бортовое перекрытие

Формула изобретения

Бортовое перекрытие судна, состоящее из пластин наружной обшивки, подкрепленных шпангоутами и стрингерами, дополнительного подкрепляющего элемента, установленного в середине пролета каждой пластины наружной обшивки с ее внутренней стороны параллельно шпангоутам, отличающееся тем, что подкрепляющий элемент выполнен в виде упругой опоры, состоящей из бруса высотой h и шириной d, опирающегося на полосу, связанную посредством оттяжек сечением F, установленных с интервалом b, с основаниями смежных шпангоутов, причем h, d, F, b выбраны из условия удовлетворения заданной податливости упругой опоры А и связаны с ней следующим выражением:



где А - податливость опоры, выбираемая в зависимости от требуемой степени повышения несущей способности балки-полоски пластины наружной обшивки;

h - высота бруса;

d - ширина бруса;

F - площадь поперечного сечения оттяжки;

b - расстояние между оттяжками;

E - модуль Юнга для материала бруса;

Е - модуль Юнга для материала оттяжки;

s - ширина балки-полоски пластины наружной обшивки;

f₀ - начальная погибь пластины наружной обшивки;

а - поперечная шпация перекрытия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области судостроения и может быть использовано при постройке и ремонте бортовых конструкций корпусов судов.

Известно бортовое перекрытие судна, содержащее пластины наружной обшивки, шпангоуты и стрингеры (Барабанов Н.В. Конструкция корпуса морских судов. Л., Судостроение, 1981. - 552 с., с.42-43, рисунок 8 «г»).

Конструкция этого перекрытия обладает существенным недостатком, заключающимся в том, что при воздействии локальных интенсивных нагрузок, действующий на борта судов в процессе их эксплуатации в ледовых условиях, интенсивно деформируются пластины наружной обшивки борта в районе переменной ватерлинии с образованием гофров со стрелками прогиба, зачастую существенно превышающими нормативные значения. Это вызывает необходимость проведения ремонта бортовых конструкций с целью ликвидации последствий тяжелой эксплуатации судна одним из известных методов, например методом замены, методом подкреплений и т.д. Но любой из этих методов ремонта требует больших затрат трудовых и материальных ресурсов, значительно увеличивает металлоемкость судоремонтного производства, увеличивает сроки простоя судов в ремонте, что резко снижает эффективность эксплуатации судов различного назначения.

Известно бортовое перекрытие судна, подкрепленное шпангоутами и стрингерами (Авторское свидетельство № 1172813, МПК В63В 3/14, В63В 59/02, опубл. 15.08.1985), включающее упругую прослойку, установленную с внутренней стороны перекрытия, опирающуюся по контуру шпации на внутреннюю полость полок шпангоутов.

К недостаткам конструкции можно отнести высокую ее материалоемкость, так как упругая прослойка опирается на внутреннюю полость полок шпангоутов, т.е. материал упругой прослойки распределен по всей шпации.

В качестве ближайшего аналога принято бортовое перекрытие судна, содержащее пластины наружной обшивки, шпангоуты и стрингеры, где для повышения несущей способности и ограничения стрелок прогибов пластин наружной обшивки бортового перекрытия при воздействии локальных интенсивных нагрузок между шпангоутами параллельно им устанавливаются дополнительные ребра жесткости, выполненные из металла высотой не менее 0.75 от высоты шпангоутов (Правила классификационных освидетельствований судов в эксплуатации // Российский Морской Регистр Судоходства. - СПб, 2010, с.312-320, рисунок 5.3.3.2).

Существенными недостатками конструкции являются:

- высокая металлоемкость, так как ребра жесткости должны иметь высоту не менее 0.75 от высоты шпангоутов;

- трудоемкость и сложность установки ребра жесткости на деформированную пластину, что обусловлено необходимостью обеспечения лекальных обводов при подкреплении поврежденной пластины.

