Сравнительная оценка эффективности использования композиционных материалов в прочных конструкциях глубоководных объектов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

DOI: 10.24937/2542-2324-2019-1-S-I-113-119 УДК 629.584:620.22-419.8

А.Е. Калиничев1, В.С. Яковлев

'Военно-морской политехнический институт, Санкт-Петербург, Россия 2Институт проблем машиноведения Р академия», Санкт-Петербург, Россия

2Институт проблем машиноведения РАН, НИИ спасания и подводных технологий ВУНЦ ВМФ «Военно-морская

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ В ПРОЧНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ ГЛУБОКОВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ

В работе получены приближенные аналитические зависимости, определяющие массу и критерий эффективности от геометрии, конструктивных элементов и физико-механических свойств материала корпусов. Рассмотрены корпуса традиционной архитектуры, подкрепленные тороидо-шпангоутами управляемой несущей способности и цилиндра, собранного из тороидов управляемой несущей способности (тороидо-цилиндра), выполненные из металла, стекло-, угле- и органопластика. Численный эксперимент выявил, что эффективность корпусов традиционной архитектуры снижается с увеличением нагрузки, а затраты по их изготовлению возрастают. Показано, что ПКМ позволяют достигнуть тех целей, которые ставятся при создании проекта объекта и которые не удается реализовать с использованием традиционных материалов.

Ключевые слова: оболочка, шпангоут, тороид, внутреннее давление, напряженно-деформированное состояние, прочность, композитный материал.

Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.

Б01: 10.24937/2542-2324-2019-1-8-1-113-119 ИБС 629.584:620.22-419.8

A.E. Kalinichev1, V.S. Yakovlev

'Naval Polytechnical Institute of the N.G. Kuznetsov Naval Academy, St. Petersburg, Russia

2Institute of Problems of Mechanical Engineering of the Russian Academy of Sciences; Research Institute of Rescue

and Underwater Technologies, N.G. Kuznetsov Naval Academy, St. Petersburg, Russia

COMPARATIVE EFFICIENCY ASSESSMENT OF VARIOUS COMPOSITE MATERIALS IN PRESSURE HULLS OF DEEPWATER TECHNOLOGY

This paper gives approximate calculation formulae connecting weight and efficiency of pressure hulls with their geometry and structural elements, as well as with physical & mechanical properties of their material. It discusses conventional pressure hulls with thoroidal stiffeners of adjustable bearing capacity and the thoroidal cylinder made up by thoroids with adjustable bearing capacity, made of metal, GRP, CRP and organic plastic. The numerical experiment has shown that conventional pressure hulls become less efficient and more expensive as their design pressure grows. The paper demonstrates that composite materials are a viable solution for these structures that might not only catch up with metal in terms of performance parameters but also go beyond this level.

Keywords: shell, frame, thoroid, internal pressure, stress-strain state, strength, composite material.

Authors declare lack of the possible conflicts of interests.

2

2

Для цитирования: Калиничев А.Е., Яковлев В.С. Сравнительная оценка эффективности использования композиционных материалов в прочных конструкциях глубоководных объектов. Труды Крыловского государственного научного центра. 2019; Специальный выпуск 1: 113-119.

For citations: Kalinichev A.E., Yakovlev V.S. Comparative efficiency assessment of various composite materials in pressure hulls of deepwater technology. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2019; Special Edition 1: 113119 (in Russian).

Введение

Ключевой проблемой в решении задачи оценки эффективности применения композиционных материалов в судостроении вообще, и при изготовлении прочных конструкций глубоководных аппаратов в частности, является обоснованный выбор целевой функции (иначе критерия эффективности). Критерий эффективности должен отражать задачи, поставленные при проектировании подводного объекта, зависеть от его назначения и учитывать взаимное влияние конструирования и других аспектов проектирования. Кроме того, он должен быть безразмерным, представительным и по возможности иметь достаточно простое аналитическое выражение. Общепринятый в проектировании критерий эффективности - относительная масса прочного корпуса (ПК). Однако, этот критерий не отражает затраты, какими достигаются поставленные цели. С целью устранения указанного противоречия предлагается ввести в аналитическое выражение критерия эффективности функцию стоимости единицы массы готовой продукции, включающую стоимость материала и работ по технологической переработке его в изделие. Связь полученной функции эффективности и уравнений предельного состояния ПК с параметрами конструкций устанавливается методами упрощенных теорий оболочек.

