Сновные конструктивные элементы корпуса

ЧЕЛПАНОВ И.В.

Л Е К Ц И Я № 5.2

Тема: Конструкция корпуса судна: Основные конструктивные элементы корпуса

Текст лекции по дисциплине «Объекты морской техники»

Санкт-Петербург

Введение

Современные формы кор­пусов и их отдельных кон­структивных элементов в своём развитии прошли долгий исторический путь. Наиболь­шее влияние на это развитие оказали, во-первых, применя­емые материалы и, во-вторых, главный двигатель судна.

Сначала суда строились ис­ключительно из дерева и при­водились в движение веслами или парусами. В нача­ле XIX в. перешли к механи­ческому приводу в виде паро­вой машины и гребных колёс, и лишь несколько десятилетий спустя нашёл применение винтовой движитель. Почти па­раллельно с развитием машин­ного привода происходил переход от деревянного судна к стальному. Примеча­тельно, что в первую очередь начали изготовлять из железа не те конструктивные детали, которые трудно было выпол­нять из дерева (например, шпангоуты). У первых желез­ных судов, которые появились сначала на реках и каналах, шпангоуты, штевни и киль были по-прежнему из дерева, и только наружная обшивка бы­ла склёпана из железных ли­стов, чтобы не нужно было так часто конопатить её. Так как железное судостроение раз­вивалось из деревянного, ес­тественно, что поначалу ос­новные формы отдельных конструктивных деталей со­хранялись. Но число деталей постепенно уменьшалось. Кле­паные подкрепления были заменены простыми профи­лями, тяжёлые конструкции шпангоутов, собранные из шпангоутных угольников и угольников обратного направления, которые состояли из клёпаных стенка к стенке угловых профилей, были вытес­нены прокатными бульбовыми угольниками. Они заменили высокие шпангоутные профили в соединении с тяжёлыми бор­товыми стрингерами, которые устанавливались более или менее горизонтально и под­держивали шпангоуты, и почти полностью вытеснили борто­вые стрингеры. Стоящие на небольшом расстоянии друг от друга массивные палубные пиллерсы уступили место ред­ко стоящим полым пиллерсам в соединении с идущими от переборки до переборки подпалубными балками. Благода­ря установке усиленных бим­сов и шпангоутов палубы часто выполняются вообще без опор. Важнейшей задачей при выборе формы конструктив­ных элементов корпуса судна является обеспечение доста­точной прочности при малой массе. В последние десятиле­тия в этой области достигнуты большие успехи благодаря применению для соединения деталей сварки, которая по­зволила уменьшить число конструктивных элементов и мак­симально использовать проч­ностные свойства материала. Благодаря переходу от клёпки к сварке корпуса судов, глав­ным образом за счет устранения соединительных угольни­ков и клёпаных швов и стыков, стали на 20% легче. Кроме то­го, сварка даёт следующие преимущества: сварные со­единения имеют более высо­кую прочность, чем клёпаные, так как листы и профили не ослаблены заклёпочными от­верстиями и обеспечена луч­шая передача нагрузки в месте соединения. Сварная наружная обшивка имеет гладкую по­верхность, поэтому её легче защитить от коррозии (это же относится к палубам и пере­боркам), и сопротивление дви­жению судна уменьшается.

Благодаря применению сва­рочной техники и соответству­ющих крановых средств стало возможным предварительно изготовлять секции и блоки больших размеров в цехах, что сокращает время постройки на стапеле. Клёпаные соеди­нения, например, ширстрека с палубным стрингером и в скуловом поясе обшивки при­меняются сегодня из сообра­жений удобства сборки (мень­ше подгоночных работ), чтобы сделать корпус судна более упругим в местах, испытываю­щих большую нагрузку, а так­же чтобы уменьшить возника­ющие при сварке напряжения.

удостроительные материалы

Для изготовления корпуса судна используют сталь, лёгкие сплавы, цветные металлы, дерево, пластмассы, железобетон и т. д. Наибольшее распространение сегодня в судостроении находит сталь, обладающая высокими прочностными свойствами, достаточной вязкостью, хорошо обрабаты­вается. Другие материалы применяют при постройке корпусов некоторых специальных судов: с динамическим поддержанием, спортивных и прогулочных и др. Все они, как правило, имеют относительно небольшие размеры. В последнее время лёгкие сплавы также широко используют для изготовления надстроек и рубок крупных морских транспортных судов.

Некоторые плавучие сооружения, в основном стояночного типа (доки, дебаркадеры, понтоны и др.), иногда делают из железобетона. Этот материал хорошо воспринимает статиче­ские нагрузки, его стоимость существенно ниже, чем стали. Однако опыт использования железобетонных самоходных судов показал, что их корпуса не способны в должной мере противо­стоять знакопеременным нагрузкам и вибрации, вызываемой работой двигателя и движителя.

