CC BY-NC
48
DOI: 10.24937/2542-2324-2019-1-S-I-49-52 УДК 69.5.013.001.26
Е.А. Алифиренко1, Е.А. Шишенин2
!НИЦ «Курчатовский институт - ЦНИИ КМ «Прометей», Санкт-Петербург, Россия 2ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия
ПЕРСПЕКТИВЫ СНИЖЕНИЯ ВЕСА КОРПУСНЫХ И НАДСТРОЕЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ СВАРНЫХ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ОБЛЕГЧЕННЫХ ПАНЕЛЕЙ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ СВАРКИ ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ
Проведен анализ эффективности снижения веса корпусных и надстроечных конструкций судов различного класса при использовании сварных крупногабаритных облегченных панелей, полученных сваркой трением с перемешиванием, взамен традиционных прессованных панелей шифра ПК0266. Показано, что снижение веса может достигаться как за счет снижения толщины полотна панели, так и за счет увеличения межреберного расстояния. Наибольший эффект снижения веса корпусных конструкций рассматриваемых судов - 23 % обеспечивается заменой прессованной панели ПК0266 сварной крупногабаритной облегченной панелью толщиной 2,5 мм с межреберным расстоянием 400 мм. Ключевые слова: корпусные, надстроечные конструкции, алюминиевые полуфабрикаты, суда различного класса, снижение веса, сварка трением с перемешиванием, прессованные панели, сварные панели. Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2019-1-S-I-49-52 UDC 69.5.013.001.26
E.A. Alifirenko1, E.A. Shishenin2
'Kurchatov Institute - CRISM Prometey, St. Petersburg Russia
2Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia
WEIGHT REDUCTION PROSPECTS OF THE VESSEL'S HULLS AND SUPERSTRUCTURES BY USING LARGE-SIZE LIGHT-WEIGHT FSW WELDED PANELS
The analysis was carried out to evaluate the efficiency of weight reduction for the hull and superstructure of different types of vessels by using large-size light-weight FSW welded panels instead of extruded panels "PK0266". It is revealed that the weight reduction can be achieved by both reduction of panel thickness and increase of frame spacing. The most significant effect of weight reduction, i.e. 23 % is achieved by using large-size light-weight FSW welded panel of 2,5 mm thickness and 400 mm frame spacing instead of extruded panels "PK0266".
Keywords: hull, superstructure, aluminum semi-finished products, ships of various classes, weight reduction, friction-stir mixing welding technique, pressed panels, welded panels.
Authors declare lack of the possible conflicts of interests.
Актуальными задачами при создании современных скоростных судов являются необходимость снижения веса корпусных конструкций и судна в целом одновременно с сокращением трудоемкости и себе-
стоимости производства [1]. Наиболее эффективным решением этих задач является применение в сварных конструкциях облегченных полуфабрикатов с готовым набором. Традиционно широкое
Для цитирования: Алифиренко Е.А., Шишенин Е.А. Перспективы снижения веса корпусных и надстроечных конструкций при использовании сварных крупногабаритных облегченных панелей, полученных методом сварки трением с перемешиванием. Труды Крыловского государственного научного центра. 2019; Специальный выпуск 1: 49-52. For citations: Alifirenko E.A., Shishenin E.A. Weight Reduction Prospects of the Vessel's Hulls and Superstructures by Using Large-size Light-weight FSW Welded Panels. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2019; Special Edition 1: 49-52 (in Russian).
ФГУП «Крыловский государственный научный центр»
49
применение при создании облегченных корпусных конструкций нашли цельно прессованные панели типа ПК из алюминиево-магниевых сплавов, получаемые прессованием оребренной трубы из круглого контейнера диаметром 700 мм и последующей разверткой в плоскую панель шириной 1500— 1800 мм [2, 3].
Особенности подобной технологии получения крупногабаритных цельно прессованных панелей из алюминиево-магниевых сплавов накладывают ограничения на сортамент панелей, толщину полотна и стенки ребер жесткости. При таком способе производства отсутствует возможность модернизации профиля панели (например, за счет изменения межреберного расстояния). Фактическая минимальная толщина конструкции определяется минимально возможной толщиной прессованной панели, которая с учетом текущего износа прессового инструмента составляет 3,6-3,9 мм. Все это ограничивает эффективность снижения веса корпуса при использовании алюминиевых полуфабрикатов.
В настоящее время в судостроении, авиастроении и других отраслях промышленности нашли широкое применение альтернативные, так называемые, сборные панели, получаемые соединением отдельных тонкостенных профилей между собой или с использованием промежуточной катаной полосы [4]. По сравнению с цельно прессованными панелями очевидными преимуществами сборных панелей являются:
■ возможность применения в составе панели тонкостенных прессованных и катаных полуфабрикатов толщиной 2,0-3,0 мм;
■ более эффективное использование материала за счет возможности сочетания полотна и набора требуемых типоразмеров.
