CC BY
48
УДК 629.021
СРАВНЕНИЕ МЕТОДИК ПРОЕКТИРОВАНИЯ СУДОВ ИЗ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ В СООТВЕТСТВИИ С ТРЕБОВАНИЯМИ ПРАВИЛ КЛАССИФИКАЦИОННЫХ ОБЩЕСТВ РАЗЛИЧНЫХ СТРАН. ЧАСТЬ 1
Д. А. Романюта
COMPARISON OF METHODS FOR DESIGNING VESSELS FROM COMPOSITE MATERIALS IN ACCORDANCE WITH THE REQUIREMENTS OF THE RULES OF CLASSIFICATION SOCIETIES OF DIFFERENT COUNTRIES. PART 1
D. A. Romanyuta
В статье представлены примеры использования композитных материалов в судостроительной отрасли. Рассмотрены методики проектирования судов из композитных материалов в соответствии с требованиями Правил российского (морского и речного), польского, индийского и корейского регистров судоходства. Выполнен краткий анализ содержания и основных освещенных вопросов Правил. Более детально проанализированы требования в части расчетов общей прочности корпуса судна, общего подхода к выбору размеров связей, разрешенных материалов, требуемых характеристик используемых материалов и других исходных данных, необходимых для проектирования конструкции корпуса композитного судна. Данный анализ показал, что методики проектирования судов разных стран кардинально отличаются друг от друга и могут давать совершенно разные результаты при одном и том же объекте проектирования. Среди рассматриваемых в статье Правил требования российского речного регистра в части проектирования стеклопластиковых судов оказались самыми сжатыми и недоработанными. С точки зрения расчета общей прочности судов требования Правил корейского регистра судоходства являются самыми простыми из рассмотренных. Это обусловлено тем, что для расчета требуется наименьшее количество исходных данных, доступных на самых ранних этапах проектирования. Требования Правил корейского регистра судоходства к выбору размеров связей также являются более простыми по сравнению с регистрами других стран ввиду меньшего количества требуемых данных и более понятного подхода к проектированию. Этот подход оперирует формулами, обоснованными расчетом прочности, и не зависит в большой степени от процесса и метода изготовления листовых конструкций (как в Правилах польского регистра) или от каких-то эмпирических зависимостей (Правила российского морского регистра).
композитные материалы, методика проектирования, проектирование судна, общая прочность, регистр, классификационное общество, стеклопластик
The article presents examples of the use of composite materials in the shipbuilding industry. Methods of designing ships from composite materials in accordance with the requirements of the Rules of the Russian (sea and river), Polish,
Indian and Korean shipping registers are considered. A brief analysis is made of the content and the main highlighted ideas of the Rules. The requirements in terms of calculating the overall strength of the hull, in terms of the general approach to the choice of bond sizes, permitted materials, the required characteristics of the materials used and other input data necessary for the design of the composite hull structure are analyzed in more detail. An analysis of the requirements showed that the design techniques for ships of different countries are radically different from each other and can show completely different results, with the same design object. Among the Rules considered in the article, the requirements of the Russian River Register, regarding the design of fiberglass vessels, turned out to be the most concise and incomplete. From the point of view of calculating the total strength of ships, the requirements of the Rules of the Korean Register of Shipping are the simplest of those considered. This is due to the fact that calculation requires the least amount of source data available at the earliest stages of design. From the point of view of choosing the sizes of connections, the requirements of the Rules of the Korean Register of Shipping are simpler than others, due to the smaller amount of required data and a more understandable approach to design. This approach operates with formulas that are justified from the point of view of strength calculation and does not depend to a large extent on the process and method of manufacturing sheet structures (as in the Rules of the Polish Register) or on any empirical dependencies (Rules of the Russian Maritime Register).
composite materials, design methodology, ship design, general strength, register, classification society, fiberglass
ВВЕДЕНИЕ
Использование композитных материалов из года в год становится все более актуальным и прогрессивным направлением. Полимерные композитные (или композиционные) материалы на сегодняшний день активно применяются повсеместно - от медицинской области (в виде создания различных протезов, имплантатов, искусственных сосудов и т. д. [1, 2]) до строительной и аэрокосмической отраслей (конструкция корпуса самолета «Airbus-350» на 52 % состоит из композиционных материалов [3]). Судостроительная отрасль также не является исключением. Полимерные композитные материалы широко используются для ремонтных и восстановительных работ [4], изготовления различных элементов насыщения судна (трубопроводы сточных вод, пожаротушения, балластных и льяльных систем [5]; элементы системы судовой вентиляции [6] и т.д.), создания отдельных корпусных частей (стеклопластиковая надстройка корвета проекта «20380» [7], различные мачты для яхт [8]) и корпусов целиком.