Постановка задачи

В современных условиях в мире сохраняется и повышается необходимость создания глубоководной техники различного назначения и исполнения (обитаемой и необитаемой), и различного водоизмещения, в зависимости от решаемых задач. Актуальность создания и совершенствования подобных объектов в нашей стране подтверждается положениями ряда основополагающих документов. Это в частности Морская и Военная доктрины РФ, а также Стратегия научно-технологического развития РФ, утвержденная в 2016 году. Можно определить три основных актуальных направления в настоящее время:

■ глубоководные автономные необитаемые аппараты различного назначения,

■ глубоководные обитаемые спасательные и поисковые аппараты,

■ глубоководные магистральные трубопроводы. Однако для дальнейшего развития глубоководной техники необходимо решение ряда технических проблем, в частности:

■ снижение стоимости изготовления, эксплуатации и утилизации объекта;

■ совершенствование ТТХ объекта (глубина погружения, нагрузка, автономность);

■ снижение массогабаритных характеристик объекта;

■ более рациональное использование внутренних объемов объекта;

■ совершенствование экологической безопасности объекта;

■ снижение коррозии конструкций объекта. Решения этих проблем требует применения новых конструкционных материалов, а следовательно, и новых оригинальных технических решений при проектировании прочных конструкций подводных аппаратов, позволяющих снизить их массогабарит-ные характеристики и добиться более рационального использования их объемов. Именно прочные конструкции являются одним из основных проблемных мест в конструкции любого объекта глубоководной техники (как обитаемого, так и необитаемого). Прочный корпус такого объекта является подсистемой, которая составляет основу функционирования других подсистем и обеспечивает их физическое объединение, а также необходимый уровень их защиты от воздействия внешней среды и в эксплуатационных условиях.

На основе характера решаемых глубоководной техникой задач, можно определить перечень требований, которым должен удовлетворять их прочный корпус: выдерживать высокие гидростатические давления; заданное число погружений; допустимые уровни сотрясений; обладать устойчивостью к повреждениям и другой нагрузке, наибольшей вместимостью и наименьшей материалоемкостью. Создание прочного корпуса, наилучшим образом отвечающего указанным требованиям, возможно только с применением расчетных методов проектирования при решении комплекса частных оптимизационных задач.

Архитектурный тип корпуса, наиболее приемлемый с точки зрения размещения полезной нагрузки, представляет собой цилиндрическую оболочку, подкрепленную поперечными ребрами таврового, или полособульбового, или п-образного профилей. Корпуса могут выполняться как из изотропных, так и анизотропных материалов, что требует инновационных подходов к созданию конструкций, учитывающих особенности технологии и свойства материала. Известно, что полимерным композитным материалам (ПКМ) свойственна высокая деформативная способность и относительно низкая прочность к поперечным (межслойным) сдвигам.

Учет специфических особенностей ПКМ существенным образом изменяет традиционный подход

к конструированию и расчету прочности элементов корпуса. Важнейшими качествами ПКМ, выгодно отличающими их от традиционных конструкционных материалов, являются:

■ возможность управления физико-механическими свойствами (ФМС) в процессе формирования конструкций путем армирования по направлениям действия наибольших напряжений, и выбором оптимальных технологических режимов;

■ высокие показатели удельной прочности ое/р и удельной жесткости

Тем самым определяется необходимость дальнейшего детального исследования областей рационального применения ПКМ в качестве конструкционного материала для прочных конструкций глубоководных объектов (ГО) и поиска ответов на вопрос, какие формы и конструктивные схемы более рациональны и эффективны?