Наиболее эффективным способом получения таких панелей является использование технологии сварки трением с перемешиванием. Способ сварки трением с перемешиванием (СТП) осуществляется в твердой фазе без расплавления металла за счет вязко-пластического течения металла в процессе поступательного перемещения вращающегося сварочного инструмента вдоль линии соединения (рис. 1) [5].
В НИЦ «Курчатовский институт - ЦНИИ КМ «Прометей» разработана опытная технология и освоен выпуск сварных крупногабаритных облегченных панелей (СКО-панелей) с использованием катаных и прессованных полуфабрикатов из коррозионно-стойких алюминиево-магниевых сплавов 1561, 1565ч толщиной от 2,5 мм методом сварки трением с перемешиванием. Разработанная технология сварки позволяет получать сварные соединения с механическими свойствами не ниже свойств основного металла без утолщения сварного шва. При этом остаточные сварочные деформации не превышают допустимых отклонений формы и размеров исходных полуфабрикатов (рис. 1).
Для анализа технико-экономической эффективности применения СКО-панелей, взамен традиционно используемых цельно прессованных панелей в ФГУП «Крыловский государственный научный центр» проведены расчеты снижения веса корпусных и надстроечных конструкций судов различного класса: РТ14МТ, СТ40МТ, WM22MT (проектант ООО «МТ-Групп»), см. таблицу.
Для проведения анализа выбраны конструктивные районы, содержащие в себе прессованные панели шифра ПК0266:
■ для судна РТ14МТ - конструкции корпуса и рубки, наружная обшивка корпуса, переборка 11 шпангоута;
■ для судна СТ40МТ - надстроечная часть;
■ для судна WM22MT - рубка;
Вес рассматриваемых конструкций составил 4925 кг для судна СТ40МТ, 644 кг для WM22MT и 4176 кг для судна РТ14МТ. При этом доля прессованных панелей шифра ПК0266 в общем объеме
Основные характеристики рассматриваемых судов
Рис. 1. Опытный образец СКО-панели, полученный методом СТП
Класс судна Длина (м) Водоизмещение (т)
РТ14МТ 15,5 15
WB22МТ 23 65
СТ40МТ 45,4 235
E.A. Alifirenko, E.A. Shishenin.
Weight Reduction Prospects of the Vessel's Hulls and Superstructures by Using Large-size Light-weight FSW Welded Panels
рассматриваемых конструкции составила в среднем 35 % для судна РТ14МТ, 70 % для судна СТ40МТ и 50 % для судна WM22MT.
Для рассматриваемых элементов конструкции проведен анализ расчетов действующих нагрузок и расчетов прочности конструкций, в результате которого было установлено, что в соответствии с допускаемыми напряжениями рассматриваемых элементов конструкций, установленными запасами общей и местной прочности, учитывающими возможное старение и коррозионный износ корпуса в процессе эксплуатации требуемая толщина полотна панели составляет от 0,6 до 1,6 мм, что свидетельствует о достаточном запасе прочности при использовании сварных панелей толщиной 2,5 мм и правомерности замены ими цельно прессованных панелей.
Для повышения показателей снижения массы в некоторых случаях возможно увеличивать шпацию набора панелей с 200 мм до 300-400 мм. Однако необходимо обратить внимание, что значительно увеличивать шпацию нельзя, т.к. например обшивка стенки надстройки несет сдвиговую нагрузку и понадобится дополнительная проверка на сдвиговую потерю устойчивости обшивки. Допускается или нет потеря устойчивости это предмет отдельного рассмотрения каждой конструкции в зависимости от назначения судна.
Результаты замены цельно прессованных панелей СКО панелями приведены на рис. 2-4.
Анализ данных расчетов снижения веса показывает, что учитывая в расчете номинальную толщину исходных панелей типа ПК, использование СКО панелей в конструкциях судна РТ14МТ приводит к следующему снижению веса:
■ на 4,8 % для конструктивных элементов обшивки с набором;
■ на 7 % в конструкциях переборки;
■ на 6,5 % в конструкциях рубки.
Общее снижение веса корпуса при этом составляет 4,3 % (рис. 2, синие диаграммы).
Аналогичные расчеты, проведенные для конструкций судов СТ40МТ (надстройка) и WM22MT (рубка) показали, что замена цельно прессованных панелей ПК0266 на СКО-панели с полотном толщиной 2,5 мм позволяет на 12 % снизить вес соответствующих элементов конструкций.
Общее снижение веса рубки судна WM22MT составит 5,1 % (рис. 3, синие диаграммы), а надстройки судна СТ40МТ - 7,5 % (рис. 4, синие диаграммы).
30
25
20
15
10
обшивка переборка рубка рубка при судно с набором шпации 400 в целом
Рис. 2. Результаты расчета эффективности снижения веса судна речного класса РТ14МТ при использовании СКО-панелей взамен цельно прессованных шифра ПК0266
25
20
■ номинал ■ номинал +0,6 п.д.
■ ■ ■
■ _ ■
■ ш
15 10 5 0
ш • номинал номинал +0,6 п.д.