Как и стальные, суда из композитных материалов должны проектироваться и строиться в соответствии с определенными Правилами и нормами, устанавливаемыми регистрами судоходства (классификационными обществами). Однако, как оказалось, требования классификационных обществ различных стран в отношении даже одинаковых вопросов могут кардинально отличаться.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ Целью данной работы является анализ методик проектирования и расчетов прочности полимерных корпусов судов, изложенных в требованиях Правил Российского речного регистра (РРР) и Российского морского регистра судоходства (РМРС) и сравнение их с методиками признанных зарубежных классификационных обществ. Структурная схема анализа методики проектирования и расчетов полимерных корпусов судов представлена на рис. 1.
Рис.1. Структурная схема Fig. 1. Structural diagram
В данной статье будет рассмотрена большая часть вопросов, указанных в вышепредставленной структуре.
Для сравнения использовались требования Правил Индийского (IRS), Польского (PRS) и Корейского (KR) регистров судоходства. РМРС, IRS, PRS и KR входят в Международную ассоциацию классификационных обществ (МАКО). Российский Речной Регистр в МАКО не включен, однако также будет в дальнейшем рассмотрен по причине того, что большинство последних построенных в Калининградской области судов проектировались для внутренних вод области и, следовательно, находятся под классом РРР. Таким образом, Правила РРР представляются для региона актуальными.
АНАЛИЗ МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РАСЧЕТОВ ПРОЧНОСТИ КОМПОЗИТНОГО СУДНА В СООТВЕТСТВИИ С ТРЕБОВАНИЯМИ ПРАВИЛ РОССИЙСКОГО РЕЧНОГО РЕГИСТРА
Требования Правил РРР к полимерным корпусам судов изложены в [9]. Сразу следует отметить, что конструкции корпуса и расчетам прочности стальных судов в РРР уделено около 100 страниц, против восьми отведенных корпусам из стеклопластика. При этом в требованиях изложены разрешенные для постройки материалы (п. 8.2.15) и способы постройки судна (п. 8.2.1). Уделено внимание различным технологичным аспектам постройки судна: соединению листовых элементов (пп. 8.2.21, 8.2.17, 8.2.24), креплению балок набора к обшивке (пп. 8.2.13, 8.2.14) и т. д. Однако в требованиях практически отсутствуют расчетные схемы и рекомендации по определению размеров связей. Говоря о элементах набора, указываются требуемые расстояния между балками (пп. 8.2.9, 8.2.12, 8.2.11) и их рекомендуемая форма. При этом размеры элементов набора никак не регламентируются. В части листовых элементов предписаны требования только к минимальным размерам (пп. 8.2.18, 8.2.22). В соответствии с п. 8.2.18
«толщины наружной обшивки и настила палубы определяются расчетом из условий общей и местной прочности», с п. 8.2.22 «размеры и выбор материалов элементов переборок должны быть обоснованы».
В части расчетов общей и местной прочности и устойчивости в требованиях приведены расчеты допускаемых напряжений и деформаций. Расчетные изгибающие моменты и перерезывающие силы определяются аналогично стальному корпусу судна. Однако, говоря непосредственно о расчете, в Правилах опять же можно увидеть обобщенные формулировки:
1) п. 8.3.15 «Устойчивость балок судов длиной выше 15 м и перекрытий всех судов должна проверяться с учетом сдвига»;
2) п. 8.3.20 «Расчет пластин из анизотропных стеклопластиков при изгибе должен производиться с учетом анизотропии» и т. д.
Вышеуказанные примеры подчеркивают обобщенность формулировок в Правилах РРР: «должно учитываться», «необходимо определить», но как это сделать, остается неясным и актуальным вопросом.
Говоря о допускаемых напряжениях, согласно требованиями Правил (пп. 8.3.1, 8.3.2, 8.3.5), для конструкций, подверженных действию постоянных нагрузок, величина допускаемых напряжений составляет всего 12 % от предела прочности исходного материала ламинатов на растяжение. Является ли такой запас прочности оправданным - вопрос открытый.
Обобщая вышесказанное, можно заключить, что требования Правил РРР в части конструкции стеклопластикового корпуса судна неоднозначны. С одной стороны, такие обобщенные и краткие требования предоставляют проектанту более широкую «свободу действий» в выборе материалов, размеров элементов, расположении связей и т. д. С другой - отсутствие конкретных требований предполагает то, что каждый проектант может выбирать размеры связей и рассчитывать общую и местную прочность корпуса судна по-своему. Принимая во внимание тот факт, что стеклопластик является анизотропным материалом и расчет конструкций из такого материала сложный и трудоемкий, можно столкнуться с разными результатами расчетов одного и того же проекта. По этой причине унификация формул и схемы проектирования представляются необходимыми.