В аспекте рассмотрения этих свойств привлекают внимание тороидальные оболочки как новое эффективное решение для форм прочных корпусов подводных объектов. Следует отметить, что создание тороидальных конструкций из ПКМ оказывается технологически более простой процедурой, чем создание аналогов из металлов. Тороидальные оболочки получили широкое распространение при создании транспортных средств, плавсредств, различного рода надувных конструкций, используемых для крепления сооружений и подъема тяжестей. Однако теоретическая база для проектирования, изготовления и расчета таких оболочек пока развита недостаточно, и их практическое производство в значительной степени основано на информации, получаемой в результате осмысления промышленного опыта.

Выбор целевой функции оптимизации

Сравнение корпусов различной архитектуры будем производить по трем направлениям - несущей способности, общей и местной устойчивости, весовой эффективности.

Обоснованный выбор целевой функции (иначе критерия эффективности) - первая ключевая задача в решении поставленной проблемы. Целевую функцию можно рассматривать как числовой показатель эффективности конструкции прочного корпуса. В математическом выражении функция цели аналитически связывает параметры проекта прочного корпуса. В большей мере этим требованиям удовлетворяет критерий относительной массы qпк

[1]. Кроме того, он косвенно зависит от геометрических параметров конструкций, механических свойств материала и является представительным в общем проектном аспекте параметром проектирования подводного объекта, поскольку через него определяется полезная нагрузка, которую может нести прочный корпус:

тпк =Рв -9пк , (1)

где тпк - масса полезной нагрузки, которую может нести 1м3 объема прочного корпуса; рв - расчетная плотность воды.

Если рассмотреть данный критерий подробнее, то можно отметить, что относительная масса корпуса глубоководного объекта любой формы структурно представлена как доля плотности материала рм в виде произведения двух невзаимосвязанных функций:

9пк = Ск СмРм. (2)

Первая функция: Ск = / (Я, и Д и, в) (2.1)

зависит только от формы и геометрических параметров корпуса. Вторая функция:

См = / ((, Пу, р) (2.2)

зависит только от показателей свойств материала (Е у и П у - модули упругости и пределы прочности в соответствующих направлениях) и внешней нагрузки р.

Однако, этот критерий не отражает затраты, какими достигаются поставленные цели. Для того чтобы устранить указанное противоречие предлагается ввести в аналитическое выражение критерия эффективности функцию стоимости единицы массы готовой продукции - Сс, включающую стоимость материала и работ по технологической переработке его в изделие. Показатель эффективности использования того или иного материала для создания ГО будет в этом случае иметь вид:

Эпк _ Сс Чпк ~ СсСкСмРм •

(3)

Математическое описание условий эксплуатации исследуемого объекта

Второй ключевой задачей в рассматриваемой проблеме является математическое описание условий эксплуатации исследуемого объекта. Применительно к прочному корпусу ГО, физические ограниче-

ния выражают требования обеспечения прочности, местной и общей устойчивости. В математическом представлении в виде структурно-феноменологической модели с учетом анизотропии механических свойств материала для осесимметричного напряженного состояния оболочек вращения они записываются в следующем виде:

( £11|

V П11У

»11 »22 Пц П22

V П22 У

( £13 I

V П13 У

< 1;

Рр, (хк)> Ь^; 1 = 1,2.

(4)

1) По условиям прочности: - корпус традиционной архитектуры:

С, = 2(1 + 11 К (и,Р), Ф = ,

V Р У РвПи

К =

1/2

П

к1 к1к2~:^--+ к2

11 + к 2 1 Пц

П

22

П

22

+ к2

Пи 1 1

П1 я

- корпус с тороидо-шпангоутами управляемой несущей способности:

(

= 2

Здесь обозначено: а у и Пу - действующие напряжения и пределы прочности в соответствующих направлениях; Ркр - критические нагрузки; Рр -расчетное давление; Ь - коэффициент запаса по устойчивости.

Выражения (4) представляют собой уравнения поверхности предельного состояния корпуса ГО и по своей сути характеризуют энергию разрушения конструкции.

