.

Конструкция в районе палубных вырезов

Палубные вырезы в конструкции грузовых люков иногда могут стать причиной затопления судна, поэтому при проектировании идет расчет возможных волновых нагрузок на корпус судна при разных обстоятельствах.

Принципы конструирования палубных вырезов

Результаты многолетнего исследования причин повреждений судов со сварными конструкциями в самых тяжелых штормовых условиях Мирового океана с полной очевидностью свидетельствуют о том, что одной из главных причин появления трещин в корпусах сварных судов с самого начала массовой их эксплуатации и до последнего времени является недостаточная компенсированность высокой концентрации местных напряжений в районе прерывистых связей и в районах расположения различных отверстий, обеспечивающих выполнение многочисленных функций плавающего инженерного сооружения — корпуса судна. Попытки избавиться от повышенных местных напряжений в корпусах судов до сих пор не увенчались полным успехом. Высокая концентрация напряжений продолжает служить причиной многочисленных аварийных повреждений на самых современных судах и часто является причиной гибели судов.

Случаи переломов корпуса судна имеют место во время жестоких штормов в разных районах Мирового океана, отличающихся особенно большим волнением, а также в районах с низкой температурой. В этом отношении к потенциально опасным районам для мореплавания следует отнести и северные моря Дальнего Востока. По результатам многочисленных морских экспедиций в самых тяжелых погодных условиях было проведено усовершенствование корпусных конструкций в районах с повышенными напряжениями. Этому также способствовали и многочисленные наблюдения за поведением потенциально опасных конструкций, в том числе и после их модернизации с использованием новых методов исследования и новых конструктивных приемов с целью снижения концентрации напряжений (подвижные соединения).

Существуют многочисленные монографии и статьи по теоретическим основам конструирования прерывистых связей, а также опыту подкрепления различных вырезов в корпусе судна. В этих работах особое внимание уделяется вырезам, расположенным в верхней части эквивалентного бруса, — на верхней палубе, где образуются громадные отверстия для грузовых люков, размеры которых на разных судах различные. Кроме больших прямоугольных люков имеются и круглые большие отверстия для вентиляторов, особенно на автомобилевозах и других судах с горизонтальной погрузкой. Как показывает практика, вырезы в промежуточных палубах на рефрижераторах и в надстройках пассажирских судов также часто служат причиной серьезных повреждений.

Причина повреждения корпуса судна, в том числе перелома корпуса на две части, может состоять в следующем. Судостроительные стали в местах с высокой концентрацией напряжений до сих пор обладают недостаточной способностью предотвращать распространение возникающих трещин, и во время сильных штормов при сравнительно низких температурах появившиеся трещины быстро распространяются. Это неоднократно приводило к разделению судна на две половины.

Опасная концентрация напряжений возникает во время замены листов обшивки в напряженном корпусе при ремонте. После установки в образуемый вырез вваривается новый лист, а образовавшиеся очаги концентрации напряжений, возникшие прежде всего в углах вырезов, остаются в отремонтированном корпусе и могут во время эксплуатации проявить себя в сложных условиях плавания.

Во всех случаях в корпусе судна при растяжении, сжатии или кручении в палубах, днище и в бортах по кромкам отверстий возникает большая концентрация местных напряжений. В соответствии с решением Г. Кирша у круглого отверстия в бесконечной пластине при одноосном растяжении максимальная концентрация равна 3 (рис. 1).

Распределение напряжений в корпусе судна
Рис. 1 Распределение напряжений σх в бесконечной пластине в сечении, проходящем через центр круглого выреза перпендикулярно направлению растяжения

Для эллиптического отверстия при отношении большой оси к малой, равном 2:1, при растяжении вдоль большой оси максимальный коэффициент концентрации равен 2. История исследований по этим вопросам изложена в специальной литературе.

Для пластин конечной ширины с вырезами по окружности или по эллипсу максимальная концентрация напряжений на кромке окружности и эллипса будет изменяться с увеличением ширины выреза.

На судах иностранной постройки кроме круглых и эллиптических вырезов используются полуэллиптические вырезы (рис. 2, а, б). Коэффициент максимальной концентрации у такого выреза несколько меньше, чем у эллиптического, если радиусы скругления в углах принимаются около 0,2 ширины выреза.

Полуэллиптические вырезы судовой корпусной конструкции
Рис. 2 Образование полуэллиптического выреза:
а — полуэллиптический вырез; б — эллиптический вырез; в — образование полуэллипса

Особое значение для прочности корпусных конструкций имеет изучение концентрации напряжений, возникших в районе прямоугольных отверстий, в частности в углах отверстий (рис. 3).

Вырезы в большом количестве создаются в палубах и бортах не только сухогрузных судов, но и пассажирских судов и промысловых баз. Вырезы небольшого размера выполняются также в конструкциях двойного дна и в переборках, а также в палубе танкеров (горловины).

Вырезы любой формы в любых конструкциях требуют к себе особого внимания, так как часто являются источником возникновения местных напряжений. Причиной появления трещин в местах повышенных местных напряжений может служить усталость при небольшом количестве циклов знакопеременных очень больших нагрузок. Быстрому распространению трещин способствуют также низкие температуры.

Коэффициенты концентрации напряжений судовой корпусной конструкции
Рис. 3 Кривые коэффициентов концентрации напряжений σx по поперечному сечению, проходящему через точку максимальной концентрации напряжений у угла прямоугольного выреза.
1 — кривая, полученная теоретическим путем для бесконечной пластины; 2 — кривая по данным испытания стальных пластин; 3 — кривая, полученная фотооптическим методом:
у — расстояние от продольной кромки выреза

Проблемы обеспечения усталостной и хрупкой прочности имеют особое значение в связи с интенсификацией мореплавания и увеличением скоростей судов, способных при наличии большой мощности главных механизмов сохранять повышенные скорости даже во время жестоких штормов. Раньше величины максимальных нагрузок в корпусе судна ограничивались слабыми механическими установками. Большинство судов обладало весьма ограниченными возможностями движения при сильном волнении. В новых условиях большую опасность представляют повышенные местные напряжения, которые до сих пор во многих конструкциях все еще имеются в корпусах судов. Вопрос надежного облагораживания прерывистых связей до сих пор стоит перед судостроителями.

В современных условиях необходимо с достаточно большой точностью определять напряженное состояние отдельных конструкций и находить надежные способы уменьшения опасной местной концентрации напряжений. Последняя часто вызывается техническими дефектами при постройке, ремонте судов и ошибками в эксплуатации.

Любую конструкцию с вырезами можно представить как связь, состоящую из непрерывной части и примыкающей к ней прерывистой части, концы которой по длине резко обрываются. В местах обрыва возникает высокая концентрация напряжений, способствующая образованию трещин. При знакопеременных нагрузках она может вызывать усталость при малом количестве циклов.

Разрушение конструкций с прерывистыми связями можно предотвратить путем выбора оптимальной формы вырезов и их подкрепления, способствующих снижению концентрации напряжений. Считается, что для целости конструкции опасна только чрезмерная концентрация напряжений. Поэтому допускается умеренная местная концентрация напряжений, которая учитывается требованиями Правил Регистра и Норм прочности.

При эксплуатации клепаных судов встречались массовые повреждения в углах палубных вырезов. Для их предотвращения были приняты конструктивные меры, заключающиеся в установке накладных листов на заклепках по углам вырезов. Несмотря на неполноту принятых мер, появление трещин, даже при прямоугольных без скругления вырезах, прекратилось. Однако такие меры оказались недостаточными при переходе на сварные конструкции, не обладающие податливостью, которая существовала в соединениях элементов конструкций на заклепках.

Правила рекомендуют использование для скругления углов прямоугольных вырезов по дуге окружности или по дуге эллипса. Предполагается, что вырезы располагаются длинной стороной вдоль длины судна, однако, как и прежде, точки начала скругления на кромке выреза по дуге эллипса не задаются.

