Содержание 

Стеклопластиковое судостроение

Расчеты прочности

В настоящее время в СССР нет еще общепринятых методов расчета или иных способов подбора сечений связей пластмассовых судов. Это в значительной степени объясняется тем, что не всегда возможно установить величину внешних нагрузок, которую для мелких быстроходных судов трудно учесть. Поэтому и производят их расчет на условную, статически действующую нагрузку. Последнюю определяют по приближенным способам, учитывающим скорость судна, направление и силу возможных ударов, а также другие факторы.

За рубежом при проектировании конструкций мелких пластмассовых судов обычно применяют метод прототипа. Сравнительные расчеты прочности используются лишь при внесении некоторых изменений в проектируемую конструкцию по сравнению с прототипом. При серийной постройке мелких судов после испытаний головного судна на прочность часто в их конструкцию вносят необходимые изменения.

У мелких пластмассовых судов трудно определить не только внешние нагрузки, но также и напряжения. Это объясняется тем, что стеклопластик является анизотропным материалом, и тем, что он не вполне следует закону Гука. Влияние анизотропности материала на его прочность при применении стеклотканей исследовано в трудах проф. С. Г. Лехницкого.

Методы расчета судовых конструкций, основанные на теории упругости изотропного тела, строго говоря, не применимы к стеклопластику. Однако для их расчета используются пока общепринятые методы расчета судовых конструкций.

При определении прогибов и углов поворота стержневых систем из стеклопластика в отличие от стальных конструкций приходится учитывать не только деформации изгиба, но и деформации сдвига. Это объясняется относительно малыми значениями модуля упругости второго рода по сравнению с модулем нормальной упругости, что несколько затрудняет раскрытие статической неопределимости стержневых систем пластмассового судна. Раскрытие статической неопределимости по методу моментов с учетом деформаций сдвига можно производить по способу, разработанному ЛИВТом.

Эксперименты показывают, что при изгибе тавровых балок, армированных стеклотканью, нормальные напряжения снижаются по ширине полок даже в растянутой зоне, вследствие относительно низкого значения модуля сдвига и анизотропности материала. Поэтому ширина присоединенного пояска у таких балок должна выбираться с учетом не только устойчивости, но и влияния низкого модуля сдвига и анизотропности материала.

Последнее свойство пластиков, подобно обычному редуцированию, можно на основании опытов ЛИВТа учесть, засчитывая в момент инерции и момент сопротивления сечения не всю ширину полок , а лишь ее часть определяемую по формуле

где коэффициент , зависящий от соотношения между длиной балки L и шириной полок и принимаемый по таблице.

При армировании поясков балки стекломатами коэффициент принимается равным единице.

Эпюры напряжения в широких поясках балок: 1 — действительная; 2 — условная

При расчете пластмассовых балок, так же как и металлических, надо учитывать возможную потерю устойчивости сжатого пояска балки. С точки зрения методики расчета разницы между пластмассовыми и стальными балками нет, но для обеспечения надежной работы пояска со стенкой (вплоть до разрушения балки) величину присоединенного пояска в приближенных расчетах пластмассовых конструкций необходимо принимать равной 12—20 ее толщинам вместо 40—60 в стальных конструкциях. Некоторые исследователи считают, чтб ширина пояска должна быть не более 1/10 пролета балки. Однако следует отметить, что вопрос о величине присоединенного пояска в пластмассовых конструкциях полностью пока еще не изучен.

Если в одной конструкции имеются материалы разной жесткости, то для расчета конструкции материал ее надо приводить к однородности по модулям нормальной упругости.

Вследствие большой гибкости судов из стеклопластика рекомендуется при определении общих изгибающих моментов на ~ихой воде учитывать гибкость корпуса. Для этого следует изгибающий момент, определенный без учета гибкости корпуса , умножить на коэффициент :

Согласно нормам прочности Речного Регистра коэффициент равен

где L и В—соответственно длина и ширина судна в м; Е—модуль упругости материала в т/м²; I—момент инерции эквивалентного бруса в м⁴; —коэффициент полноты грузовой ватерлинии.