Связь функции эффективности и уравнений предельного состояния ПК с параметрами конструкций устанавливается методами упрощенных теорий оболочек. Они позволяют наиболее просто проследить влияние тех или иных параметров на критерий эффективности и физические ограничения, а также подсказать пути улучшения конструкций.

Введем некоторые допущения в решении поставленной задаче. Будем считать, что обшивка корпуса имеет идеальную круговую форму и представляет собой тонкую оболочку конечной изгиб-ной жесткости. Материал обшивки является линейно-упругим и оси симметрии его упругих свойств совпадают с координатными осями х, 5, г. На основании этих допущений были разработаны 3 математические модели, и выполнена сравнительная оценка эффективности корпусов в форме цилиндра с рациональными параметрами и < 1,1, в > 1,25, подкрепленного регулярно установленными шпангоутами таврового профиля (традиционная архитектура), цилиндра с рациональными параметрами и < 1,1, в > 1,25, подкрепленного тороидо-шпангоутами управляемой несущей способности и цилиндра, собранного из тороидов управляемой несущей способности (тороидо-цилиндра) (рис. 1).

Для этих типов корпусов определены составляющие показателя эффективности (1) при выполнении условий (2) как равенств. Функции плотности корпуса глубоководного объекта определяется следующими выражениями:

1 1 1

1 + —+

Л

Р (1+к)Ртш Р,

кэ.тш ( р. К)

м У

Ф =

стРм Р , Рв П11

кэ.тш ( Р' К) =

к 2 - к к П11 к1.тш к1.тш к2.тш

П

22

(П ^

+к22

11

V П22 У

(П V

+ кг

11

V П13 У

Я

1/2

1Ь г

Р = —-;Р =—Р ;

гтш 2 " о с "тш

пг2 25 - корпус в форме тороидо-цилиндра:

К ( Р I

С, = 2п-

к, Рв

. Рн,

1+

Ф =

Рм 25

ст Рм Р Рв П11

(1+к

( |

1 + 0,137 (1 + 0,78к )-Рз-

Рр.с У

Рр.с г

Рм Р

Рв П

11

Кэ.тц I к •

Рн

С (к ,А| - с (к, А I с2 X

Рн

1/2

х| к А|+с22 I к,А|| Пл|

Рн У П22 V Рн УV П22 2) По условиям местной устойчивости: - корпус традиционной архитектуры:

С,м'у = 21 1 + 1 ' 1

р УлШ

= 21 1+

р У\ п

-и+

(( - 2), Фм

Ш1 -ц2 а)

Р

Рв V Е2 Р Л Е2

3) б) в)

Рис. 1. Формы корпусов подводного объекта: з) традиционная архитектура; б) цилиндр, подкрепленный тороидо-шпангоутами управляемой несущей способности; в) цилиндр, собранный из тороидов управляемой несущей способности

- корпус с тороидо-шпангоутами управляемой несущей способности:

(

Сму = 2

Фму =.

1 +1 +

Л

р.с

Р ( + k)Ртш Рм Л Ф(и)

Р

Рв Е2

- корпус в форме тороидо-цилиндра:

4b

С,, = ■

ЗП1П2k2 (1 + k)2 Рр.сr f

1 -

пкРв 2 Рн

Рм 2§

1 + 0,137 (1 + 0,78k )-

р.с

Ф = ■

Рв Еф

3) По условиям общей устойчивости: - корпус традиционной архитектуры:

8(1 + р)2 R2

соу =-

(зр+эрр,+ррю + 3рюрх+рю)я:

2 '

фо.у = Фм Р .

П^Рв Еф

- корпус с тороидо-шпангоутами управляемой несущей способности:

(

Соу = 2

1 +1 +

Рр.

Л

р.с

Р (1 + к)Ртш Рм J Xр Ттш v(K, L)

b^R2

„2 '

фо.у = ст Рм Р

Рв П1П2 ЕФ - корпус тороидо-цилиндра:

С, =

1-

Ф = -

bL2

пк (1 + 0,5k2 )R2

Рр.с r

Рм 2§

1 - 4(1 -°,5Цф)рв

(1 + k )2 Р

у

1 + 0,137 (1 + 0,78k )-

р.с у

Рв Ее

Результаты решения

Полученные результаты расчета напряженно-деформированного состояния прочного корпуса представлены на рис. 2-5.