В настоящее время Правила Регистра в значительной степени учитывают влияние формы скругления углов вырезов, влияние соотношения их сторон, взаимного расположения нескольких вырезов вблизи друг друга и конечные их размеры. Это позволяет не допускать грубых ошибок, имевших место на уникальной промысловой базе «Восток», которые привели к многочисленным трещинам в корпусных конструкциях.

Требования Правил, как бы они ни усовершенствовались, не в состоянии учесть всех тонкостей работы конструкций, поэтому для каждого типа конструкций с вырезами необходимо иметь специальные отраслевые стандарты, прежде всего учитывающие поле распространения напряжений около отверстий и особенно по их кромкам. На основании этого должны разрабатываться предложения с целью наибольшего уменьшения местной концентрации напряжений. В этом отношении решающую роль сыграли труды отечественных ученых, использовавших методы математической теории упругости: Колосова-Мухелишвили, акад. Г. Н. Савина, акад. Ю. А. Шиманского и ученых ДВГТУ.

На основании переводов монографии Г. Н. Савина были проведены исследования и иностранными учеными. Опубликованные данные повторяли ранее изданные в СССР работы.

Современное состояние математической теории упругости позволяет более точно, чем с использованием экспериментальных методов и МКЭ, определять величины максимальных местных напряжений в точках, являющихся главным источником возникновения первоначальных трещин.

Акад. Г. Н. Савин показал, что определение напряжений для бесконечных пластин с вырезами может быть распространено и на проектирование подкреплений вырезов в узких пластинах (полосах). Это было подтверждено результатами исследований в ДВПИ.

Результаты многочисленных исследований, выполненных в ДВПИ по определению концентрации напряжений при различной форме скругления углов, позволили отказаться от сложной и неэффективной параболической формы, которая рекомендовалась английским Ллойдом и Регистром.

Для того чтобы представить распределение напряжений вокруг одиночных вырезов в обшивке корпуса судна, приведены результаты вычислений коэффициентов концентрации нормальных напряжений по линиям одинаковой их величины для круглого (рис. 4), квадратного (рис. 5) и прямоугольного вырезов (рис. 6).

Палубные вырезы на судне - круговое напряжение
Рис. 4 Поле нормальных напряжений около круглого выреза

Из последних трех рисунков можно сделать вывод, что за вырезами материал конструкции при растяжении не включается в работу полной площадью. Это позволило в Правилах рекомендовать исключать из расчетов не только некоторую часть поперечных сечений по вырезам, но и часть сечений за вырезами. Сечения изолированных вырезов, расположенные за его поперечными кромками, требуют подкрепления на расстоянии, равном ширине выреза по площади треугольника (рис. 7).

Кривые напряжений квадратного выреза судовой корпусной конструкции
Рис. 5 Кривые напряжений σх по поперечным сечениям растягиваемой в одном направлении бесконечной пластины с квадратным вырезом

Прямоугольные и круглые вырезы могут не подкрепляться, если их ширина (диаметр) меньше 20 толщин листов палубы. Однако для восприятия повышенных напряжений желательно все же по кромкам вырезов устанавливать обделку в виде комингсов, роль которых могут успешно выполнять трубы для вентиляторов и других систем, проходящие через приготовленные для них вырезы.

Кривые напряжений прямоугольного выреза судовой корпусной конструкции
Рис. 6 График значений максимального коэффициента концентрации напряжений σх у прямоугольного выреза

Как видно из рисунков, иллюстрирующих поля напряжений около пластин с вырезами, напряжения в поперечных сечениях за ними становятся равномерно распределенными на большом расстоянии от вырезов. Эта зона III—III показана на рис. 8. Оба выреза, между которыми располагается эта зона, считаются одиночными, не оказывающими влияния на распределение напряжений друг на друга. Когда эта зона не появляется, то на напряжения у вырезов будет оказывать влияние взаимное их воздействие друг на друга, и методы подкрепления изменятся в зависимости от расстояния между вырезами.

Расчетное поперечное сечение судовой палубы
Рис. 7 Площади, исключаемые из расчетного поперечного сечения палубы

Подкрепление вырезов зависит также от отношения ширины пластин В или полос к ширине отверстий b (рис. 12). Теоретические исследования показывают, что уже при В/b = 3,5 результаты для широких пластин и полос отличаются не более чем на 10%. Напряжения в зоне их концентрации при скруглениях углов по радиусу в бесконечной пластине сохраняются и для полос вплоть до b/В = 0,6. Кроме этого, распределение напряжений в зоне их концентрации у грузовых люков судов может отличаться от теоретического в случае резкого обрыва продольных комингсов и карлингсов в районе углов вырезов.

Зоны напряжений в пластине судовой корпусной конструкции
Рис. 8 Различные зоны напряжений в пластине с вырезами

Одной из первых работ, выполненных с целью определения концентрации напряжений в районе вырезов, расположенных один за другим по длине судна, было исследование акад. Ю. А. Шиманского. Нормальные напряжения по линии присоединения прерывающихся частей палубного перекрытия за вырезом иллюстрируются на рис. 9. На этом же рисунке показаны кривые эффективности работы сечений на перемычке между вырезами. Проверка коэффициентов эффективности методами математической теории упругости, выполненная нами, показала, что они в действительности несколько больше.

Напряжения в палубной конструкции
Рис. 9 Эпюры напряжений σх, σy, τxy и кривые коэффициентов эффективности сечений Kх, полученные точным и приближенным методами:
σy, τxy — напряжения по линии AА; σх0, σy0 — напряжения вдоль оси х; τyx — напряжения по линии АА, вычисленные по формулам Ю. А. Шиманского

Особую опасность с точки зрения возникновения трещин до сих пор представляют палубные вырезы, находящиеся под воздействием максимальных напряжений и низких температур, и особенно при сильных динамических нагрузках во время сильного волнения.

Палубные конструкции морских деревянных судовПалубные перекрытия с вырезами могут испытывать действие как растягивающих-сжимающих нормальных напряжений, так и напряжений от скручивания. Напряженное состояние перекрытий с вырезами при одновременном изгибе корпуса в вертикальной и горизонтальной плоскостях и при кручении оценивают по суммарным коэффициентам концентрации напряжений. При этом суммарное воздействие оказывается близким к совокупности действия нагрузок от растяжения (сжатия), чистого изгиба и сдвига.

Местоположение точек с максимальной концентрацией напряжений

На кромке выреза при действии различных нагрузок напряжения различны. При суммировании напряжений необходимо определять суммарные напряжения в одних и тех же точках, поэтому должно быть известно распределение повышенных напряжений на всем участке контура выреза. К этим суммарным напряжениям необходимо добавлять напряжения, возникающие от работы прилегающих к вырезу конструкций.

Для судов разных типов наблюдается существенная разница в оформлении прилегающих к вырезам конструкций, оказывающих влияние на максимальную величину концентрации напряжений, а также на поле напряжений в районе вырезов.

Продольные комингсы, например, могут быть непрерывными и служить продолжением вторых бортов, обрываться сразу за вырезами или закругляться по форме вырезов в углах, переходя в поперечные комингсы.

Хотя на судах и встречаются резко обрывающиеся продольные комингсы и карлингсы, скругленные в углах вырезов, однако их необходимо продолжать в виде книц за поперечные кромки вырезов.

При установке комингсов-карлингсов необходимо добиваться, чтобы несимметричность этих двух конструкций относительно плоскости палубы не вызвала ее местного изгиба. Для этого поперечные размеры комингсов и карлингсов должны быть приблизительно одинаковыми. В противном случае произойдет внецентренное растяжение или сжатие.