Кроме того, требования Правил РРР к полимерному корпусу судна изложены только для стеклопластикового материала. Вместе с тем в судостроительной отрасли применяется и углепластиковый материал. Но требования Правил РРР к корпусу из углепластика не применимы и освидетельствование такого судна Российским Речным Регистром является отдельным вопросом.
АНАЛИЗ МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РАСЧЕТОВ ПРОЧНОСТИ КОМПОЗИТНОГО СУДНА В СООТВЕТСТВИИ С ТРЕБОВАНИЯМИ ПРАВИЛ РОССИЙСКОГО МОРСКОГО РЕГИСТРА СУДОХОДСТВА
Требования Правил РМРС к полимерным корпусам судов изложены в [10]. Эти Правила разработаны более тщательно и детально по сравнению с Правилами РРР. Для начала следует отметить, что требования РМРС к стеклопластиковым судам от 2016-2018 гг. мало чем отличались друг от друга. Правила содержали 32 страницы текста, в которые были включены требования к разрешенным
материалам, способам постройки судов, выбору элементов связей и т. д. При этом важно отметить, что в качестве системы набора допускалась только «поперечная наборная система». Из трехслойных конструкций разрешалось только изготавливать шлюпки или рубки/надстройки судов. И все принятые размеры связей являлись предметом отдельного рассмотрения регистром.
Требования Правил РМРС 2019 года были полностью переработаны на основании «...результатов НИР № 15-45265/103-35/2015» [10]. После этого они стали более основательными - на 151 странице изложены требования к разрешенным материалам [10, п. 2], определение размеров связей трехслойных и однослойных конструкций [10, пп. 3, 4], указания к расчету прочности корпусов [10, п. 5] и некоторые рекомендации по расчету отдельных конструкций (многослойных балок, пластин с различными условиями закрепления и т. д.) [10, приложение 1].
Отдельное внимание следует уделить некоторым вопросам проектирования конструкции корпуса. Во-первых, проектирование трехслойных конструкций полностью построено на том, что «... рекомендуемая толщина среднего слоя в случае сплошного заполнителя из пенопласта или конструктивно ортотропного заполнителя принимается в первом приближении не менее 10 толщин несущего слоя. Для среднего слоя из стекломата, армированного слоями ткани, его толщину можно принимать равной не менее 5 толщин несущего слоя». Данное условие используется при выборе размеров наружной обшивки [10, п. 3.2.1.2.4], палубы [10, п. 3.2.2.2.3] и обшивки переборок [10, п. 3.2.3.2.3]. Таким образом, в методике отсутствует возможность пересчета размеров связей при изменении толщины среднего слоя сэндвич-панели.
Во-вторых, проектирование наружной обшивки, палубы и обшивки переборок однослойных наборных и трехслойных конструкций осуществляется по графическим зависимостям, представленным на рис. 2 и 3 соответственно. Определение толщин не составляет труда при условии, что известны все необходимые величины и характеристики.
Для того чтобы рассчитать требуемую толщину связи, необходимо знать:
1) модуль упругости материала обшивки;
2) модуль упругости заполнителя (для трехслойной конструкции);
3) предел прочности материала обшивки;
4) длину опорного контура пластины;
5) расчетное давление на рассматриваемую связь.
Приведенный список говорит о достаточно полном рассмотрении вопроса прочности проектируемой связи (учитывается внешняя нагрузка, используемый материал и размеры опорного контура). Это также подтверждается тем, что искомая толщина определяется исходя из условия прочности и условия жесткости и принимается как наибольшая из двух полученных.
В-третьих, выбор размеров балок набора осуществляется приближенно по усредненным интервалам значений. Для каждого допускаемого типа балок набора определены диапазоны соотношений тех или иных характеристик. Таким образом, чтобы определить размер балки следует волевым решением принять какой-то один геометрический параметр балки заданным (к примеру, высоту), после чего определять другие геометрические характеристики по приближенным диапазонам соотношений.
Рис. 2. Графические зависимости для определения толщины листовых элементов при однослойной
конструкции Fig. 2. Graphic dependencies for determining the thickness of sheet elements in a single-layer structure
Рис. 3. Графические зависимости для определения толщины листовых элементов при трехслойной
конструкции Fig. 3. Graphic dependencies for determining the thickness of sheet elements with a three-layer structure
В-четвертых, в приложении 1 Правил РМРС очень подробно представлены схемы расчета прочности отдельных конструкций. Формулы расписаны отчетливо, с разъяснением каждой величины. Однако эти формулы применимы только в определенных условиях. К примеру, говоря о трехслойных конструкциях, имеется требование к соотношению модулей упругости ламината и заполнителя - «...модули упругости отличаются не более, чем на 20 %» [10, приложение 1, п. 6]. Однако вполне вероятно, что данное условие выполнено, может быть, не будет. В таком случае необходимо или вводить какие-то корректирующие коэффициенты, или использовать другую схему расчета, но относительно данного вопроса никаких указаний в Правилах нет.