конструктивный элемент
рубка
рубка при шпации 400
Рис. 3. Результаты расчета эффективности снижения веса судна WM22МТ при использовании СКО-панелей взамен цельно прессованных шифра ПК0266
25
20
15
10
Я
номинал +0,6 п.д.
i¡
конструктив- конструктив- надстройка надстройка
ный элемент ный элемент при шпации при шпации
обшивки при обшивки при 200 400
шпации 200 шпации 400
Рис. 4. Результаты расчета эффективности снижения веса надстройки судна морского класса СТ40МТ при использовании СКО-панели взамен цельно прессованной шифра ПК0266
ФГУП «Крыловский государственный научный центр»
51
Приведенные данные получены при условии расчетов снижения веса относительно номинальной толщины полотна прессованной панели, равной 3,0 мм. Учитывая реальную толщину полотна прессованной панели, составляющую ~3,6 - 3,9 мм (номинал + 0,6 поля допуска) фактическое снижение веса составляет:
■ 8 % для конструктивных элементов обшивки с набором судна РТ14МТ;
■ 12,5 % в конструкциях переборки судна РТ14МТ;
■ 12 % в конструкциях рубки судна РТ14МТ (рис. 2, красные диаграммы);
■ 23 % для конструктивных элементов рубки судна WM22МТ, 10,5 % для всей рубки (рис. 3, красные диаграммы);
■ 21 % для конструктивных элементов обшивки надстройки судна СТ40МТ, 14 % для всей надстройки (рис. 4, красные диаграммы). Увеличение межреберного расстояния
с 200 мм (как у цельно прессованной панели ПК0266) до 400 мм позволяет дополнительно снизить вес заменяемых конструктивных элементов. В итоге суммарная величина снижения веса в этом случае составит:
■ 24 % для рубки судна РТ14МТ;
■ 21 % для рубки судна WM22МТ;
■ 23 % для надстройки судна СТ40МТ. Проведенный анализ показывает, что применение СКО-панелей способно обеспечить снижение массы корпуса, приблизительно, на 5-15 % по сравнению с традиционно использующимися. Эффективность снижения массовых характеристик зависит от отношения массы конструктивных элементов в виде панелей к общей массе корпусных конструкций. Для современных и перспективных высокоскоростных судов, в конструкции которых алюминиево-магниевые сварные панели занимают значительную долю весовой нагрузки по статье «Корпус», использование панелей нового образца способно обеспечить существенный выигрыш по массе.
Основной вклад в снижение веса достигается за счет использования более тонкого полотна панели -2,5 мм в СКО-панели вместо 3,6-3,9 мм в прессованной панели. Дополнительная возможность снижения веса заключается в оптимальном выборе
шпации. В зависимости от уровня эксплуатационных нагрузок, действующих на корпусные конструкции таких судов, рекомендуется выбирать шпацию таким образом, чтобы обеспечить оптимальный уровень напряжений в обшивке и в наборе панелей. Как показывают расчеты, увеличение шпации с 200 до 400 мм позволяет довести снижение веса надстроечных конструкций с 10-14 % до 20-23 %.
Использование СКО-панелей возможно без внесения принципиальных изменений в конструкцию надстройки, что позволяет реализовать их как в перспективных, так и в существующих проектах.
Таким образом, СКО-панели могут быть рекомендованы к применению в качестве элементов конструкций корпуса и надстройки перспективных отечественных высокоскоростных судов.
Библиографический список
1. Крыжевич Г Б, Кноринг С.Д., Шапошников ВМ. Перспективы применения сварных алюминиевых конструкций в морском транспорте. Л.: Судостроение № 3, 2005, 72-75.
2. Ерманок М.З., Александров ЮН. Производство монолитных панелей из алюминиевых сплавов. М.: Металлургия, 1969 г.
3. ОСТ 1 92041-90. Панели прессованные (оребренные) из алюминиевых сплавов. Технические условия.
4. Eric K. Hoffman, Robert A. Hafley, John A. Wagner. Compression Buckling Behavior of Large-Scale Friction Stir Welded and Riveted 2090-T83 Al-Li Alloy Skin-Stiffener Panels. Report 0704-0188, NASA Langley Research Center, 2002.
5. Thomas W.M., Nicholas E.D., Needham J.C., Murch M.G., Temple-Smith P. and Dawes C.J.: GB Pa tent no. 91259788, 1991.
Сведения об авторах
Алифиренко Евгений Анатольевич, к.т.н., начальник лаборатории НИЦ «Курчатовский институт - ЦНИИ КМ «Прометей». Адрес: 191015, Санкт-Петербург, Шпалерная ул., д. 49. Телефон: +7-952-387-77-47. E-mail: evgeniy.alifirenko@mail.ru.
Шишенин Евгений Александрович, к.т.н., доцент, старший научный сотрудник ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, г. Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44. Телефон: +7-921-33-46-526. E-mail: evgeniy.shishenin@mail.ru.
Поступила / Received: 14.11.18 Принята в печать / Accepted: 09.04.19 © Коллектив авторов, 2019