Форму скругления углов прямоугольных вырезов в палубных перекрытиях и днище выбирают в зависимости от того, что собой представляет вырез. Вырез может быть одиночным. В этом случае напряжения на его кромках и вблизи них не подвергаются влиянию соседних вырезов. Вырез может быть групповым, когда он находится в группе вырезов, оказывающих влияние один на другой. Чаще всего такие вырезы располагаются последовательно, поэтому их еще называют эшелонными.

Устанавливая форму скругления углов одиночных вырезов небольшой ширины (b/В < 0,5), которые обычно делают на палубах рефрижераторов, исследовательских судов, газовозов, на палубах длинных надстроек и рубок и на пассажирских судах, можно ориентироваться на поле напряжений в районе выреза, полученное теоретическим путем при разных формах скругления.

Предлагается к прочтению: Принципы проектирования элементов днищевых конструкций в носовой оконечности

Современные требования, предъявляемые к форме скругления, имеют целью максимальное снижение концентрации напряжений прежде всего в зоне скругления углов. Это объясняется тем, что надежность конструкций в районе вырезов, представляющих прерывистые связи, определяется максимальной величиной концентрации напряжений. Последняя, например, зависит от формы сопряжения продольной и поперечной сторон прямоугольного выреза.

Скругление углов прямоугольных вырезов традиционно многие годы выполнялось по дуге окружности. И только в 1964 г. в Правилах Английского Ллойда было рекомендовано, правда, без достаточных оснований, скругление углов по параболе. Такая форма скругления, когда продольная кромка скругления имеет большую протяженность, чем протяженность поперечной кромки, позволяет получить снижение максимальных коэффициентов концентрации. Однако оптимальной формой скругления является эллиптическая форма выреза с большей осью, располагающейся вдоль него.

В настоящее время для обеспечения минимальной концентрации напряжений в районе вырезов обращается внимание на повышение усталостной долговечности конструкций в районе углов путем соблюдения строгих требований, предъявляемых к технологии изготовления и контролю качества конструкций в этих районах, а также путем использования специальных конструкций в районе вырезов (комингсов, карлингсов, межлюковых перемычек).

При выборе формы скругления вырезов отдельно рассматриваются одиночные (b/В⩽ 0,5) и эшелонные вырезы, имеющие большую ширину (b/В⩾ 0,5).

До настоящего времени частыми причинами повреждений являются технологические недостатки в районах с повышенной концентрацией напряжений. Усиленный контроль за качеством изготовления конструкций в таких районах должен обеспечить небольшую степень влияния технологических микроконцентраторов и конструктивных микроконцентраторов на усталостную долговечность и хрупкую прочность конструкций при низких температурах. Это позволяет устанавливать критерий усталостной долговечности конструкций в зависимости от напряженного состояния прерывистых связей.

При одиночных вырезах, находящихся в условиях растяжения-сжатия, заметного уменьшения максимальной концентрации напряжений, как уже отмечалось, можно добиться путем замены радиального скругления в углах скруглением, близким к эллиптическому. При этом при одинаковых максимальных коэффициентах концентрации сопряжений углов по радиусу и эллипсу в последнем случае скругление имеет меньшие параметры, и, следовательно, увеличивается полезная площадь люка.

В случае эшелонного расположения люков на палубе при большом расстоянии между ними каждый вырез следует рассматривать как одиночный. Если соседние вырезы оказывают влияние друг на друга, то чем меньше расстояние между ними, тем меньше концентрация напряжений в районе углов. При близком расстоянии может оказаться, что подкрепления совсем не потребуется, а достаточно только скруглить углы по эллипсу и установить непрерывные продольные комингсы и карлингсы. Концы последних вырезов ряда, находящихся в районах носовой оконечности корпуса, необходимо подкреплять как углы одиночных вырезов.

В условиях одновременного вертикального и горизонтального продольного изгибов, а также кручения корпуса для одиночных вырезов с умеренной шириной по середине длины судна преобладающее влияние на концентрацию напряжений оказывает общий продольный изгиб в вертикальной продольной плоскости. При этом при подкреплении вырезов можно ориентироваться на поле напряжений, полученное для случая растяжения пластины с вырезом.

Для вырезов большой ширины и особенно при эшелонном их расположении необходимо рассматривать одновременно продольный и горизонтальный изгибы, а также кручение корпуса, определяя суммарную величину концентрации напряжений в наиболее напряженных точках. В этих условиях минимальная величина концентрации напряжений отмечается при радиальном, а не при эллиптическом скруглении вырезов.

Концентрация напряжений в районе бортовых вырезов и поле напряжений у круглых и прямоугольных вырезов

В последнее время в бортах все чаще выполняют прямоугольные вырезы-лацпорты для горизонтальной грузообработки, однако их подкрепление не всегда осуществляется с учетом поля напряжений в районе вырезов. Концентрация напряжений в углах таких вырезов изменяется в зависимости от их местоположения по длине и высоте борта и от формы округления углов.

Используемые в настоящее время способы подкрепления вырезов в бортах в недостаточной степени снижают концентрацию напряжений. Последние же нормативные документы не учитывают никаких рекомендаций по снижению концентрации напряжений в бортовых вырезах. Не разработаны также методы подкрепления вырезов в виде дверей и прямоугольных иллюминаторов в стенках надстроек и рубок. В углах этих вырезов продолжают появляться многочисленные трещины. Такие трещины наблюдались на ледоколе «Москва» и других судах, корпус которых за многолетнюю эксплуатацию подвергался значительному износу. В результате в корпусных конструкциях заметно увеличивались напряжения и появлялись усталостные повреждения в виде трещин, распространение которых путем засверловки их концов может быть остановлено.

Концентрация напряжений в районе круглых вырезов в листах обшивки, таких, например, как иллюминаторы, определяется в зависимости от местоположения вырезов относительно кромок пластин.

При определении поля напряжений и максимальных коэффициентов их концентрации вокруг круглых вырезов в широких пластинах, расположенных вдали от их кромок, можно пользоваться теоретическим решением Г. Кирша. Если круглые вырезы находятся вблизи кромок пластины, можно воспользоваться данными точного теоретического решения. Результаты этого решения также пригодны для определения напряжений в районе круглых вырезов вентиляторных отверстий, выполняемых вблизи бортов на накатных судах (ро-ро).

Нормативные документы, используемые для проектирования конструкций с прямоугольными вырезами, за последние годы претерпели существенные изменения. Однако они все еще не полностью содержат уточненные зависимости для определения концентрации напряжений, устанавливающие оптимальные формы скругления в местах перехода от прерывистой части к непрерывной.

Поле напряжений в районе вырезов и максимальные коэффициенты их концентрации принципиально можно рассчитывать методами математической теории упругости для плоских моделей прерывистых связей. Однако при этом возникают погрешности, вызванные невозможностью с помощью конформных преобразований точно моделировать форму округлений. Тем не менее решение плоской задачи методами аналитических функций предпочтительнее, чем использование численных и экспериментальных методов. В настоящее время получены графики значений максимальных коэффициентов концентрации при разных формах округления углов прямоугольных вырезов.

Для проектирования узлов в районе прямоугольных вырезов в листовых конструкциях корпуса судна необходимо знать влияние взаимного расположения вырезов и соотношения его главных размеров l/b на концентрацию напряжений, а также влияние формы и параметров сопряжения продольных и поперечных сторон выреза и степени раскрытия пластины β = b/В на величину концентрации напряжений.

Вопрос подкрепления вырезов решается по-разному для широких и узких пластин (полос). К широким пластинам относятся пластины, у которых напряжения на внешних кромках не зависят от наличия выреза.

Акад. Г. Н. Савин рекомендовал считать:

  • широкой пластину, имеющую β ≤ 0,2;
  • а узкой — пластину с β > 0,2.