О расчетах общей прочности можно сказать, что определение внешних сил описано достаточно понятно и содержательно. Расчет допускаемых напряжении также ясен. К примеру, для конструкций, находящихся под действием длительных статических переменных нагрузок, допускаемые нормальные напряжения составляют от 33 до 42 % от предела прочности исходного материала ламинатов на растяжение. Допускаемые касательные напряжения - от 27 до 38 % от предела прочности исходного материала на сдвиг.
im+m
Возможность проектирования судов из углепластика также допускается.
В целом можно сделать вывод, что требования Правил РМРС последней редакции выполнены весьма тщательно. Вместе с тем остаются некоторые вопросы, требующие улучшений, более детального рассмотрения и, возможно, корректировки.
АНАЛИЗ МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РАСЧЕТОВ ПРОЧНОСТИ КОМПОЗИТНОГО СУДНА В СООТВЕТСТВИИ С ТРЕБОВАНИЯМИ ПРАВИЛ ИНДИЙСКОГО РЕГИСТРА СУДОХОДСТВА
Требования Правил IRS к полимерным корпусам судов изложены в разд. 7 на 20 страницах [11]. Присутствуют требования к допускаемым материалам, условиям изготовления корпусных конструкций, изготовлению отдельных узлов корпуса, общей прочности и определению размеров связей. Правила IRS допускают использование трехслойной безнаборной конструкции корпуса и одинарной наборной конструкции.
Говоря о проектировании конструкции корпуса из трехслойных панелей, обращаем внимание на то, что в Правилах IRS [11, гл. 7, п. 7.2.1] присутствуют формулы как для определения толщины заполнителя, так и для расчета толщин ламинатов [11, гл. 7, п. 7.3.1]. В них фигурируют размеры опорного контура, некоторые табличные коэффициенты, зависящие от района расположения рассматриваемой связи, величина прикладываемого давления, а также характеристики используемых материалов, среди которых можно выделить:
1) предел прочности на сдвиг материала заполнителя сэндвич-конструкции;
2) модуль сдвига материала заполнителя;
3) предел прочности ламината на сжатие;
4) модуль упругости ламината на растяжение.
Стоит отметить, что помимо требуемой толщины заполнителя и ламинатов прописывается требуемый момент сопротивления сэндвич-панели [11, гл. 7, п. 7.3.2], в определении которого присутствуют внешнее прикладываемое к пластине давление, некоторые геометрические характеристики и предел прочности материала ламината на сжатие.
Проектирование конструкции корпуса из однослойных ламинатов с подкрепляющим набором осуществляется по рекомендациям, изложенным в гл. 8 (листовые элементы) и 9 (балки набора) [11]. При определении толщины листовых элементов используются внешнее прикладываемое к пластине давление, некоторые геометрические характеристики, табличные коэффициенты, зависящие от района расположения рассматриваемой связи, а также модуль упругости и предел прочности на растяжение материала ламината.
Для определения требуемых размеров подкрепляющих балок применяются формулы для момента сопротивления [11, гл. 9, п. 9.2.1] и эффективной площади поперечного сечения балки [11, гл. 9, п. 9.2.2]. При определении величин фигурируют способы крепления балок (жесткая заделка или шарнирное опирание), прикладываемая нагрузка на балку, величина пролета балки, другие геометрические характеристики корпуса судна, а также пределы прочности на сдвиг и растяжение материала ламината.
В расчетах общей прочности затруднений никаких нет как в вопросах внешних сил, так и в допускаемых напряжениях. Согласно п. 6.2.1, гл. 6 [11] допускаемые нормальные напряжения составляют 33 % от предела прочности исходного материала ламинатов на растяжение, а допускаемые касательные напряжения - 33 % от предела прочности материала ламината на сдвиг.
Таким образом, можно сделать вывод, что проектирование элементов конструкции корпусов полимерных судов в соответствии с требованиями Правил IRS выполняется более тщательно и детально по сравнению с требованиями Правил РМРС и РРР. Так, требованиями предусмотрена возможность расчета толщины заполнителя в трехслойной конструкции, а расчет балок набора выполняется не только с учетом характеристик материала на растяжение/сжатие, но и с учетом работы материала на сдвиг.