Основным материалом для постройки корпусов современных морских транспортных судов является корпусная сталь для судостроения, характеристики которой определяются ГОСТ 5521—86. В соответствии с ним могут использоваться углеро­дистые стали обыкновенного качества (обычные углеродистые стали – ОУС) и легированные стали или стали повышенной прочности (СПП). В отечественном судостроении наибольшее распространение получили стали марок ВСтЗ (ОУС), а также 09Г2, 10ХСНД (СПП), минимальный предел текучести которых соответственно составляет σ_т = 2,35 10⁵, 2,95 10⁵ и 3,9 10⁵ кПа.

В Правилах Регистра качество стали характеризуется ка­тегорией, определяемой совокупностью требований к механи­ческим свойствам и химическому составу. Существуют ОУС категорий А, В, Д и Е, а СПП категорий А32, Д32, Е32, А36, Д36, Е36, А40, Д40, Е40. Минимальный предел текучести ОУС всех категорий σ_т = 2,35 10⁵ кПа, для СПП цифры в обозначе­нии категории характеризуют предел текучести: Д36 — σ_Tmin = 3,6 10⁵ кПа. Удельный вес всех видов сталей составляет γ = 78 кН/м³, модуль упругости E = 2 10⁸ кПа.

СПП целесообразно применять в тех случаях, когда это при­водит не только к снижению массы, но и стоимости кон­струкции.

На практике СПП используют для изготовления связей, испытывающих наибольшие напряжения при общем продольном и местном изгибе. Для судов длиной L < 100 м целесооб­разно применять ОУС, при 100 L < 160 м возможно использование и ОУС и СПП с пределом текучести σ_т = 2,95 10⁵ кПа (преимущественно для основных связей, обеспечивающих об­щую продольную прочность), в диапазоне 160 L < 240 м рационально применение СПП с 2,95 10⁵ < σ_Т < 3,9 10⁵ кПа, и только при L 240 м можно ожидать полного использования прочностных свойств стали с σ_т = 3,9 10⁵ кПа.

Корпусная сталь поставляется в виде листового, полосового и профильного проката. Сортамент листового проката включает листы, толщина которых изменяется в пределах δ = 4 – 50 мм, ширина b= 1,44–3,2 м, длина l = 6–16 м. Стальные катан­ные профили, находящие широкое применение в судостроении, представлены на рис. 5.14. Их размеры ограничены существую­щим сортаментом и иногда могут оказаться недостаточными для использования профиля в качестве некоторых сильно на­груженных связей корпуса. В этом случае балки с требуемым моментом сопротивления сваривают (чаще всего в виде тавра) из полосового материала.

Широкое применение при строительстве СДП находят лёг­кие сплавы на алюминиевой основе, которые при сравнительно малом удельном весе γ=27 кН/м³ обладают высокой проч­ностью. Так, алюминиево-магниевые сплавы АМг5, АМг61, АМг61Н, АМг62Т1 соответственно имеют пределы текучести σ_т 10⁵ = 1,6; 1,8; 2,5; 3,5 кПа. Модуль упругости этих сплавов Е = 0,71 10⁸ кПа, а их стоимость сопоставима со стоимостью нержавеющей стали. Кроме того, эти сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью, часть из них хорошо сваривается.

Рис. 5.14. Прокат для судостроения. 1 — равнобокий угольник; 2 — неравнобокий угольник; 3 — швеллерный (U-образный) про­филь; 4 — Z-образный (зетовый) профиль; 5 — углобульбовый профиль; 6 — полособульбовый (голландский) профиль; 7 — полосовая сталь; 8 — тавровый профиль; 9 — низкий тавровый профиль; 10 — тавровый сварной профиль из полосовой стали; 11 — сварной профиль из круглой и полосовой стали; 12 — двутавровый профиль с высокой стенкой; 13 — двутавровый профиль с широкими полками; 14 — люковый профиль; 15 — профиль для лееров; 16 — труб­чатый профиль; 17 — круглая сталь; 18 — полукруглая сталь; 19 — сегментная сталь; 20 — гладкий лист; 21 — рифленый лист; 22 — рель­ефный лист; 23 — гусеничный лист.

Алюминиевые сплавы, используемые в судостроении, постав­ляются в виде листов, прессованных профильных балок и пане­лей. Размеры листового материала лежат в пределах: толщина δ =1–60 мм, ширина b =1,2–1,5 м, длина l = 2–6 м. Форма профилей из лёгких сплавов практически такая же, как и стальных (см. рис. 5.14). Специально для судостроения про­изводится несколько разновидностей прессованных панелей, одна из которых с балками полосо-бульбового профиля представлена на рис. 5.15.