4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1

0,5

Коэффициент осевого напряжения корпуса с тороидо-шпангоутами при р = 1,5

, ♦ * __ — •

т , и«" * --- ----

У у -- —

'у'-' 'У'

^ к» ""

.■У. •«S . -

ф и

0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4

-к=0,0 -- к = 0,4 -■- к=0,8--к= 1,2

----к=1,6 ----к=2,0 ■■■■ к=2,4

а)

Коэффициент осевого напряжения корпуса &1т с тороидо-шпангоутами при к - 0,075 и рв/рн=2,0

1,9 1,7 1,5 1,3 1,1 0,9 0,7 0,5

0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4

-Р=1,0 - - -р=1,25----Р=1,5----р=1,75 ■ ■ ■ ■ Р=2,0

б)

Рис. 2. Изменения осевого напряжения корпуса с тороидо-шпангоутами в зависимости от параметра внутриполостного давления (к) и в зависимости от параметра (|3)

/*,

< '

4 /.У

4

4 -г*

и

Коэффициент кольцевого цепного напряжения корпуса

,0 с тороидо-шпангоутами при Р = 1,5

К2т

1

0,8 0,6 0,4 0,2

°С

-0,2

-0,4 -0,6

-к=0,0---к=0,4 -■- к=0,8--к= 1,2

---к= 1,6----к=2,0 ■■■■ к=2,4

Рис. 3. Изменения кольцевого напряжения корпуса с тороидо-шпангоутами в зависимости от параметра (р)

Отношение осевых напряжений в оболочках с тороидо-шпангоутами и традиционной архитектуры 01т/01 при к = 0,075 и рв/рн = 2,0

1,3 1,25

У у

? — п л" 1 4 18 ? ? и

1,2 1,15 1,1 1,05

1

а)

„.. —. ■ —..

*4 *

и

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 - Р=1,0---Р=1,25 -■- Р=1,5----Р=1,75----Р=2,0

Отношение цепных кольцевых напряжений в оболочках с тороидо-шпангоутами и традиционной архитектуры при к=0,075 и рв/рн=2,0

б)

*

и

1

0,95 0,9 0,85 0,8 0,75

0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2

- Р=1,0 - - р=1,25---Р=1,5----Р=1,75 ■ ■ ■ ■ Р=2,0

Рис. 4. Изменения осевых и кольцевых напряжений в оболочках, подкрепленных тороидо-шпангоутами и традиционной архитектуры в зависимости от параметров Бубнова и Сегаля

Анализ графиков на рис. 2 а, б показывает, что с увеличением внутриполостного давления осевые напряжения возрастают, за счет увеличения мо-ментной составляющей, причем с увеличением относительной длины шпации степень влияния более существенна.

Кольцевые напряжения (рис. 3) с возрастанием внутриполостного давления уменьшаются по всей длине шпации и могут менять знак, то есть становиться растягивающими. Причем степень влияния параметра «к» более существенна для коротких оболочек и ослабевает с увеличением длины шпации.

На рис. 4 а, б показано относительное изменение осевых и кольцевых напряжений в оболочках, подкрепленных тороидо-шпангоутами и традиционной архитектуры в зависимости от параметров Бубнова и Сегаля. Их анализ показывает слабую зависимость от изменения относительной жесткости шпангоутов, особенно кольцевых напряжений, и значительную от относительной длины шпации. Отсюда следует вывод о целесообразности применения тороидо-шпангоутов для относительно коротких оболочек с параметром Бубнова менее 1 и параметром Сегаля не более 1,5.

