книги из ГПНТБ / Бронский, А. И. Основы выбора конструкций корпуса судна

судна, П р а в и л а классификационных обществ дают указания по использованию сталей различных категорий для связей корпуса.

размеров связей и массы корпуса путем применения сталей с соот­ ветствующими физико-химическими и механическими характери ­ стиками.

В качестве основной общепринятой характеристики прочности материала принимают предел текучести [64], [101]. Структура рас­ четных формул в П р а в и л а х классификационных обществ позволяет предполагать, что в большинстве случаев размеры связей назна­ чаются по критерию предельной прочности (по крайней мере для связей, находящихся в условиях местного изгиба) . Иначе говоря, если исключить влияние некоторых дополнительных факторов, на­ пример, износ, технологические неточности и т. п., то моменты со­ противления сечения балок будут изменяться обратно пропорцио­ нально пределу текучести, а толщины листов — обратно пропор­ ционально корню квадратному из предела текучести.

Однако при этом не учитывается статистическая изменчивость прочностных характеристик материала . Многочисленные замеры

кучести являются признаком б р а к а ) . Приняв в расчете минимально гарантированное значение предела текучести, мы получим некото­ рый дополнительный резерв прочности в вероятностном смысле, не одинаковый для разных сталей. По мере повышения прочностных характеристик материала среднее значение предела текучести при­ ближается к его минимально гарантированному значению. Кроме того, у сталей повышенной прочности уменьшается разница между пределом прочности и пределом текучести, что приводит к некото­ рому снижению запаса прочности [78].

Усталостные характеристики сталей т а к ж е в большей степени связаны с пределом прочности, а не с пределом текучести [13], [23],

мое соотношение ав /стт^= 1,25.

При рассмотрении хрупкой прочности материала и конструкций необходимо учесть, что минимальные напряжения торможения хрупких трещин изменяются практически пропорционально пределу текучести. Поскольку тензотемпературные характеристики сталей повышенной прочности лучше, чем углеродистых, а уменьшение толщины связей благоприятно влияет на хрупкую прочность, можно

101

. * п Д е С Ь И о г З а г е е D ч и с л и т е л е приведены значения в технической системе единиц; в знаменателе — в системе СИ. 11рИ — &[) О.

ности материала при наличии внешних и внутренних дефектов, вы­ резов, нарушений структуры при сварке, коррозии, и сближение пре­ делов усталости сталей с различными прочностными характеристи­ ками [23], [96] при наличии предельно острых микроконцентраторов напряжений перечисленного типа (для гладких образцов предел усталости приблизительно пропорционален пределу прочности [25], [38]).

М о ж е т создаться впечатление, что если не предпринимать спе­ циальных мер по уменьшению геометрической и технологической концентрации напряжений в конструкциях, то, исходя из критерия усталостной долговечности, нельзя сколько-нибудь заметно умень­ шать размеры связей (и соответственно массу корпуса) при ис­ пользовании сталей повышенной прочности. Однако это не так.

При прочих равных условиях усталостная долговечность суще­ ственно зависит от размеров судна, главным образом от его длины. Эффективные периоды волновых нагрузок увеличиваются с ростом длины примерно пропорционально L 0 ' 3 — L 0 > 4 [13], вследствие чего при одинаковом числе циклов нагружения до усталостного разру­ шения долговечность, определяемая сроком эксплуатации судов, по­ вышается .

При анализе графиков зависимостей долговечности от длины

стандартов амплитудных напряжений в зависимости от интенсив­ ности волнения у коротких и длинных судов. Кроме того, увеличе­ ние долговечности малых судов определяется тем, что размеры их связей ограничены минимальными толщинами, а уровень номиналь­ ных напряжений, к а к правило, относительно низок. Поэтому, если принять долговечность судов различной длины одинаковой, то ста­ новится целесообразным использование сталей с повышенными ме­

зей, обеспечивающих общую продольную прочность корпуса, реко­

меняемой стали. При расчете принимается большее из полученных значений, которое, однако, не должно быть менее 0,6.

105

Этот подход к выбору размеров связей позволяет определить границы применения сталей повышенной прочности. Значения пре­ дела текучести стали, соответствующие условию г|1=г|2 (полное использование повышенных механических характеристик мате­ р и а л а ) , приведены на рис. 26.

Необходимо подчеркнуть, что найденные таким образом гра­ ницы применения сталей повышенной прочности характеризуют лишь верхний возможный предел прочностных свойств стали, ко­ торый может быть принят без снижения надежности и долговеч­ ности конструкций кор­

пуса.

Вместе с тем при вы­ боре марки стали сле­ дует учитывать ряд до­ полнительных факторов, которые могут сущест­ венно изменить изложен­ ные выше выводы.

Большое значение при выборе материала кор­ пуса имеют установлен­ ные в Правилах класси­ фикационных обществ значения минимальных строительных толщин связей в зависимости от

длины судна. Поэтому применение сталей с пределом текучести, превышающим значение, которому соответствуют расчетные (ми­ нимальные) толщины связей, не имеет смысла.