Методом советского акад. Н. И. Мусхелишвили и акад. Г. Н. Савина всесторонне исследована концентрация напряжений в широких пластинах, а для узких пластин достаточно полные результаты получены с использованием метода фотоупругости.

Используя идеи акад. Ю. А. Шиманского, проф. Г. В. Бойцов разработал приближенный метод расчета прерывистых связей, позволяющий получить ряд численных результатов, и предложил практическую методику расчета концентрации напряжений в прерывистых связях. Ниже приведены результаты исследования концентрации напряжений для широких пластин с прямоугольными вырезами, скругленными по радиусу.

Концентрация напряжений при различных формах сопряжения сторон вырезов

Сопряжение по дуге окружности

В практике судостроения для судов с большим раскрытием палуб применяется скругление по дуге окружности как более рациональное в условиях скручивания корпуса.

Графические зависимости максимальных коэффициентов концентрации напряжений αmax от относительных параметров вырезов l/b и r/b даны на рис. 10 и 11.

Величина максимальных коэффициентов концентрации нормальных напряжений при тех же радиусах скругления углов прямоугольных вырезов, но при расположении их длинной стороной поперек растягивающих (сжимающих) усилий (l/b < 1) значительно увеличивается, и поэтому необходимо избегать устройства таких вырезов, когда они одиночные. В случае эшелонного расположения вырезов поперечное расположение вырезов допускается, и часто такие вырезы можно видеть на рудовозах и балкерах. При этом расстояние между вырезами должно быть небольшим.

Зависимости коэффициентов концентрации напряжений от параметров вырезов в палубе
Рис. 10 Влияние относительного радиуса скругления углов на концентрацию напряжений при постоянном соотношении сторон выреза l/b

При проектировании конструкций необходимо знать, где по скруглению углов располагаются точки с максимальной концентрацией напряжений. При скруглении по радиусу такие точки находятся на длинной стороне выреза в начале скругления.

Сопряжение по эллипсу

Наиболее рациональным видом скругления является скругление по дуге эллипса при расположении большей его оси вдоль длинной стороны выреза. Применение уточненных методов к исследованию эллиптической формы сопряжения сторон вырезов позволило установить определенные закономерности.

Ввиду того что эллиптическая форма сопряжения обеспечивает снижение максимальных коэффициентов концентрации на кромках вырезов на 10—30% для сравнительно небольших отношений длины к ширине вырезов, которое характерно в корпусах современных судов, можно получить наибольшее снижение концентрации напряжений. Поэтому эллиптическую форму сопряжения следует рекомендовать в качестве основной для всех прерывистых связей и прямоугольных вырезов, работающих в условиях растяжения-сжатия, а оптимальные параметры формы сопряжения выбирать по диаграммам.

Влияние длины выреза в палубе на коэффициент напряжений
Рис. 11 Влияние относительной длины выреза l/b на коэффициент концентрации напряжений αmax при постоянном относительном радиусе r/b

Первые попытки определить, почему возникают повреждения в районе углов прямоугольных вырезов, были сделаны еще в конце прошлого века. Теоретические разработки проблемы концентрации напряжений в прерывистых связях были выполнены академиком Ю. А. Шиманским. Была использована модель прерывистой связи и получены формулы для расчета коэффициентов концентрации напряжений по кромкам вырезов и для определения эффективности работы сечений за вырезом (см. рис. 9).

Увеличение размеров перемычек между соседними вырезами (до некоторого поперечного сечения) приводит к увеличению максимальных коэффициентов концентрации напряжений на кромке вырезов при работе конструкций при растяжении и сжатии. Чем меньше толщина листов перемычек, тем меньше и концентрация напряжений у углов.

Акад. Ю. А. Шиманский рекомендовал выполнять подкрепление по всей длине выреза, которое, как показали более поздние исследования, не всегда целесообразно. В специальной литературе уточнено распределение касательных напряжений τxy (см. рис. 9) вдоль линии продольных комингсов за вырезом. Это сделано по просьбе Ю. А. Шиманского с целью уточнения расчетов концентрации напряжений по кромкам вырезов при использовании его метода. В работах произведена оценка влияния перемычек на напряжения на кромках выреза. Уменьшение длины перемычек ведет к заметному уменьшению максимальных коэффициентов концентрации в углах вырезов, в то время как толщина листов за вырезом при малой длине перемычек оказывает на них значительное влияние.

Будет интересно: Наружная обшивка и подкрепляющий ее набор

Оценка напряженного состояния в районе вырезов в судовых перекрытиях в общем случае связана с определением суммарных коэффициентов концентрации напряжений при изгибе корпуса судна в вертикальной и горизонтальной плоскостях и при его кручении. При этом суммарное воздействие на конструкции судна оказывается близким к совокупности действия нагрузок, соответствующих растяжению, чистому изгибу и сдвигу. При изгибе бортов в своей плоскости при общем продольном изгибе корпуса наблюдаются все три вида нагружения. Задача по определению напряжений в районе бортовых вырезов сводится к плоской задаче теории упругости в условиях деформаций широкой пластины с вырезом.

Точки с максимальной концентрацией напряжений на кромке выреза при растяжении пластины при ее чистом изгибе и сдвиге находятся в разных местах. Поэтому при суммировании напряжений и нахождении максимальной суммарной величины концентрации напряжений мало знать только максимальные напряжения от отдельных составляющих общей нагрузки, необходимо иметь данные о распределении напряжений от отдельных составляющих нагрузки по всему контуру вырезов конструкции и прежде всего в их углах.

Подробно вопросы исследования суммарных коэффициентов концентрации напряжений у вырезов в борту, расположенных в разных районах по длине судна, рассмотрены в монографии.

При проектировании бортовых вырезов (лацпортов) необходимо учитывать следующие соображения:

  • продольное расположение прямоугольных вырезов позволяет обеспечить появление самых небольших максимальных коэффициентов концентрации напряжений при расположении вырезов в зоне действия максимальных изгибающих моментов;
  • для других районов по длине судна можно принимать как продольное расположение вырезов-лацпортов, так и поперечное;
  • при продольном расположении вырезов-лацпортов и увеличении радиусов скругления углов величина максимальных коэффициентов концентрации напряжений для всех случаев напряженного состояния связей уменьшается. В случае поперечного расположения вырезов и изгиба наименьшая концентрация отмечается при скруглении углов радиусами r = 0,35b.

Подробные сведения о напряженном состоянии связей и об изменениях величины концентрации напряжений в районе вырезов при изменениях их местоположения по высоте борта и по длине судна можно найти в монографии.

Влияние основных геометрических и конструктивных характеристик пластин с вырезами на величину концентрации напряжений

При анализе поля напряжений в корпусных конструкциях с вырезами, проводимом с целью обезопасить конструкции от воздействия высокой концентрации напряжений путем снижения ее величины, необходимо правильно выбрать расчетное сечение и установить, что понимается под коэффициентом концентрации напряжений. Выбор номинальных напряжений по тому или иному поперечному сечению для сравнения с напряжением в отдельных точках конструкции нельзя делать произвольно. Это может привести к неправильным выводам при анализе работы конструкций и грубым ошибкам при расчете подкреплений вырезов. В зависимости от того, какое сечение в конструкции принимается за расчетное (сечение по вырезу или сечение за вырезом), подкрепления вырезов выполняются по-разному.

Для расчетного поперечного сечения, проходящего через вырез, конструктивные подкрепления должны уменьшить величину концентрации напряжений только в углах выреза, а для расчетного сечения, проходящего за вырезом, целью подкрепления, кроме снижения концентрации напряжений, является еще и компенсация самого выреза. Последнее означает, что моменты инерции поперечного сечения по вырезу и за вырезом должны быть одинаковыми. Если изгибающие моменты в поперечных сечениях изменяются, то при установке подкреплений вырезов это необходимо учитывать, сохраняя допустимую величину напряжений в поперечных сечениях.