На рис. 5 а, б приведены результаты расчета местной и общей устойчивости прочных корпусов. Под местной устойчивостью понимается способность обшивки корпуса между шпангоутами сохранять исходное состояние равновесия под воздействием внешних сил при бесконечно малых возмущениях. Как правило, локальная неустойчивость не приводит к потере ее эксплуатационных свойств. Из анализа диаграмм следует:

■ значение критического давления зависит не только от геометрии и жесткости тороидов, но и от внутреннего давления;

■ с повышением внутреннего давления критическая нагрузка возрастает, что равносильно увеличению жесткости сечения тороида;

■ для каждого значения параметра к существует такая величина внутреннего давления, при которой критическая нагрузка устремляется в бесконечность.

Характер общей устойчивости таков же, как и при местной устойчивости. Отличие состоит в том, что абсолютная устойчивость тороидо-цилиндра достигается здесь при меньших значениях внутреннего полостного давления.

Выводы

Получены аналитические расчетные зависимости, определяющие НДС и устойчивость тороидо-цилиндрических оболочек при совместном воздействии внутриполостного давления и внешней нагрузки.

Выявлена зависимость характера НДС и устойчивости тороидо-цилиндрической оболочки от геометрического параметра тороида и соотношения внутриполостного давления и внешней нагрузки. Управляя величиной внутриполостного давления при заданной внешней нагрузке, можно создавать требуемое поле напряжения нужного знака.

Показано, что для каждого значения геометрического параметра тороида существует единственное оптимальное соотношение между давлениями, при котором достигается минимальная весовая нагрузка конструкции. Весовая эффективность тороидо-цилиндрических оболочек достигает 20 % по сравнению с оболочками традиционной архитектуры.

Обоснованы рациональные области применения тороидо-шпангоутов и тороидо-цилиндричес-ких оболочек в качестве прочных корпусов глубоководных объектов.

Дальнейшие исследования должны быть направлены на уточнение решения по влиянию мо-ментности и, в связи с этим, геометрической нелинейности, а также по учету технологических аспектов ПКМ.

С позиций несущей способности, технологичности и использования внутренних объемов цилиндрическая форма с тороидо-шпангоутами является наиболее рациональной для ПА.

Библиографический список

1. Бардадим ДА., Калиничев АЕ., Яковлев В.С. Анализ весовой эффективности судовых переборочных перекрытий различных архитектурных типов и материалов // Морской вестник, № 3(63), 2017. С.34-38.

2. Бардадим ДА, Саломатов А.Ю., Яковлев В.С. Анализ прочности и устойчивости ортотропных тороидоцилиндрических оболочек // Труды Кры-ловского научного центра. Теория корабля и строительная механика, № 92 (376), 2016 г. С.19-35.

0 ~ ~ * —————————

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

- ¿=0,05 -¿=0,1 -¿=0,15 -¿=0,2

---¿=0,25 -¿=0,3

а)

/Е1 / / / / 1

/ /

г / /

✓ /, / / У /

, *

-—

т

0 ————————————————

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

— ¿=0,05 —¿=0,1 —¿=0,15 —¿=0,2 ---¿=0,25 —¿=0,3 б)

Рис. 5. Изменение критической нагрузки местной и общей устойчивости в зависимости от внутреннего давления

3. Комков М.А., Тарасов В.А. Технология намотки композитных конструкций ракет и средств поражения. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011, 431с.

Сведения об авторах

Калиничев Алексей Евгеньевич, заместитель начальника кафедры военного кораблестроения Военно-морского политехнического института.

Адрес: 196604, г. Санкт-Петербург, г. Пушкин, Кадетский бульвар, д. 1. Телефон: +7 (812) 431-94-62. E-mail: [email protected]._

Яковлев Владимир Сергеевич\, д.т.н., профессор, главный научный сотрудник ИПМаш РАН, НИИ спасания и подводных технологий ВУНЦ ВМФ «Военно-морская академия». Адрес: 199178, Россия, г. Санкт-Петербург, Большой пр. В.О., 61. Телефон: +7 (921) 973-02-54. E-mail: [email protected].

Поступила / Received: 13.11.18 Принята в печать / Accepted: 09.04.19 © Коллектив авторов, 2019