АНАЛИЗ МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РАСЧЕТОВ ПРОЧНОСТИ КОМПОЗИТНОГО СУДНА В СООТВЕТСТВИИ С ТРЕБОВАНИЯМИ ПРАВИЛ ПОЛЬСКОГО РЕГИСТРА СУДОХОДСТВА Требования Правил PRS к полимерным корпусам судов изложены в разд. 22 [12]. Здесь присутствуют требования к применяемым материалам, технологии постройки судов, расчету общей прочности и определению размеров связей. Правила PRS допускают использование трехслойной безнаборной конструкции корпуса и одинарной наборной конструкции.
Говоря о расчете общей прочности, важно отметить, что в соответствии с пп. 22.5.1 [12] расчет общей прочности выполнять не обязательно. В Правилах указано, что если все требования разд. 22 выполняются, то расчет общей прочности не требуется, за исключением отдельных особенных случаев. Для сравнения, в требованиях РРР, РМРС и IRS такого условия не наблюдалось, и расчет общей прочности был необходимым условием.
Сам расчет общей прочности описан в Правилах PRS весьма кратко и заключается в определении минимального требуемого момента сопротивления поперечного сечения корпуса судна. При этом в расчетной формуле отсутствуют изгибающие моменты и допускаемые напряжения в явной форме. Требуемый момент сопротивления определяется как функция от четырех величин: длины и ширины судна, коэффициента общей полноты и прочности материала ламината на сжатие или растяжение. Подобный подход весьма облегчает расчет на начальных стадиях проектирования, так как не нужно определять значения изгибающих моментов и перерезывающих сил на тихой воде и волнении.
В требованиях PRS своеобразный и заметно отличающийся подход к определению размеров листовых элементов (наружная обшивка, настил палубы, обшивка переборок и т. д.). В Правилах нет указаний по требуемой толщине при однослойной обшивке листа, но для каждого листового элемента предписана минимальная масса армирующего материала [12, п. 22.6]. К примеру, в соответствии с пп. 2.6.1.1 [12] масса стекла на днище Mzd не должна быть меньше значения, определенного в соответствии с формулой (1):
Mzd = 8akVh , г/м2, (1)
где а - ширина пластины, мм; /с - коэффициент, зависящий от размера опорного контура рассматриваемой пластины и относительно прогиба пластины;
h - вертикальное расстояние, измеренное по борту судна от нижней точки рассчитываемой пластины до верхней палубы, м.
При этом подобные формулы указаны раздельно для различных листовых элементов судна (для бортовой наружной обшивки, днищевой наружной обшивки, участка палубы над танками и пр.).
Требования к трехслойной конструкции также отличаются от ранее представленных в РРР, РМРС и IRS. К примеру, в соответствии с п. 22.6.1.9 [12], при определении размеров элемента трехслойной обшивки необходимо выполнить следующие расчеты:
1) момента инерции пластины за вычетом заполнителя пластины;
2) общей толщины сэндвич-панели;
3) момента сопротивления сэндвич-панели шириной 1 см;
4) массы стекла в материале ламината.
Определение указанных величин выполняется при известных геометрических характеристиках рассчитываемой связи, прочности заполнителя сэндвич-панели на сдвиг, пределе прочности ламината на растяжение и длине судна.
Определение размеров набора рассчитывается с помощью двух формул -требуемого момента инерции и момента сопротивления профиля. При этом в расчете не фигурируют характеристики материала вообще - только определенные геометрические параметры: длина пролета, ширина поддерживаемой обшивки, расстояние между соседними ребрами и т.д.
Описанный выше подход представляется весьма интересным, но сильно зависящим от выбранной технологии изготовления судна. Резюмируя, можно сказать, что в соответствии с требованиями Правил PRS определяется требуемое содержание стекла в рассматриваемой связи, после чего, в соответствии с выбранной технологией постройки судна, задается будущая толщина связи. Следовательно, возникает необходимость проверять содержание стекла в элементе после его изготовления, что, вероятно, может быть затруднительным.
АНАЛИЗ МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РАСЧЕТОВ ПРОЧНОСТИ КОМПОЗИТНОГО СУДНА В СООТВЕТСТВИИ С ТРЕБОВАНИЯМИ ПРАВИЛ КОРЕЙСКОГО РЕГИСТРА СУДОХОДСТВА
Требования Правил KRS к полимерным корпусам судов изложены на 103 страницах, где описаны требования к применяемым материалам, технологии постройки судов, расчет общей прочности и определение размеров связей [13]. Правила KRS допускают использование трехслойной безнаборной конструкции корпуса и одинарной наборной конструкции, а также применение углеволокон в качестве основного армирующего материала для пластика.
Расчету общей прочности посвящено буквально два-три подпункта, в которых указывается минимальный требуемый момент сопротивления и момент инерции поперечного сечения корпуса судна. Формулы KRS очень похожи на формулы PRS, но еще проще - в определении указанных величин фигурируют только главные размерения судна и коэффициент общей полноты. Характеристики материала не учитываются вовсе. Расчеты допускаемых напряжений, изгибающих моментов и перерезывающих сил отсутствуют.