Для расчетного поперечного сечения за вырезом нормальные напряжения в любой точке в зоне их концентрации должны сравниваться с напряжениями σ0, действующими в данном сечении.

При этом коэффициент концентрации определяется как отношение α = σ/σ0 (рис. 12).

Коэффициент концентрации напряжений в палубной конструкции
Рис. 12 Определение коэффициентов концентрации напряжений

Если же за расчетное сечение берется поперечное сечение, проходящее через вырез, то напряжения σ в любой точке в зоне концентрации необходимо сравнивать со средними напряжениями σср, действующими по сечению, проходящему через вырез. Коэффициент концентрации напряжений при этом составит α1 = σ/σср (см. рис. 12).

Оба коэффициента концентрации напряжений связаны между собой зависимостью α = [В/(В – b)]α1.

Кораблестроительная наука располагает данными многочисленных исследований, целью которых было определение концентрации напряжений как на кромке прямоугольных вырезов в пластине, так и вдали от кромок. Большая часть исследований была посвящена определению влияния на величину концентрации напряжений изменения геометрических параметров пластины, представляющих упрощенную модель палубного перекрытия. За коэффициент концентрации в большинстве исследований принималась величина α1, которая для листа конечной ширины с прямоугольным вырезом всегда меньше коэффициента концентрации α, так как B/(B-b) всегда больше единицы. Следовательно, α1, всегда меньше α, и по мере увеличения ширины пластины разница между ними уменьшается.

Концентрация напряжений в районе прямоугольных вырезов, расположенных один за другим (эшелонное расположение) на палубе, изменяется в зависимости от изменения расстояния между их поперечными кромками, т. е. от длины перемычки между вырезами, а также от отношения длины выреза к его ширине (l/b).

Если палуба с одиночным вырезом в районе с небольшими изменениями напряжений от общего продольного изгиба находится в условиях растяжения или сжатия, то на некотором расстоянии от поперечных кромок появляются поперечные сечения с равномерным распределением напряжений. То же самое происходит и при эшелонном расположении вырезов, если расстояние между ними достаточно большое.

В общем случае по характеру напряженного состояния палубное перекрытие с несколькими вырезами, идущими один за другим и отделенными один от другого по длине перемычками, может быть условно разбито на несколько отдельных зон (рис. 13). В зоне I—I, простирающейся на длину около 3/4l выреза, напряжения вблизи продольных кромок несколько повышены по сравнению с напряжениями в поперечных сечениях, где они распределены равномерно. Это повышение напряжений практически одинаково, и коэффициент концентрации напряжений α не превышает 1,3—1,7. В зоне I—II, протяженность которой приблизительно равняется 1/8l выреза от его поперечной кромки, концентрация напряжений на кромках вырезов резко увеличивается до максимальной величины в начале плавного сопряжения продольной и поперечной кромок.

Зоны напряжений между вырезами в палубе
Рис. 13 Различные зоны напряжений в пластинах между вырезами

Эта зона является зоной наибольшей концентрации напряжений. В зоне III—III, длина которой определяется отношением ширины выреза b к ширине палубы В, напряжения равномерные. По продольному сечению Г—Г между соседними вырезами А и Б напряжения возрастают от нуля на поперечной кромке выреза до величины напряжений σ вдали от выреза, где влияние последнего на изменение напряжения не сказывается. В зоне III—III нормальные напряжения по любому поперечному сечению распределяются равномерно, и на их величину наличие вырезов не влияет.

Отсутствие зоны III—III между соседними вырезами свидетельствует о распространении влияния вырезов на всю длину перемычки между ними (рис. 14). Появление зоны III—III за расчетное сечение позволяет принимать поперечное сечение в этой зоне и действующие в этом сечении равномерно распределенные напряжения брать за расчетные. Тогда, если изгибающий момент от общего продольного изгиба на всем участке расположения вырезов, а также за ними и между ними имеет постоянную величину или близкую к ней, то необходимо потерянную часть поперечных сечений в результате образования вырезов компенсировать так, чтобы любое поперечное сечение корпуса имело момент инерции такой же, как в сечениях в зоне III—III.

Для этого вдоль продольных кромок с обеих сторон вырезов необходимо установить утолщенные листы, общая площадь утолщенного сечения которых должна быть равна площади поперечного сечения вырезанных листов. Эту потерянную площадь можно частично компенсировать также с помощью продольных комингсов и карлингсов, продолжающихся за поперечными кромками вырезов на достаточное расстояние.

Позиция исключенной площади из расчетного сечения вырезов в палубе
Рис. 14 Исключение площади за вырезами из расчетного сечения:
— исключаемая площадь

Компенсация вырезов должна осуществляться не только на длине самих вырезов, но и за вырезами, где утолщенные листы, должны компенсировать потерю эффективно работающего материала за вырезами, которая определяется коэффициентом Кх (см. рис. 9). Каждое поперечное сечение за вырезом подкрепляющих листов теоретически должно уменьшаться по мере возрастания Кх на величину этого возрастания, и на расстоянии для квадратного выреза около 2b, где Кх=1, подкрепление должно заканчиваться. Однако достаточно листы подкрепления за вырезом заканчивать там, где Кх ≈ 0,5, если обеспечить непрерывность продольных комингсов и карлингсов.

Утолщенные листы, кроме компенсаций выреза и части материала за вырезом, который не способен работать полной своей площадью, вместе с продольными комингсами и карлингсами должны обеспечивать уменьшение высокой концентрации напряжений в районе скругления в углах. Однако, как показывают исследования, все эти мероприятия снижают концентрацию напряжений недостаточно, и для ее дополнительного уменьшения должны приниматься другие меры. Пока единственными проверенными мерами дополнительного уменьшения концентрации является устройство подвижных соединений.

Так как листы Наружная обшивка, настил палуб и переборкипалубных настилов между соседними вырезами включаются в работу постепенно, уменьшение расстояния между ними при отсутствии зоны III—III вызывает уменьшение концентрации напряжений в смежных углах. Это было впервые доказано акад. Ю. А. Шиманским при использовании приближенной теории деформаций прерывистых связей.

На рис. 15 показаны эпюры напряжений по поперечным сечениям за квадратным вырезом в широкой пластине, а на рис. 6 — линии равных напряжений вокруг прямоугольного и на рис. 5 квадратного вырезов.

Чертеж эпюр напряжений по сечениям у выреза в палубе
Рис. 15 Эпюры напряжений по поперечным сечениям у квадратного выреза

Влияние подкреплений вырезов на концентрацию напряжений

В современном судостроении для компенсации потерянной площади в результате образования вырезов и одновременного уменьшения концентрации напряжений, вызываемой наличием этих вырезов, в листовых конструкциях судового корпуса используются утолщенные листы, а для малых вырезов — облицовочные полосы по обводу контура выреза. Однако существенного уменьшения концентрации напряжений этими способами достичь не удается, и в районе вырезов остаются зоны повышенной концентрации напряжений. Компенсация потерянной в результате образования вырезов площади достигается установкой утолщенных листов, а для ликвидации повышенных напряжений требуется принимать дополнительные меры.

Компенсация достигается также путем установки продленных за поперечные кромки прямоугольных вырезов непрерывных продольных комингсов и карлингсов, идущих вдоль продольных кромок вырезов. Это было неоднократно подтверждено при проведении натурных экспериментов и при испытаниях моделей. На рис. 16 приведены эпюры продольных нормальных напряжений, которые получены при их экспериментальном определении по поперечным сечениям крупной объемной модели из плексигласа.

Чертеж распределения напряжений в конструкции палубы
Рис. 16 Распределение напряжений (МПа) в палубе судна
—— без комингсов; — — с комингсом; А — непрерывный комингс

Вначале испытывалась модель с вырезом без комингсов, а потом были установлены непрерывные комингсы. Как видно из рисунка, установка продольных комингсов заметно уменьшает напряжения.