Применение прессованных панелей приводит к увеличению надёжности конструкции всего кор-пуса СДП, способствует по­вышению технологич-ности, снижению объёма сварочных работ.

Используются и трёхслойные клеенные па-нели, наружные, несущие слои которых выполня-ют из лёгких сплавов, а наполнителем служат неметаллические лёгкие материалы (рис. 5.15).

Ограниченное применение в судокорпусо-строении находят титановые сплавы. На­ряду с относительно малым удельным весом (γ 45 кН/м³) и хорошими антикоррозионными свойствами эти сплавы обладают высокой прочностью (модуль упру­гости Е 1,1 10⁸ кПа, временное сопротивление σ_в 10⁶ кПа), однако их значительная стоимость (приблизи­тельно на порядок выше, чем у стали и алюминиевых сплавов), а также необходимость соблюдения специальных режимов в сложных технологических процессах, связанных с механиче­ской обработкой и особенно сваркой, не позволяют с достаточной эффективностью применять их даже при постройке высокоскоростных СДП.

Перспективным направлением в изготовлении корпусных конструкций является применение пластмасс — композитных ма­териалов. Их свойства в значительной степени определяются физико-механическими характеристиками составляющих ком­понент — армирующего материала и связующего. В качестве первого наибольшее распространение получило стекловолокно. В отдельных пластмассах для достижения повышенной прочно­сти и жёсткости армирующими служат волокна бора, графита, угольные волокна. В качестве связующего материала приме­няются полимерные синтетические смолы: эпоксидные, поли­эфирные, фенольные. Смолы соединяют элементы армирующего материала в единое целое, защищают их от действия влаги.

Механические свойства пластмасс зависят от многих фак­торов, среди которых основную роль играют тип и весовое со­отношение отдельных компонент, а также технология произ­водства материала.

Наибольшее распространение в судостроении получил стек­лопластик, который, благодаря своим механическим свойствам, успешно конкурирует с другими материалами. Так, стеклопла­стик, намотанный однонаправленный, имея малый удельный вес (γ=18 кН/м³), обладает весьма высокой прочностью (σ_в = 1,76 10⁵ кПа). Недостаточно широкое распространение пластмасс в качестве материала корпуса объясняется как тех­нологическими факторами (высоким уровнем ручного труда, особенно на формовке узлов соединений, токсичностью компо­нент), так и влиянием технологии изготовления материала на его прочностные свойства. Последние также изменяются со вре­менем по мере старения пластмассы.

Наиболее распространённым материалом для изготовления крыльевых устройств СПК является нержавеющая сталь, обла­дающая высокой коррозионной стойкостью. Предел текучести различных марок нержавеющей стали изменяется в очень ши­роких пределах: σ_т = (2,4–7,5) 10⁵ кПа, с увеличением проч­ности, как правило, ухудшается свариваемость материала.

5.2.2. Системы набора. Шпация

Корпус судна представляет собой оболочку, состоящую из гори­зонтальных и вертикальных пластин, подкреплённых балками.

Совокупность пластины с под-крепляющими её балками называют перекры т и е м. Различают днище-вое, бортовое и палубное перекрытия (рис. 5.16). Для каждого перекрытия судового кор­пуса опорным контуром служат другие смежные перекрытия.

Подкрепляющие каждое перекры-тие балки идут в двух взаимно перпен-дикулярных направлениях: продольном и поперечном. Обычно несколько более жёстких балок, идущих в одном направ­лении, поддерживают большее коли-чество менее жёстких балок другого направления. Первые называют п е р е - крёст н ы м и связями, а вторые — б а л к а м и главного н а п р а в л е –

н и я. Примером перекрытия может служить днищевое пе­рекрытие танкера (рис. 5.17).

Рис. 5.17. Днищевое перекрытие танкера

В зависимости от ориентации балок главного направления различают поперечную или продольную системы набора судовых перекрытий.

	Рис. 5.18. Поперечная система набора сухогрузного судна: 1 – рубка; 2 – рёбра жёсткости шахты машинного отделения; 3 – второе дно; 4 – таранная переборка

При поперечной системе набора (рис. 5.18)балки главного направления идут поперёк судна — от борта к борту на днищевых и палубных перекрытиях или от днища к палубе — на бортовых перекрытиях. В этом случае длинная сторона пластин перекры­тия, ограниченных набором, расположена поперёк судна. Общая продольная прочность обеспечивается наружной обшивкой, на­стилами палуб и конструкцией вертикального киля.

Поперечную систему набора всех судовых перекрытий приме­няют, как правило, на небольших судах с относительно малым отношением длины судна к высоте борта; на крупных судах попе­речную систему набора используют в основном только для борто­вых перекрытий.