Определение размеров листовых элементов при однослойной наборной конструкции осуществляется только на основании основных размерений судна и принятой конструкции корпуса (расстояние между балками, длина пролета балки и т. д.). Учет характеристик материала никак не производится. Это во многом упрощает процесс проектирования, так как не возникает необходимости в испытании принятого материала корпуса.
Определение размеров элементов трехслойной конструкции осуществляется несколько сложнее. В расчетах в основном фигурируют главные размерения судна и характер принятой конструкции корпуса, но к этому добавляются отдельные требования, отталкивающиеся от характеристик применяемых материалов. Так, для определения толщины заполнителя и ламинатов сэндвич-панели необходимо знать:
1) прочность на сдвиг материала ламината;
2) модуль упругости при изгибе материала ламината;
3) модуль упругости при сжатии заполнителя;
4) предел прочности на сжатие заполнителя.
Таким образом, в соответствии с требованиями Правил КИ.8 проектирование судна с однослойной наборной конструкцией корпуса представляется достаточно простым по сравнению с трехслойной безнаборной конструкцией корпуса, так как при использовании второго варианта необходимо знать, или самостоятельно посредством испытаний получить, определенные характеристики используемых материалов.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
С целыо обобщения всего вышесказанного предлагается сравнить требования Правил классификационных обществ в части полимерных корпусов судов по двум признакам:
1) степень сложности выполнения расчетов общей и местной прочности;
2) степень сложности определения размеров связей корпуса судна.
Следует отметить, что сравнивать адекватность, эффективность и
корректность предлагаемых Правилами методик невозможно без конкретных примеров расчетов. На данном этапе можно оценить только сложность самих расчетов, а судить о том, насколько качественно они проработаны, какой результат выдают - можно только на конкретном проекте судна, что планируется сделать в дальнейшем.
Итак, сравнивая сложность выполнения расчета общей и местной прочности, можно сделать следующие выводы:
1. В требованиях Правил РРР указана необходимость выполнения расчетов общей и местной прочности. Представлены указания по определению внешних нагрузок и допускаемых напряжений. Однако в соответствии с Правилами требуется учитывать анизотропию материалов, но как ее учитывать - не указано.
2. Правила РМРС требуют выполнять расчеты общей и местной прочности корпуса и отдельных судовых конструкций. Все требования расписаны подробно и детально, однако представленные указания и схемы расчетов местной прочности можно применять только к определенным материалам. Что делать в других случаях - вопрос открытый.
3. В Правилах IRS отсутствуют требования к расчетам местной прочности, но имеются требования к общей. Расчет описан подробно и понятно, имеются формулы и указания для определения допускаемых напряжений и внешних нагрузок.
4. В Правилах PRS нет требований к расчету местной прочности, а расчет общей допускается не проводить при определенных условиях. Общая прочность корпуса оценивается по минимальному моменту сопротивления поперечного сечения корпуса, который определяется без затруднений.
5. Правила KRS регламентируют выполнение расчета общей, но не требуют расчета местной прочности отдельных конструкций. Общая прочность корпуса судна оценивается по требуемым моментам инерции и сопротивления поперечного сечения. Формулы представлены зависимостью основных размерений судна и коэффициента общей полноты.
Сравнивая сложность определения размеров связей корпуса судна, можно отметить следующее:
1. Правила РРР для такой задачи разработаны не до конца, так как отсутствуют конкретные формулы и схемы расчета. Имеются только определенные рекомендации по выбору размеров связей. Поэтому расчет остается полностью на совести проектанта.
2. Правила РМРС разработаны более детально и подробно. Присутствуют графики и формулы для выполнения расчетов. В расчетах используются различные геометрические параметры, внешние нагрузки и характеристики материалов:
2.1. Модуль упругости материала обшивки;
2.2. Модуль упругости заполнителя (для трехслойной конструкции);
2.3. Предел прочности материала обшивки;
2.4. Плотность материала заполнителя.
3. Правила IRS также разработаны в достаточной мере. Расчеты выполняются исключительно по представленным формулам, в которых также фигурируют различные геометрические параметры, внешние нагрузки и характеристики материалов:
3.1. Предел прочности на сдвиг материала заполнителя сэндвич-конструкции;
3.2. Модуль сдвига материала заполнителя;
3.3. Предел прочности ламината на сжатие;
3.4. Модуль упругости ламината на растяжение.
4. Правила PRS разработаны весьма подробно. Расчеты размеров связей выполняются путем определения требуемых момента сопротивления и момента инерции профиля балки по приведенным формулам как функция только от геометрических параметров. Никаких характеристик материалов не требуется.