При желании выполнить расчет прочности более точно необходимо воспользоваться решением проф. П. Ф. Папковича, а также учесть влияние па прогиб сдвигающих усилий.

Эпюры напряжений при изгибе трехслойных балок:
а — сечение трехслойной балки; б — эпюра напряжений при жесткой прослойке; в — эпюра напряжений при прослойке, не воспринимающей сдвигов; 1 — силовые слои; 2 — прослойка; 3 — нейтральная ось для всего сечения; 4 — нейтральная ось силовых слоев

Вследствие малой жесткости судовых конструкций из стеклопластика рекомендуется связи, испытывающие сложный изгиб, рассчитывать по формулам сложного изгиба, так как простое суммирование напряжений от осевых усилий (например, при общем изгибе) и от изгиба поперечными силами может дать значительную ошибку в опасную сторону.

Расчет трехслойных конструкций (с прослойкой из малопрочного материала) на изгиб осложняется тем, что гипотеза плоских сечений (при изгибе балок) и гипотеза прямых нормалей (при изгибе пластин) не выполняются. В этом случае, кроме изгиба пластины относительно общей нейтральной оси, будет происходить также и изгиб обоих поясков относительно своих нейтральных осей. Изгибающий момент в некотором сечении М будет, очевидно, уравновешиваться моментом М₁ подсчитанным в предположении справедливости гипотезы плоских сечений, и двумя моментами М₂, подсчитанными в предположении раздельной работы поясков:

M= М₁+ 2 М₂

(15)

Соотношение между моментами М₁, и М₂ зависит от соотношения модулей упругости внешних силовых слоев и прослойки, а также от отношения толщины силовых слоев к толщине прослойки. При достаточно жесткой прослойке, хорошо работающей на сдвиг, второй член в формуле (15) невелик и им можно пренебречь, т. е. считать, что гипотеза плоских сечений выполняется. А. Я. Александров рекомендует в качестве критерия следующую формулу:

где:

— модуль сдвига материала прослойки;

—: модуль упругости стеклопластика;

—коэффициент Пуассона стеклопластика.

Невыполнение приведенного неравенства означает, что жесткость материала прослойки мала по сравнению с жесткостью стеклопластика. В этом случае расчет трехслойных конструкций необходимо производить по формулам, изложенным в упомянутой выше книге. Подсчеты показывают, что в большинстве случаев обычные методы расчета балок и пластин на поперечный изгиб и устойчивость не пригодны для трехслойных конструкций. Поэтому следует пользоваться уточненной методикой.

Учитывая, что модуль упругости стеклопластика снижается вследствие старения материала, влияния воды и повышенной температуры, в расчетах прочности нужно принимать меньшее значение модуля по сравнению с полученным при испытании сухих образцов. Так, ЛИВТ рекомендует снижать расчетное значение модуля упругости на 50%.

Следует также учитывать, что при назначении норм прочности пластмассовых конструкций нельзя воспользоваться регламентированными Речным Регистром значениями коэффициентов запаса прочности в связях корпусов стальных судов. Это объясняется прежде всего тем, что в качестве опасных напряжений для пластмассовых конструкций следует принимать не предел текучести, а предел прочности, так как диаграмма испытаний пластмассовых образцов не имеет площадки текучести. Кроме того, необходимо помнить, что с течением времени свойства пластика ухудшаются. Поэтому коэффициент запаса прочности для судов из стеклопластика должен быть принят несколько повышенным против стальных. О количественном значении до-гускаемых напряжений пока нет единого мнения. Некоторые исследователи считают, что на данном этапе развития пластмассового судостроения при расчете судовых конструкций, изготовленных из отечественных материалов, можно принимать постоянное значение допускаемых напряжений для любых связей корпуса. Так например, в работах ЛИВТа допускаемые напряжения рекомендуется принимать равными 0,2 . Другие исследователи считают, что при назначении величины допускаемых напряжений в зависимости от применяемых материалов надо учитывать снижение прочности стеклопластика по сравнению с данными испытаний сухих образцов. На это влияют следующие факторы:

1) снижение прочности стеклопластика в воде, составляющее для необработанных стекловолокон около 50%, а для обработанных гидрофобными составами—15—20%;

2) уменьшение предела прочности ненагруженного стеклопластика с течением времени (старение), достигающее 30%;

3) уменьшение предела прочности стеклопластика при повышении температуры до +40° С, составляющее при применении смолы марки ПН-1 около 50%, а смолы марки ПН-3— около 10—15%;

4) падение прочности стеклопластика при применении необработанного стекловолокна при длительном воздействии нагрузки, составляющее 20—30%;

5) уменьшение прочности стеклопластика при изготовлении в заводских условиях по сравнению с данными лабораторных испытаний, оцениваемое величиной порядка 20%.

Совместное влияние всех перечисленных факторов на допускаемые напряжения оказывается настолько большим, что они составят лишь (0,14 - 0,16) предела прочности сухих образцов, т. е. значительно ниже, чем по данным ЛИВТа.
Существует и такая точка зрения. Снижение прочности конструкций из стеклопластика (по отношению к прочности сухих образцов) при кратковременной нагрузке следует учитывать умножением соответствующего предела прочности на коэффициент, меньший единицы. Полученные напряжения необходимо считать опасными, и дальнейшее нормирование напряжений нужно вести по нормам прочности стальных судов, принимая допускаемые напряжения как часть от опасных.

Против такого нормирования имеются следующие возражения. Вследствие разного характера разрушения стальных и пластмассовых конструкций численные значения коэффициентов запаса прочности у равнопрочных конструкций не должны быть одинаковыми. Стальные конструкции, например, не боятся местных перенапряжений, что и учтено нормами прочности; пластмассовые же конструкции, наоборот, при перенапряжении имеют хрупкий характер разрушения. При этом не следует забывать, что у стальных конструкций в целом ряде случаев несущая нагрузка определяется пределом прочности, а не пределом текучести, т. е. имеется некоторый скрытый запас прочности.
За рубежом «Правила постройки судов из стеклопластика длиной от 6,1 до 36,6 м» были впервые выпущены английским Ллойдом. Запас прочности в этих правилах дается по отношению к пределу прочности образцов, находящихся в воде. Нами таблица коэффициентов Ллойда дополнена для иллюстрации данными по отношению к пределу прочности сухих образцов.

Допускаемые напряжения для стеклопластика в СССР и за рубежом в основном отличаются незначительно, т. е. при расчете на общий изгиб допускаемые напряжения составляют около 1\5 предела прочности материала.

На величину допускаемых напряжений очевидно оказывает слияние также и новизна материала. В дальнейшем, по мере накопления опыта постройки и эксплуатации возможно некоторое повышение допускаемых напряжений.

Для сжатых жестких связей коэффициент запаса прочности по отношению к эйлеровым напряжениям должен составлять по данным ЛИВТа не менее 2,5.

Прочность клеевых соединений должна проверяться на срез: причем допускаемые напряжения при хорошем качестве работ могут быть приняты 50 — 70 кг/см² (при склеивании полиэфирной смолой).

Для пластмассовых судов вследствие малой жесткости конструкций необходимо проверять также их деформации.

ЛИВТ рекомендует нормы допускаемых прогибов от общего изгиба принимать равными для пассажирских судов 1/300L а для грузовых 1/200L

Для отдельных конструкций прогибы в зависимости от пролета связей / не должны превышать следующих значений:

Для балок набора - 1\150

Для однослойной обшивки - 1\100

Для трехслойной обшивки - 1\100

Читать далее: Технико-экономические показатели.