При увеличении размеров судна и отношения длины корпуса к высоте борта становится всё труднее обеспечить продольную прочность и жёсткость корпуса, так как толщина наружной обшивки возрастает и масса корпуса увеличивается. Поперечная система набора верхней палубы и днища становится невыгодной.

Рис. 5.19. Продольная система набора: a – танкер; b – контейнеровоз. 1 – коробчатая балка (поперечная связь); 2 – коробчатая продольная балка; 3 – водонепроницаемая поперечная переборка; 4 – опорная переборка; 5 – бортовая продольная переборка; 6 – туннель для трубопроводов; 7 – бортовая цистерна; 8 – вторая палуба; 9 – главная палуба

При продольной системе набора (рис. 5.19)балки главного направления располагают вдоль судна, а перекрёстные связи в виде рам — поперёк. В этом случае длинная сторона пластин перекрытия направлена вдоль судна. Благодаря большому количеству продольных рёбер жёсткости удаётся с меньшими затра­тами металла обеспечить устойчивость перекрытий в продольном направлении, что даёт выигрыш в массе корпуса.

Продольную систему набора применяют для днищевых, па­лубных и, иногда, бортовых перекрытий на крупных, а также на быстроходных морских судах (танкерах, пассажирских и грузо­пассажирских, больших сухогрузных судах, быстроходных контейнеровозах, больших промысловых плавучих базах и т. п.).

Кроме чисто поперечной и продольной встречается смешанная («клетчатая») система набора..

При смешанной системе набор состоит из сетки продольных и поперечных балок, расставленных на примерно одинаковых расстояниях друг от друга, в связи с чем нельзя выделить из них балки главного направления и перекрёстные связи (конфигурация пластин, ограниченных набором, прибли­жается к квадрату). Однако, как правило, при этой системе пре­обладают поперечные связи.

Рис. 5.20. Комбинированная продольно-поперечная система набора: a – сухогрузное судно; b –судно для массовых грузов; с – танкер (система Миллара). 1 – коробчатая поперечная балка; 2 – туннель трубопроводов; 3 – скуловая цистерна; 4 – подпалубная цистерна

При комбинированной продольно-поперечной системе набора днищевая обшивка подкреплена стрингерами, палуба (прочная) — продольными подпалубными балками, а бортовая наружная обшивка — шпангоутами с нормальное расстоянием друг от друга (рис. 5.20). Принято применять продольную систему набора только для прочной палубы или для днища. Комбинированную систему набора применяют обычно на сухогрузных и пассажирских судах длиной более 130 м, а также на судах для массовых рузов (рис. 5.20, а и b); на танкерах она применяется как система Миллара (рис. 5.20, с) для судов длиной от 80 примерно до 180 м.

Балки поперечного набора устанавливают на определённом расстоянии одну от другой, называемом шпангоутным расстоя­нием. Промежуток между этими балками называют шпацией.

Шпангоуты, на которых установлены балки поперечного на­бора, называют практическими шпангоутами, в отличие от теоре­тических, или просто шпангоутами.

При поперечной системе набора нормальное шпангоутное расстояние в сред­ней части судна по Правилам Регистра равно S₀ = 0,002L + 0,48, где L — длина судна между перпендикулярами, м.

Допускаемое отклонение величины определённой по формуле шпации равно ± 25 %. В форпике и ахтерпике на судах любых размеров шпация, равная более 600 мм, как правило, не допускается. На расстоянии до 0,2L от носового перпендикуляра шпация не должна быть более 700 мм.

Чтобы создать предпосылки для более широкой унификации, нормализации и стандартизации в области судовых корпусных конструкций, дельных вещей и фундаментов, при проектировании судов определяемые приведёнными выше Правилами Регистра шпангоутные расстояния принимают округлённо, а именно: 500, 550, 600, 700, 750, 800, 900, 1000 мм.

При продольной системе набора расстояния между балками главного на­правления — продольными рёбрами — по технологическим соображениям долж­но быть не менее 500 мм у сухогрузных судов и 600 мм — у танкеров.

сновные конструктивные элементы корпуса

Оболочка корпуса, состоящая из днищевого, двух бортовых и палубного перекрытий, подкрепляется изнутри поперечными и продольными переборками, промежуточными палубами и платформами, необходимость которых, а также их количество и расположение определяются размерами и назначением судна.

Вместе с оконечностями и штевнями они образуют основной корпус и относятся поэтому к числу основных конструктивных элементов корпуса. Наряду с этим важную роль в формировании корпуса играют и другие конструктивные элементы: выгородки, шахты, пиллерсы, комингсы люков, надстройки и рубки, а также фундаменты под различные механизмы. Большинство этих элементов показано на рис. 5.21.