На рис. 17 показано изменение напряжений по высоте карлингса в углу люка машинной шахты при снятых надстройках во время испытаний на стапеле Петербурга на двойной ридовский момент, проводившихся под руководством акад. Шиманского.

Утолщенные ввариваемые листы целесообразно вваривать так, чтобы их срединная плоскость совпадала со срединными плоскостями соседних листов, а концы толстых листов должны сострагиваться до толщины окружающих листов.

Дополнительно уменьшить уровень концентрации напряжений у углов вырезов можно установкой в этих районах утолщенных вварных листов из стали более высокого сопротивления, ввариваемых в утолщенные компенсирующие листы. Местные напряжения высокой концентрации воспринимаются более прочным материалом, в котором допускаются значительно более высокие напряжения, чем в компенсирующем утолщенном листе и в соседних конструкциях корпуса.

Изменение напряжений по высоте карлингса на эсминце
Рис. 17 Напряжение в карлингсе, установленном под углом палубного выреза эсминца

Целесообразно устанавливать вварные листы из сталей повышенной прочности, занимающие всю зону повышенных напряжений в районе прерывистых связей. В отличие от вварных листов большей толщины форма и размеры листа в этом случае не оказывают влияния на концентрацию напряжений. Сварные швы усиленных листов нужно располагать вне зоны высокой концентрации напряжений. Однако необходимо, чтобы материал вварных усиленных (из более прочной стали) листов обладал более высокой прочностью на усталость, чем основной материал корпуса (такие спецстали производятся). Тогда было бы возможным создание более надежной конструкции в тяжелых штормовых условиях плавания.

Работоспособность конструкций из судостроительных сталей повышенной прочности в условиях знакопеременных нагрузок несколько больше, чем конструкций из обычных углеродистых сталей. Кроме этого, можно использовать специальные стали с более высокими усталостными характеристиками и высокими пластическими свойствами и одновременно принимать дополнительные меры для обеспечения усталостной прочности конструкций. В качестве радикального средства повышения усталостной прочности легированных сталей в конструкциях с концентраторами рекомендуется применять метод поверхностного наклепа, который, по данным исследований проф. И. В. Кудрявцева, дает очень хорошие результаты.

Использование в судоремонте усиленных листов из материала с более высокими механическими качествами, чем качества материала основного корпуса, в течение более 50 лет не сопровождалось какими-либо повторными повреждениями, что подтверждает достаточную усталостную долговечность этих подкреплений.

Однако, как уже отмечалось, использование усиленных листов одной толщины с соседними в районе вырезов не позволяет одновременно компенсировать потерянную площадь поперечного сечения корпуса, и при необходимости таких компенсаций листы требуется утолщать (рис. 18).

Эпюры в поле пластины палубной конструкции
Рис. 18 Эпюры наибольших напряжений в поле пластины, ослабленной квадратным вырезом:
—— нормальные напряжения; — — — – касательные напряжения;
I — часть усиленного листа вдоль кромки выреза; II — часть усиленного листа, удаленная от кромки выреза

При проектировании подкреплений одиночных вырезов в палубе возможны три разных случая расположения вырезов.

  1. Одиночный (изолированный) вырез, расположенный в зоне действия максимальных изгибающих моментов от общего продольного изгиба корпуса, когда эта зона простирается за поперечными кромками выреза на значительное расстояние. За кромками выреза поперечные сечения в палубе имеют равномерное распределение напряжений, и поэтому для экономии массы палубного перекрытия целесообразно за расчетное сечение принимать сечение за вырезом. Если напряжения в этом сечении палубы взять равными допускаемым, то в любом поперечном сечении через вырез средние номинальные напряжения будут больше допускаемых, и, следовательно, вырез должен подкрепляться утолщенными листами, устанавливаемыми вдоль его продольных кромок, а также непрерывными комингсами и карлингсами. Усиленные и утолщенные листы были установлены в углах люков на двух судах типа «Пионер» и хорошо себя зарекомендовали в эксплуатации в сложных условиях на ДВ. При разработке подкреплений одиночных палубных вырезов возможны различные варианты в зависимости от поля напряжений, изменяющегося по длине судна в районах расположения вырезов.
  2. Одиночный (изолированный) вырез, ширина которого b/В ≤ 0,5, расположенный либо в оконечности, либо одной кромкой попадающий в зону максимальных изгибающих моментов. Когда оба конца одиночного выреза располагаются в оконечностях корпуса, где изгибающие моменты в поперечных сечениях имеют небольшую величину, за расчетное сечение принимается поперечное сечение через вырез, и максимальный коэффициент концентрации нормальных напряжений будет определяться как отношение напряжений в точке к напряжениям в расчетном сечении. Этот коэффициент может иметь величину, близкую к единице и даже меньше ее, и тогда никаких подкреплений выреза не требуется. Когда один конец одиночного выреза располагается в зоне действия максимального изгибающего момента, а другой — в сечении, где изгибающий момент имеет незначительную величину, и, следовательно, напряжения по поперечным сечениям невелики, необходимо подкреплять только углы в зоне с высокими напряжениями, а за расчетное сечение брать сечение по целой палубе в районе действия максимального изгибающего момента. Компенсировать вырез необходимо в зависимости от изменения величины изгибающих моментов по его длине. Углы выреза, расположенные в районе действия максимального изгибающего момента, необходимо подкреплять усиленными утолщенными листами, которые составляют одно целое с утолщенными, компенсирующими вырез листами.
  3. Одиночный вырез при большом раскрытии палубы (0,5 < b/В < 0,7), как и одиночный вырез с b/В ≤ 0,5, может располагаться по-разному по длине судна. За расчетное сечение должны приниматься те же сечения, что и при одиночном вырезе с b/В ≤ 0,5. Однако компенсация выреза одними утолщенными листами обычно невозможна, так как их толщина из-за малых расстояний от продольных кромок выреза до борта получается очень большой. Поэтому дополнительно компенсировать вырез приходится установкой непрерывных комингсов и карлингсов. Но даже и при этом компенсировать широкий вырез не всегда удается, поэтому за расчетное поперечное сечение целесообразно брать сечение через вырез.

Эшелонно расположенные палубные вырезы при небольшом расстоянии один от другого, когда в перемычках за вырезами возникают очень небольшие напряжения, могут рассматриваться как сплошные вырезы. В этом случае за расчетное сечение необходимо принимать поперечное сечение через вырез и углы вырезов, если последние располагаются в районах, где изгибающие моменты от общего продольного изгиба невелики, могут совершенно не подкрепляться.

Целесообразность использования подвижных продольных соединений по концам люков для уменьшения концентрации напряжений будет рассмотрена дальше.

При исследовании влияния разных подкреплений на концентрацию напряжений в районе вырезов, проведенном на различных моделях из стали и плексигласа, было установлено, что утолщенные листы в углах и вдоль продольных кромок вырезов уменьшают напряжения не пропорционально увеличению их толщины, а в значительно меньшей степени. Одной из причин этого является внецентренное растяжение-сжатие утолщенных в одну сторону листов и вызванного этим их изгиба.

Установка листов в виде дублировки на заклепках или на электрозаклепках дополнительно снижает степень уменьшения концентрации напряжений у вырезов, так как сами накладные листы являются прерывистыми связями и по их концам создается новая концентрация напряжений. Самым надежным способом подкрепления вырезов является установка усиленных листов из сталей с более высоким пределом текучести σт и с более высокими усталостными характеристиками, чем основные конструкции. Для подкрепления углов люков при постройке судов в США еще в 1962 г. использовалась броневая сталь с σт = 700 мПа (7 000 кгс/см²).