5. Правила KRS несколько похожи на Правила PRS. В требованиях представлены конкретные формулы для определения размеров связей. Формулы представляют собой зависимость от определенных геометрических параметров и табличных значений без использования внешней нагрузки и характеристик используемых материалов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В соответствии с российскими, польскими и индийскими Правилами проектирования судов из композитных материалов для выполнения расчета общей прочности необходимо знать определенные характеристики материала -предел прочности ламината на разрыв, на сдвиг, модуль упругости при растяжении и т.д. Для корейских Правил нужно знать только главные размерения судна и коэффициент общей полноты. Поэтому выполнение расчета общей прочности по требованиям Правил корейского регистра представляется самым простым и доступным.
Вопросам расчетов местной прочности уделено внимание только в требованиях Правил российских регистров. В Правилах корейского, индийского и польского регистров явных требований к местной прочности нет. Возможно, это обусловлено тем, что местная прочность всех конструкций, спроектированных строго в соответствии с требованиями Правил соответствующих регистров, заведомо обеспечивается.
Определение размеров связей по корейскому и польскому регистру представляется более простым, чем у российского и индийского ввиду отсутствия физико-механических характеристик материалов и явно выраженной внешней нагрузки как исходных данных. Однако как влияет отсутствие этих значений в расчетных формулах на итоговую конструкцию корпуса с точки зрения прочности - вопрос обсуждаемый.
На основании проведенного анализа можно сделать вывод, что Правила РРР и РМРС в части проектирования судов из композитных материалов являются недоработанными и, следовательно, требуют корректировок и изменений (особенно Правила РРР). Таким образом, вопрос обновления существующей или создания новой методики проектирования судов из композитных материалов представляется актуальной и перспективной задачей.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Игнатьева, Ю. А. Композиционные полимеры в качестве медицинских материалов для лечения ран: дис. ... канд. техн. наук: 05.17.06 / Игнатьева Юлия Андреевна. - Санкт-Петербург, 2015. - 131 с.
2. Николаев, О. О. Композиционные материалы медицинского назначения на основе смесей сверхвысокомолекулярного полиэтилена и полиоксана: дис. ... канд. техн. наук: 02.00.16 / Николаев Олег Олегович. - Санкт-Петербург, 2000. -139 с.
3. Airbus's A350 vision takes shape - Flight takes an in-depth look at the new twinjet. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.flightglobal.com/airbuss-a350-vision-takes-shape-flight-takes-an-in-depth-look-at-the-new-twinjet/71030.article (дата обращения: 17.02.2020).
4. Орехво, В. А. Применение синтетических и полимерных материалов в судостроении и судоремонте / В. А. Орехво // Вестник Волжской государственной академии водного транспорта. - 2013. - № 37. - С. 163-171
5. МОРСКИЕ. Стеклопластиковые армированные эпоксидные трубопроводные системы. [Электронный ресурс]. - Режим доступа:
http://docplayer.ru/45881376-Morskie-stekloplastikovye-armirovannye-epoksidnye truboprovodnye-sistemy-gre.html (дата обращения: 17.02.2020).
6. Безпальчук, С. Н. Использование полимерных композиционных материалов в технологии изготовления трубопроводов системы судовой вентиляции / С. Н. Безпальчук, К. А. Васильев, А. К. Наумова // Вестник государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова.-2014.-№2(24).-С. 60-65
7. Контракт на стеклопластиковые надстройки для корветов проекта 20380. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://foto-i-mir.ru/2015/08/28/%d0%ba%d0%be%d0%bd%d 1 %82%d 1 %80%d0%b0%d0%ba%d 1 %82-%d0%bd%d0%b0
%d 1 %81 %d 1 %82%d0%b5%d0%ba%d0%bb%d0%be%d0%bf%d0%bb%d0%b0%d 1 % 81 %d 1 %82%d0%b8%d0%ba%d0%be%d0%b2%d 1 %8b%d0%b5-%d 0%bd%d0%b0%d0%b4%d 1 %81 %d 1 %82/#more-14789 (дата обращения: 17.02.2020).
8. Штепа, В. Г. Пластмассовые мачты / В. Г. Штепа, С. Г. Яременко // Катера и Яхты. - 1975. -№ 04(57). - С. 36-39
9. Правила классификации и постройки судов (ПКПС): в 5 т., 14 ч. -Москва: Российский речной регистр, 2019. - Т. 2, ч. I. Корпус и его оборудование. - Гл. 8. Конструкция корпуса из стеклопластика. - С. 174-177.
10. Правила классификации и постройки морских судов (ПКПС): в 5 т., 19 ч. // Российский морской регистр судоходства. - Санкт-Петербург, 2019. -Т. 2, ч. XVI. Конструкция корпуса и прочность корпусов судов из полимерных композиционных материалов. - 150 с.
