иметь в виду, что несущая способность килевой дорожки, состоявшей в этих расчетах из 82 кильблоков с проектной допускаемой нагрузкой 540 т на один кильблок (200 т/м2), намного превышает необходимую, поэтому общий уровень давлений достаточно умеренный. Некоторую часть нагрузки (в разных вариантах - от 17 до 35 %) воспринимают клетки, в средней части имеющие размеры 3,5x1,5 м. Благодаря этому нагрузки на кильблоки в средней части, на длине около 100 м, невелики. Замена сосны на дуб в оконечностях (варианты 1 и 2) сравнительно слабо повлияла на пики реакций, поскольку податливости верхней прокладки, штатной подушки и понтона дока нивелировали разницу податливостей этих подушек. Но допус-
каемое давление на дуб, согласно [1], принимается в 2 раза больше, чем на сосну (320 и 160 т/м2 соответственно). В итоге концевые кильблоки с сосновой подушкой оказываются перегруженными, что и следовало ожидать. В сухом доке Кронштадта высота сосновых подушек в оконечностях составляла 1800 мм - это способствовало сглаживанию кривой давлений, но требовало большого количества лесоматериала и существенно увеличивало трудоемкость изготовления и демонтажа ДОУ. Заметим также, что в плавучем доке эффективность такого решения ниже по причине поперечного изгиба понтона, кроме того, при расчетном обосновании конструкции киль-
блоков здесь особенно сильно будет сказываться выбор расчетной схемы определения податливости дока.
Характер эпюр изгибающих моментов для трех вариантов ДОУ: 1) с сосновой подушкой по всей длине; 2) с дубовой подушкой в оконечностях и сосновой в средней части; 8) наоборот, с сосновой подушкой в оконечностях и дубовой в средней части при отсутствии (сплошные линии) и наличии (штриховые линии) строительной погиби показан на рис. 3.
Увеличение жесткости концевых участков ДОУ вполне предсказуемо привело к уменьшению момента, перегибающего корабль (на небольшом
Корабль без погиби - давления, т/м2
20 0
100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
Рис. 2. Давления на кильблоки для различных вариантов докового опорного устройства по методу пяти моментов
100 000
_ ^ 800Q9' 4 \
-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120
■ 1
-20 000 2 -8---16
26---86
Рис. 3. Эпюры изгибающих моментов, тм
участке вблизи миделя момент даже меняет знак), но эффект оказался невелик. Несравненно больше влияние строительного прогиба, который, как указано выше, фактически был еще больше.
При всех различиях исходных данных диапазон изменения давлений на концах килевой дорожки получился относительно небольшим. Как известно из теории изгиба балок на упругом основа-
нии, влияние сосредоточенных сил и моментов наиболее сильно проявляется на расстоянии порядка
1 ¡4 Е1
— = 4/-, где Е1 - изгибная жесткость балки; к -
а V к
коэффициент жесткости упругого основания. В нашем случае этот параметр составляет примерно 25-35 м, в корме меньше, чем в носу. Поперечный
изгиб дока (податливость понтона), с одной стороны, способствует уменьшению пиков реакций на концах килевой дорожки, а с другой - снижает эффект изменения конструкции деревянной подушки. У рассматриваемого дока при нагрузке на килевую дорожку, равную допускаемой, поперечный прогиб составляет 90 мм, а просадка штатных кильблоков - около 10 мм. Дополнительные подушки, конечно, увеличивают податливость кильблоков, но не настолько, чтобы оказать решающее влияние на нагрузки на килевую дорожку от свешивающихся оконечностей.
Заключение
Описанное исследование позволило однозначно рекомендовать конструкцию килевой дорожки с использованием твердой породы древесины на ее концах и мягкой - в средней части. Это решение, ранее отработанное и хорошо себя зарекомендовавшее при доковании авианесущих кораблей пр. 1143 [4, 5], с недоумением было воспринято проектантом корабля, поскольку противоречило общепринятым рекомендациям. Но таким образом удается не только обеспечить прочность килевой дорожки, но и, что намного важнее, обезопасить корпус корабля в средней, наименее прочной части (в отношении местной прочности днища) от возможных перегрузок, величина которых ограничивается прочностью кильблоков и, можно сказать, никак не связана с реакциями, полученными расчетным путем, без учета различных случайных факторов, к примеру, строительной погиби корабля. Натурные измерения подтвердили правильность сделанных выводов и послужили основой для дальнейшего совершенствования докового опорного устройства.
Список использованной литературы
1. 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. Ленинград, 1982. 237 с.
2. Козляков В.В., Финкель Г.Н., Хархурим И.Я. Проектирование доковых опорных устройств. Ленинград: Судостроение, 1973. 176 с.
3. Архангородский А.Г., Беленький Л.М., Литвин А.Б. Сминающиеся прокладки в судостроении и судоремонте. Ленинград: Судостроение, 1966. 132 с.
4. Антоненко С.В. Опыт постановки в плавучий док судов с большими свесами оконечностей // Судостроение. 2010. № 3. С. 62-67.
5. Антоненко С.В. Постановка в плавучий док судов с большими свесами оконечностей // Судостроение. 2010. № 5. С. 59-62.
6. Антоненко С.В. Некоторые проблемы докования крупных кораблей в плавучих доках и опыт их решения // Вестник Инженерной школы Дальневосточного федерального университета. 2015. № 4 (25). С. 148-160.
7. Антоненко С.В. Вопросы прочности при групповом доковании судов в плавучих доках (обзор) // Вестник Инженерной школы ДВФУ. 2017. № 2 (31). С. 3-12.
8. Лапинский В.Ф. Расчет системы док-судно. Москва: Транспорт, 1967. 144 с.
9. Сборник общих инструкций по эксплуатации судоподъемных средств ВМФ. Москва: Воениздат, 1973. 176 с.
Сведения об авторе
Антоненко Сергей Владимирович - д.т.н., профессор, профессор Департамента морской техники и транспорта, Дальневосточный федеральный университет, Политехнический институт (школа). Адрес: 690922, Россия, Приморский край, остров Русский, пос. Аякс, д. 10. Тел.: +7 (908) 973-49-62. Е-mail: sergey. antonenko.43 @mail.ru.
Поступила / Received: 11.11.20 Принята в печать / Accepted: 26.11.20 © Антоненко С.В., 2020