При установке любых утолщенных листов утолщенная часть привлекается к работе касательными усилиями qx, возникающими по плоскости начала утолщения или по плоскости соприкосновения дублирующих листов с палубным настилом (рис. 19). Чем толще утолщенный лист, тем меньше эффект от его установки.

Работа с утолщенными листами палубного настила
Рис. 19 Привлечение к работе совместно с палубным настилом утолщенных листов

Район установки утолщенных и усиленных листов должен занимать всю зону повышенной концентрации напряжений, величина напряжений в которой представляет опасность для надежной работы конструкций. А это значит, что площадь вварных листов подкрепления вырезов должна быть такой, чтобы за ее пределами оставались повышенные напряжения, не опасные для работы конструкции. Обычно допускается концентрация напряжений не более 1,5.

Для уменьшения концентрации напряжений концы утолщенных листов необходимо постепенно сводить до толщины окружающих листов, а во избежание внецентренного растяжения срединную плоскость целесообразно совмещать со срединной плоскостью соседних листов.

Рекомендуется к прочтению: Корпусные конструкции транспортных судов ледового плавания

При назначении формы утолщенных и усиленных листов в районе вырезов в палубе, как было показано выше, необходимо ориентироваться на то, какое поперечное сечение принимается за расчетное, и при этом в одном случае устанавливаются вварные утолщенные листы по всей длине выреза и за ним, а в другом — утолщенные листы только в углах вырезов. В обоих случаях вварные листы могут быть и усиленными (см. рис. 18).

Ориентируясь на поле напряжений вокруг вырезов, утолщенные листы, компенсирующие вырез, необходимо протягивать за габариты выреза и осуществлять скос продольных кромок по концам не так, как это показано на рис. 20, а так, как это сделано на рис. 21. В первом случае в районе скоса остаются повышенные касательные напряжения txy. С точки зрения упрощения технологии форму вварных листов целесообразно иметь подобно той, которую можно видеть на рис. 21.

Рекомендуемая форма вварного листа вырезов в палубе
Рис. 20 Форма вварного усиленного (утолщенного) листа, рекомендуемая некоторыми документами

На рис. 22 показаны утолщенные листы, устанавливаемые в углах грузового люка навалочника. Форма таких листов представлена на рис. 23.

Принято считать, что круглые вырезы, диаметр которых не превышает 20δ (δ — толщина листа), можно не подкреплять и не компенсировать, так как зона повышенных напряжений для такого выреза распространяется на малую площадь.

Рекомендованная форма листов для палубы
Рис. 21 Формы вварных утолщенных листов, которые следует рекомендовать:
а — рациональная форма; б — технологичная форма
Чертеж утолщенных листов для палубной конструкции
Рис. 22 Вварные утолщенные листы в углах люков

Единичные же круглые большие вырезы подкрепляются продольными большими утолщенными листами или усиленными листами из сталей более прочных, чем сталь основной конструкции (рис. 172).

Чертеж вварных листов для палубной конструкции
Рис. 23 Форма вварных утолщенных листов, которую целесообразно принимать

Во всех случаях нецелесообразно устанавливать накладные листы на заклепках или электрозаклепках, так как под ними часто появляются трещины, которые обнаруживаются только после выхода их из-под накладного листа, когда трещины становятся уже опасными для прочности всей палубы.

Типы вварных листов для вырезов в палубе
Рис. 24 Два типа вварных утолщенных листов подкрепления круглого единичного выреза

Если в палубе выполняют прямоугольные вырезы, идущие один за другим и имеющие разную ширину (рис. 25), а расстояние между ними такое, что часть выреза меньшей ширины располагается в зоне небольших напряжений за поперечной кромкой большого выреза, то внутренние углы малого выреза можно не подкреплять.

Укрепление углов вырезов в палубе
Рис. 25 Подкрепление углов вырезов разной ширины, выполняемых один за другим

Большой же вырез следует подкреплять в зависимости от того, какое поперечное сечение палубы должно быть принято за расчетное. В связи с этим можно обойтись только угловыми утолщенными листами или компенсировать оба выреза установленными по всей их длине утолщенными листами.

Подкрепление палубных вырезов, работающих в условиях сдвига или сдвига вместе с растяжением

На некоторых современных судах в палубах и бортах имеются большие вырезы, которые во время плавания на взволнованной водной поверхности испытывают большие сдвигающие усилия, действующие одновременно с растягивающими и сжимающими усилиями. Это, в частности, происходит при кручении корпуса.

В условиях одного только чистого сдвига в конструкциях с прямоугольными вырезами напряжения в углах могут значительно превысить напряжения, которые возникают в этих же районах при растяжении или сжатии. При этом форма выреза искажается так, как это показано на рис. 26, а. Распределение напряжения σx по продольным кромкам выреза можно видеть на рис. 26, б.

Искажение формы выреза в палубе
Рис. 26 Искажение прямоугольной формы выреза в условиях сдвига (а) и напряжения сдвига (б)

В углах вырезов эти напряжения резко возрастают, по середине длины продольных кромок они равны нулю и меняют свой знак. В условиях сдвига углы вырезов в пластинах целесообразно скруглять по дуге окружности. При этом максимальные напряжения в углах будут наблюдаться в точках, расположенных по середине дуги скругления.

Так же как и вырезы, работающие в условиях растяжения или сжатия, вырезы, работающие в условиях сдвига, необходимо подкреплять наварными утолщенными или усиленными листами по их углам (рис. 27), и скругление углов должно быть сделано по радиусу, равному условиям одновременного сдвига и растяжения-сжатия, то есть их подкрепления должны выполняться путем совмещения элементов, требуемых при действии каждого усилия в отдельности.

Укрепление углов вырезов на палубе
Рис. 27 Подкрепление углов вырезов, работающих в условиях сдвига

Форма подкрепляющих листов и их размеры при этом могут быть такими, какие показаны на рис. 27, и скругление углов должно быть сделано по радиусу, равному около 0,15b, т. е. значительно больше, чем это необходимо для вырезов в растягиваемых (сжимаемых) пластинах.

Целесообразность использования подвижных соединений с целью уменьшения концентрации напряжений у углов вырезов

После установки утолщенных листов в районе углов вырезов в палубе и бортах остаются районы, где концентрация напряжений значительно превышает допустимые расчетные напряжения. С целью уменьшения этих повышенных напряжений в сварных конструкциях часто используются подвижные соединения.

На судах типа «Либерти» Дальневосточного морского пароходства они были использованы в виде клепаных соединений, которые раньше уже хорошо себя зарекомендовали на судах с клепаными конструкциями. Сухогрузные суда типа «Либерти» отслужили свой срок, однако за 20 лет эксплуатации в их модернизированных конструкциях никаких повреждений не возникло, что подтверждает правильность принятых решений.

Подвижные клепаные соединения при модернизации конструкций были установлены вдоль прерывистых продольных комингсов и вдоль продольных стенок шахты машинного отделения (рис. 28).

Соединения комингсов люков на палубе судна
Рис. 28 Подвижные соединения вдоль продольных комингсов люков.
1 — подвижное соединение; 2 — рубка; 3 — переборка

Отдельные детали этого подвижного соединения показаны на рис. 29. Одно из судов типа «Либерти» («Аскольд») с подвижными соединениями и сейчас можно видеть на приколе в бухте Диомид во Владивостоке. Оно используется как служебное судно. Модернизация этого парохода была осуществлена на заводе «Судомех» в Ленинграде по чертежам, разработанным и детализированным ЛенЦПКБ (инж. Григорьев). Однако на других судах «Либерти» ограничились продлением концов продольных комингсов в виде клепаных книц за поперечные кромки вырезов на длину около метра. На новых же судах такие кницы позже устанавливались на сварке.