Изобретение решает задачу снижения трудоемкости изготовления бортового перекрытия и его металлоемкости с сохранением несущей способности пластин наружной обшивки бортового перекрытия при воздействии локальных интенсивных нагрузок за счет использования силы реакции, действующей в середине пролета пластины наружной обшивки со стороны установленной упругой опоры.

Для решения поставленной задачи в известном бортовом перекрытии судна, состоящем из пластин наружной обшивки, подкрепленных шпангоутами и стрингерами, дополнительного подкрепляющего элемента, установленного в середине пролета каждой пластины наружной обшивки с ее внутренней стороны параллельно шпангоутам, предлагается подкрепляющий элемент выполнять в виде упругой опоры, состоящей из бруса высотой h и шириной d, опирающегося на полосу, связанную посредством оттяжек сечением F, установленных с интервалом b, с основаниями смежных шпангоутов, причем h, d, F, b предлагается выбирать из условия удовлетворения заданной податливости упругой опоры А согласно выражению

,

где А - податливость опоры, выбираемая в зависимости от требуемой степени повышения несущей способности балки- полоски пластины наружной обшивки;

h - высота бруса;

d - ширина бруса;

F - площадь поперечного сечения оттяжки;

b - расстояние между оттяжками;

Е - модуль Юнга для материала бруса;

Е - модуль Юнга для материала оттяжки;

s - ширина балки-полоски пластины наружной обшивки;

f ₀ - начальная погибь пластины наружной обшивки;

а - поперечная шпация перекрытия.

В предлагаемом техническом решении нагрузка, воспринимаемая пластинами наружной обшивкой, передается на упругую опору, состоящую из бруса, опирающегося на полосу, и посредством оттяжек передается на смежные шпангоуты. Это приводит к тому, что пластина наружной обшивки поддерживается силами реакции, действующими в середине пролета, что существенным образом повышает несущую способность пластины наружной обшивки, так как изменение силовых факторов в средней части пролета существенным образом изменяет параметры изгиба.

На прилагаемых графических материалах изображено:

на фиг.1 - общий вид бортового перекрытия;

на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1;

на фиг.3 - изменение стрелок прогиба пластин наружной обшивки при подкреплении по предлагаемой схеме для различных податливостей опоры

( , , А₃= ).

На графических материалах приняты следующие обозначения:

1 - пластина наружной обшивки;

2 - шпангоут;

3 - стрингер;

4 - оттяжка;

5 - полоса;

6 - брус;

f - стрелка прогиба пластины наружной обшивки;

q - интенсивность внешней нагрузки, действующей на пластину наружной обшивки;

А - коэффициент податливости опоры, роль которой выполняет брус, лежащий на полосе, поддерживаемой оттяжками.

Конструкция бортового перекрытия состоит из пластин наружной обшивки 1 с установленными на них шпангоутами 2 и стрингерами 3. С внутренней стороны установлен брус 6, опирающийся на полосу 5, прикрепленную к основаниям смежных шпангоутов при помощи оттяжек 4.

Бортовое перекрытие работает следующим образом. Внешнюю нагрузку воспринимает пластина наружной обшивки 1, в результате чего она прогибается между шпангоутами, действуя на упругую опору, состоящую из бруса 6, опирающегося на полосу 5, с которой нагрузка посредством оттяжек 4 передается на основания смежных шпангоутов 2. Таким образом, пластина наружной обшивки при действии внешней нагрузки поддерживается реакцией, распределенной по линии и приложенной в середине пролета, что способствует существенному повышению несущей способности пластины. Меняя параметры подкрепляющих элементов (площадь сечения оттяжек, расстояние между оттяжками, сечение бруса, материал бруса) можно изменять податливость опор в широком диапазоне и тем самым добиться ограничения роста стрелок прогибов пластин на требуемом уровне. Для выбора размеров подкрепляющих элементов строится зависимость сила - прогиб для неподкрепленной пластины, а также для пластины, в середине пролета которой установлена упругая опора, при этом ее податливость варьируется. В зависимости от того, на какую величину требуется уменьшить прогибы пластины, выбирается податливость упругой опоры, после чего с использованием приведенной формулы определяются площадь сечения оттяжек, расстояние между ними, а также высота и ширина бруса. При подкреплении недеформированных пластин посредством установки достаточно жестких подкрепляющих элементов пролет пластины уменьшается в два раза, а это будет соответствовать уменьшению стрелок прогиба пластин в 4 раза, т.к. прогибы пластин пропорциональны квадрату поперечной шпации.