11. Rules and Regulations for the Construction and Classification of High Speed Crafts and Light Crafts. Indian Register of Shipping. - July, 2018
12. Rules for the classification and construction of small sea-going ships. Polski Rejestr Statkow. - January, 2015.
13. Rules and Guidance for the classification of FRP ships. Korean Register. -July, 2014
REFERENCES
1. Ignat'eva Yu. A. Kompozitsionnye polimery v kachestve meditsinskikh materialov dlya lecheniya ran. Diss. kand. tekhn. nauk [Composite polymers as medical materials for the treatment of wounds. Dis. cand. techn. sci]. Saint-Petersburg, 2015, 131 p.
2. Nikolaev О. O. Kompozitsionnye materialy meditsinskogo naznacheniya na osnove smesey sverkhvysokomolekulyarnogo polietilena i polioksana. Diss. kand. tekhn. nauk [Composite medical materials based on mixtures of ultra high molecular weight polyethylene and polyoxane. Dis. cand. techn. sci]. Saint-Petersburg, 2000, 139 p.
3. Airbus's A350 vision takes shape - Flight takes an in-depth look at the new twinjet, available at: https://www.i:lightglobal.com/airbuss-a350-vision-takes-shape-flight-takes-an-in-depth-look-at-the-new-twinjet/71030.article (Accessed 17 February 2020).
4. Orekhvo V. A. Primenenie sinteticheskikh i polimernykh materialov v sudostroenii i sudoremonte [The use of synthetic and polymeric materials in
shipbuilding and ship repair]. Vestnik Volzhskoy Gosudarstvennoy Akademii Vodnogo Transporta, 2013, no. 37, pp 163-171.
5. Stekloplastikovye armirovannye epoksidnye truboprovodnye sistemy [Fiberglass Reinforced Epoxy Pipe Systems], available at: http://docplayer.ru/45881376-Morskie-stekloplastikovye-armirovannye-epoksidnye-truboprovodnye-sistemy-gre.html (Accessed 17 February 2020).
6. Bezpal'chuk S. N., Vasil'ev K. A., Naumova A. K. Ispol'zovanie polimernykh kompozitsionnykh materialov v tekhnologii izgotovleniya truboprovodov sistemy sudovoy ventilyatsii [The use of polymer composite materials in the manufacturing technology of pipelines of a ship ventilation system]. Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S. O. Makarova, 2014, no. 2(24), pp. 60-65.
7. Kontrakt na stekloplastikovye nadstroyki dlya korvetov proekta 20380 [A contract for fiberglass superstructures for corvettes of project 20380], available at: http://foto-i-mir.ru/2015/08/28/%d0%ba%d0%be%d0%bd%d1%82%d1%80 %dO%bO%dO%ba%d 1 %82-%d0%bd%d0%b0-%d 1 %81 %d 1 %82%d0%b5%d0 %ba%dO%bb%dO%be%dO%bf%dO%bb%dO%bO%d 1 %81 %d 1 %82%d0%b8%d0%ba% d0%be%d0%b2%d 1 %8b%d0%b5-%d0%bd%d0%b0%d0%b4%d 1
%81 %d 1 %82/#more-14789 (Accessed 17 February 2020)
8. Shtepa V. G., Yaremenko S. G. Plastmassovye machty [The plastic masts]. Katera iyakhty, 1975, no. 4(57), pp. 36-39.
9. Pravila klassifikatsii i postroyki sudov (PKPS), chast' 2. Rossiyskiy rechnoy registr [Rules for the classification and construction of ships (RCCS), part 2. Russian River Register]. Moscow, 2019, available at: https://www.rivreg.ru/assets/Uploads/rules2019.pdf (Accessed 17 February 2019).
10. Pravila klassifikatsii i postroyki morskikh sudov (PKPS), chast' 16. Rossiyskiy Morskoy Registr Sudokhodstva [Rules for the classification and construction of marine vessels (RCCV), part 16. Russian Maritime Register of Shipping]. Saint-Petersburg, 2019.
11. Rules and Regulations for the Construction and Classification of High Speed Crafts and Light Crafts. Indian Register of Shipping. July, 2018
12. Rules for the classification and construction of small sea-going ships. Polski Rejestr Statkow. January, 2015.
13. Rules and Guidance for the classification of FRP ships. Korean Register. July, 2014.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Романюта Дмитрий Александрович - Калининградский государственный технический университет; аспирант кафедры кораблестроения; E-mail: dmitrij.romanyuta@klgtu.ru
Romanyuta Dmitriy Alexandrovich - Kaliningrad State Technical University; graduate student of the Department of Shipbuilding; E-mail: dmitrij.romanyuta@klgtu.ru