Конструкция подвижного соединения люка на судне
Рис. 29 Детали подвижного соединения у угла люка.
1 — карлингс; 2 — прорезь в листах палубы; 3 — накладка; 4 — прорезь в комингсе; 5 — стенка бимса

Введение клепаных швов вдоль продольных комингсов и по этой же линии между вырезами обеспечило податливость комингсов относительно палубного настила и перемычек между вырезами. В результате этого значительно уменьшилась величина концентрации напряжений в районе углов люков.

Введением рассмотренных выше клепаных соединений были созданы такие же условия, как на клепаных судах, конструкции которых обладали достаточной прочностью. Испытания на пароходе «Колыма» (1906 года постройки) показали, что во всех прерывистых связях концентрация напряжений отсутствует. Это можно объяснить тем, что клепаные элементы узлов конструкций при высоких напряжениях получали возможность смещаться один относительно другого, а это предотвращало возникновение высокой концентрации напряжений в прерывистых связях. Обязательным условием являлось выполнение клепаных швов по линии, разделяющей прерывную и непрерывную части прерывистой связи. Если клепаное соединение делалось параллельно на некотором расстоянии от разделяющей линии прерывистой связи, то и в клепаных конструкциях возникала высокая концентрация напряжений.

Напряжение в районе палубных вырезов оригинальной «полуэллиптической» формы

Представляет интерес использование в японском судостроении палубных вырезов своеобразной формы, получивших название полуэллиптических вырезов (semi-elliptic openings) (см. рис. 2, а).

Использование таких вырезов дало возможность уменьшить максимальные местные напряжения на кромке вырезов (у грузовых люков) в листах палубного настила, т. е. снизить концентрацию напряжений по сравнению с той, что имеет место в случае использования вырезов эллиптической формы с отношением большей оси (long radius) к меньшей (short radius), равным двум (см. рис. 2, б).

Образование вырезов своеобразной формы иллюстрируется на рис. 2, б:

  • большая дуга окружности С, имеющая радиус R=2a (а — ширина выреза), соприкасается в точке A (point А). На некотором участке длины дуга С близка к дуге эллипса;
  • дуга С обрезается в точках Д и Е, которые располагаются на расстоянии друг от друга, равном 1,4а; из этих точек опускаются перпендикуляры на большую ось отрезаемого по линиям перпендикуляров эллипса (получается полуэллипс);
  • для уменьшения величины концентрации напряжений в местах пересечения перпендикуляров с двумя дугами радиуса С углы скругляются по радиусу F = 0,2 (Arc F= 0,2а).

Рассмотренная здесь новая форма вырезов позволяет уменьшить максимальную величину концентрации напряжений по сравнению с эллиптической формой.

На рис. 30 показаны линии с равными величинами напряжений по кромке полуэллиптического выреза, возникающих под действием разных по величине растягивающих вдоль большой оси эллипса нагрузок Р (80, 100 и 120 т). На рис. 30 показано напряжение, возникающее и вдоль поперечной оси эллипса. На этом же рисунке показаны сжимающие напряжения по поперечной кромке (compression), а по продольной кромке — растягивающие (tention).

Схема распределения напряжений в вырезах на палубе
Рис. 30 Улучшенная форма выреза и распределения напряжений

На рис. 31 показано изменение концентрации напряжений α = δ*/δср в точке δmax в зависимости от изменения отношения ширины выреза к ширине пластины (а/b).

Подкрепления прямоугольных палубных вырезов при эшелонном их расположении по всей длине судна в оконечностях в носу и в корме часто не делают, предполагая, что в районе оконечностей величина изгибающих моментов в поперечных сечениях небольшая. Однако исследования, а также имеющиеся случаи повреждений свидетельствуют о возможных повреждениях в оконечностях в результате динамических нагрузок от ударов носом о воду и в развал кормовой оконечности — в результате появления в поперечных сечениях больших изгибающих моментов. Этому способствует одновременное воздействие больших перерезывающих сил, действующих в оконечностях. На эти обстоятельства в последнее время обращают пристальное внимание как отечественные ученые, так и иностранные при анализе случаев отрыва, особенно носовых оконечностей (проф. А. И. Максимаджи и Я. Ямомото), в условиях сложного напряженного состояния при движении косым курсом по направлению движения волн. В этих условиях кроме общего продольного изгиба возникает скручивание корпуса при больших ударных нагрузках.

Зависимость концентраций напряжений от размеров вырезов на палубе судна
Рис. 31 Зависимость размеров вырезов и концентраций напряжений

Кроме трещин в палубных вырезах наблюдаются трещины и по концам комингсов в корме от вибрации механизмов и работы винтов. Разрушение всего судна имеет место не только на старых изношенных судах, но и даже на судах, которые эксплуатировались непродолжительное время.

Одновременно с повреждениями в палубных конструкциях при разломе судов в носовой оконечности наблюдались большие остаточные гофрировки листов бортовой обшивки в носовой оконечности в районе верхней палубы.

Особое внимание на повреждения в районах вырезов в палубе было обращено в случаях потери судами носовых оконечностей. Проф. Ямомото подверг изучению аварийный случай, когда носовая оконечность навалочником «Ономичи мару» в районе трюма № 1 во время сильного шторма была потеряна. Поврежденную оставшуюся на плаву часть удалось за некоторое время до затопления подвергнуть осмотру. Было сделано заключение, что причиной отрыва носовой оконечности послужила потеря устойчивости верхней палубы у недостаточно подкрепленного люка трюма № 1. Это произошло после сильного удара в развал борта при недопустимо высокой скорости судна, следовавшего на крупном волнении с 9-узловой скоростью.

Имелись недостатки и в конструкции резко обрывавшихся коротких комингсов при отсутствии подкреплений выреза носового люка. Кроме этого, в районе углов люка заканчивались продольные бортовые переборки танков (судно имело двойные борта). Таким образом, в конструкции балкера имелись существенные конструктивные ошибки, которые часто (и в последние годы) допускаются при постройке на новых судах. Возникающие во время жестокого шторма в прерывистых связях в носовой оконечности опасные местные напряжения могут вызвать исчерпание запаса усталостной прочности. Возникновение усталостных трещин может привести к их быстрому распространению, и особенно при несоблюдении судоводителями правил эксплуатации судна в условиях жестокого шторма.

Читайте также: Конструкция и расчеты днищевых перекрытий в корпусе судна

Необходимо помнить, что любое судно в условиях жестоких штормов может быть повреждено. При наличии в конструкциях больших местных напряжений судно всегда сохраняет возможность получения серьезных повреждений. Перед судостроителями стоит задача проектирования надежных в эксплуатации конструкций, способных противостоять самым сложным природным условиям. Выбором наиболее благоприятных путей следования судов в море занимаются специальные организации.

Эти организации дают судам рекомендации во время их плавания во избежание встречи с опасными ураганами. Суда как бы находятся во время рейса под наблюдением береговых высококвалифицированных специалистов. Во время плавания судов в море Организация штурманской службыв помощь судоводителям в портах имеются морские инспекции, которые дают рекомендации в случае повреждений их судов: какие меры должны быть ими приняты с целью обеспечения надежности дальнейшей эксплуатации.

Очень важно, чтобы все случаи повреждения судов во время эксплуатации были проанализированы с целью составления специальных рекомендаций на будущее. Особую ценность имеют наблюдения за поведением конструкций судов новых конструктивных типов. Анализ этих данных должен использоваться в рекомендациях по составлению новых положений в Правилах.

Необходимо помнить, что повреждения особенно часто появляются на новых конструктивных типах судов, на которых вводятся новые конструктивные решения. Отсутствие опыта эксплуатации таких конструкций способствует возникновению повреждений и требует проведения внимательного анализа при модернизации дефектных конструкций.

Сноски
Sea-Man

Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter

Октябрь, 23, 2020 116 0
Читайте также