Ограничение строительных толщин связей вызвано неизбежным коррозионным износом, технологическими требованиями при по­ стройке и ремонте корпуса, необходимостью обеспечения местной прочности и жесткости конструкций при нагрузках, которые трудно определить расчетным путем [64]. Важное значение имеет корро­ зионный износ, поскольку он связан с изменением геометрических размеров конструкций в процессе эксплуатации.

Исследования коррозионной стойкости различных сталей в мор­

106

вании на основании статистических данных о средней скорости кор­

шение прочностных и пластических свойств стали [42], [56], [75]. По­ этому при переходе к абсолютным оценкам прочности корпусных конструкций необходимо всесторонне исследовать возможное ухуд­ шение прочностных свойств стали и уменьшение толщин конструк­ ций в процессе эксплуатации судна и разработать способы их учета при проектировании.

Осторожность при нормировании размеров связей корпуса сле­ дует соблюдать еще и потому, что в процессе коррозионного из­ носа в кристаллическую решетку диффундирует водород, вследст­ вие чего постепенно ухудшается хрупкая прочность, особенно в диапазоне тех температур внешней среды, при которых эксплуа­ тируется судно [96]. Однако для количественной оценки этих зако ­ номерностей еще нет достаточных данных.

Таким образом, с течением времени характеристики судострои­ тельных сталей сближаются, и их различие становится меньше, чем это следует из значений пределов текучести. В результате этого уменьшается эффективность внедрения сталей повышенной проч­ ности, так как размеры связей не могут быть снижены в полной мере. Этим и можно объяснить дополнительные ограничения, вве­

характеристиками не диктуется условиями эксплуатации и требо­ ваниями Правил классификационных обществ (путем назначения соответствующей категории стали для рассматриваемой конструк­ ции), необходимо определять изменение строительной стоимости

107

ния шпации основного набора. Таким образом, применение сталей

чение трудоемкости работ в абсолютных величинах н особенно ее

лей повышенной прочности экономически оправдано лишь в тех случаях, когда достигнутое уменьшение массы корпуса можно ис­ пользовать для улучшения эксплуатационно-экономических показа­ телей судна, например, увеличения грузоподъемности или скорости

сталей по сравнению с применяемыми для судов с ограничениями по грузовместимости (контейнеровозы, р е ф р и ж е р а т о р ы и т. п.). Примеры экономической оценки эффективности использования ста­ лей повышенной прочности для постройки судов разных типов и размерений приведены в [64], [65], {115], [120]. Эти примеры пока­ зывают, что наиболее рациональная с технической точки зрения марка стали может оказаться экономически менее выгодной.

Экономические факторы необходимо учитывать и при замене стали алюминиево-магнневыми сплавами или пластмассами, стои­ мость которых пока еще в несколько раз выше стоимости стали (с учетом значительного — в два и более раза — уменьшения массы конструкций).

К а к известно, требуемую остойчивость судна можно обеспечить, увеличив его ширину. Однако при этом ухудшается ходкость судна,

108

повышаются его начальная стоимость и эксплуатационные расходы. В этих случаях целесообразно надстройки и рубки на пассажирских судах, паромах и промысловых судах с развитыми верхними кон­ струкциями изготовлять из алюминиевых сплавов. Увеличение стоимости изготовления и установки таких надстроек и рубок компенсируется сокращением затрат на постройку основного кор­ пуса и улучшением эксплуатационных показателей. Так, в резуль­ тате применения алюминиевых сплавов на пассажирских судах «Орпана», «Канберра», «Франс» водоизмещением 40 000—60 000 т пассажпровместнмость каждого судна увеличилась на 200—300 че­ ловек без изменения размерений.

Экономически обосновано применение алюминиевых сплавов и на судах, имеющих ограничения по габаритам или осадке. Напри ­ мер, использование алюминиевых сплавов для конструкций над­ стройки пассажирского лайнера «Юнайтед Стейтс» позволило уменьшить его ширину и д а л о возможность проходить ему через Панамский канал, т. е. значительно сократило время рейса.

Из приведенных примеров видно, что проблема уменьшения рас­ хода материалов для постройки корпуса судна и соответствующего выбора марки материала не сводится только к анализу технических требований и проведению расчетов прочности, а требует всесторон­ них технико-экономических обоснований, т.е. комплексной оценки оптимальности принимаемых конструктивных решений.

Прогнозирование поведения конструкции в предполагаемых ус­ ловиях ее эксплуатации и обеспечение надежности при минималь­ ных з а т р а т а х на изготовление и эксплуатацию всегда считались основной задачей при проектировании, постройке и ремонте судов. Все эти соображения в той или иной форме неявно учитывались путем назначения размеров конструкций на основании условных нагрузок, расчетных схем и норм допускаемых напряжений .

Нормирование размеров связей в П р а в и л а х классификационных обществ при принятых в них условных расчетных нагрузках и схе­ мах осуществлено на основе обобщения огромного практического опыта эксплуатации обычных транспортных судов умеренных раз­ мерений (длиной до 150—180 м ) . В этих нормах в очень неявной форме отражены не только зафиксированные в П р а в и л а х гарантии надежности, но и определенные нормативы рентабельности, тех­ нико-экономические показатели судов, которые признаны оптималь­ ными. Такой подход к требованиям классификационных обществ можно считать достаточно установившимся [79], [96].

109