Значения параметров устанавливаемых элементов (высота бруса, ширина бруса, площадь поперечного сечения оттяжки, расстояние между оттяжками) определяются из условия обеспечения необходимой податливости упругой опоры, конструктивно реализуемой посредством указанных элементов, с использованием следующего условия:

,

где А - податливость опоры, выбираемая в зависимости от требуемой степени повышения несущей способности балки, - полоски пластины наружной обшивки;

h - высота бруса;

d - ширина бруса;

F - площадь поперечного сечения оттяжки;

b - расстояние между оттяжками;

E - модуль Юнга для материала бруса;

Е - модуль Юнга для материала оттяжки;

s - ширина балки-полоски пластины наружной обшивки;

f ₀ - начальная погибь пластины наружной обшивки;

a - поперечная шпация перекрытия.

Конкретный пример выбора параметров бруса и оттяжек

Рассмотрим бортовое перекрытие с поперечной шпацией а=0.6 м, толщиной обшивки t=0.01 м, шпангоутами из полособульба № 20 и расстоянием между стрингерами 1.2 м. Влияние упругой опоры в центре пролета пластины на ее несущую способность иллюстрируется фиг.3, где реактивное усилие обеспечивается упругой опорой с коэффициентами податливости , , а также представлена зависимость сила-прогиб для неподкрепленной пластины (А₃= ). Данные зависимости получены в соответствии с (Бураковский Е.П., Концедаева Ж.Г. Повышение несущей способности изношенных и поврежденных пластин при восприятии интенсивных нагрузок // Сб. науч. тр. НТО им. акад. А.Н.Крылова. - Калининград, 1989. - Вып.4. - С.40-47) в рамках гипотезы «мгновенного раскрытия пластических шарниров», однако подобные кривые могут быть построены и с использованием других методов расчета, например метода конечного элемента. Пусть необходимо повысить несущую способность пластины до уровня, соответствующего кривой при . Принимая ширину балки-полоски s=0.01 м, модули упругости Е =0.0075·10³ МПа и Е=2·10 ⁵ МПа, начальную погибь пластины f₀=0.01 м, варьируя значениями h, d, F, b с использованием приведенной формулы можно получить, что податливость опоры будет обеспечена, например, при следующих значениях параметров подкрепляющих элементов:

h=0.05 м;

d=0.05 м:

F=2·10^-4 м² ;

b=0.6 м.

Трудоемкость установки ребер жесткости (конструкция ближайшего аналога) между стрингерами для участка перекрытия длиной 10 метров составляет около 6.3 нормо-часа, для предлагаемой конструкции около 2 нормо-часов. При отсутствии стрингеров трудоемкость изготовления конструкции ближайшего аналога существенно возрастает, что вызывает необходимость установки дополнительных продольных ребер жесткости (Правила классификационных освидетельствований судов в эксплуатации // Российский Морской Регистр Судоходства. - СПб, 2010, с.312-320, рисунок 5.3.3.2), при этом трудоемкость изготовления предлагаемой конструкции не меняется. Подкрепляющие ребра жесткости в конструкции ближайшего аналога могут быть изготовлены из полособульба № 16 при шпангоутах из полособульба № 20. В этом случае масса подкрепляющих ребер, приходящихся на участок бортового перекрытия длиной 10 м, составит около 280 кг. Для предлагаемой конструкции вес подкрепляющих элементов около 120 кг. Таким образом, металлоемкость конструкции снижается более чем в 2 раза по сравнению с конструкцией ближайшего аналога, а трудоемкость снижается более чем в 3 раза.