|
КОНТРОЛЬ ПРОЧНОСТИ СУДОВОГО КОРПУСА В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
§1. Принципы оценки прочности корпуса судна
Общие положения. Судовой корпус относится к той группе сооружений, прочность которых оценивать наиболее трудно как ввиду сложности самой конструкции, так и главным образом вследствие проблем, возникающих при определении расчетных внешних нагрузок и нормативных запасов прочности. Корпуса водоизмещающих судов работают на границе двух стихий (воды и воздуха) и подвержены воздействию нагрузок, значение и направление действия которых непрерывно и случайно изменяются. Связи корпуса, являющегося сложной пустотелой балкой, подкрепленной набором в различных направлениях, участвуют одновременно в нескольких видах деформаций. Эти деформации вызываются как общим изгибом корпуса — балки, так и местным изгибом перекрытий, набора, пластин. Задача определения напряжений осложняется еще и тем, что во времени прочность связей корпуса изменяется в связи с неизбежными износом, коррозией, остаточными деформациями. Причем эти изменения зависят не только от времени, но и от особенностей конструкции корпуса и условий его эксплуатации. В связи с такой сложной картиной нагружения, комплексной работой связей, влиянием времени и окружающих условий оценка прочности корпуса возможна только при использовании предшествующего опыта постройки и эксплуатации судов.
В общем случае для оценки прочности судового корпуса необходимо решить проблемы по определению расчетных внешних нагрузок, возникающих напряжений и необходимых запасов прочности. Расчетные нагрузки принято формировать из двух частей:
квазистатической (нагрузки на тихой воде) и переменной (волновые нагрузки). Расчетные напряжения определяют расчленением сложных деформаций на элементарные составляющие с последующим их суммированием, учитывая распределение по сечению конструкций, а также мгновенное и длительное изменение во времени. Запасы прочности назначают опираясь на предшествующий опыт с осмысливанием и обобщением его методами строительной механики корабля.
Применительно к корпусам транспортных судов решение указанных проблем находит отражение в Правилах и Нормах классификационных обществ, а в нашей стране — в Правилах и Нормах Регистра СССР. В данной книге рассматриваются только некоторые основные вопросы оценки остаточной прочности корпуса, находящегося длительное время в эксплуатации, которые могут понадобиться капитану при ремонте, определении необходимых подкреплений или решении специальных эксплуатационных задач, связанных с допустимой напряженностью корпуса.
Старение корпуса. Прочность нового корпуса оценивается при проектировании в конструкторских бюро. Однако со временем прочность корпуса и его деталей изменяется. Чем дольше эксплуатируется судно, тем больше стареет его корпус. Старение корпуса выражается в уменьшении толщины листовых элементов и набора вследствие неизбежного износа и коррозии; в изменении первоначальной формы кон- струкций в результате появления остаточных деформаций, вызванных различного рода эксплуатационными перегрузками; в нарушении целостности отдельных элементов в виде трещин, разрывов, пробоин, являющихся следствием проявления усталости, хрупкости или вязкого разрушения при аварийных ситуациях. В результате этих изменений уменьшается прочность корпуса и его элементов, ухудшается мореходность судна, нарушается непроницаемость наружной обшивки, переборок, настила второго дна и других конструкций (табл. 1. 1).
Таблица 1.1. Последствия дефектов, возникающих в процессе эксплуатации корпуса
Вид дефекта Форма проявления Последствия
Коррозионный износ (corrosion) Уменьшение площади поперечного сечения связей, моментов сопротивления, моментов инерции Изменение формы поверхности связей Изменение механических свойств материала Свищи Повышение номинальных напряжений. Уменьшение критических напряжений Локальная концентрация напряжений. Изменение критических напряжений Изменение пределов текучести и прочности, относительного удлинения, хрупких и усталостных характеристик Нарушение непроницаемости
Остаточные (деформации (residual deformation) Изменение плоской или прямолинейной формы связей Изменение механических свойств материала Уменьшение несущей способности набора и листов Охрупчивание
Трещины (cracks) Уменьшение рабочей площади связей Изменение напряженного состояния в районе трещины Нарушение целостности Повышение номинальных напряжений Повышенная концентрация напряжений Нарушение непроницаемости
не явно, с помощью расчетных допускаемых напряжений, скрывающих апробированные практикой запасы прочности на износ. Допускаемые значения уменьшения прочности вследствие износа по сравнению со стандартом, принятым для нового судна, регламентируются специальной нормативной документацией.
Все дефекты конструкций корпуса, появляющиеся в процессе эксплуатации, подразделяются на две группы: повреждения и разрушения. Под повреждениями (damage)1 понимают дефекты, которые ограничивают дальнейшую нормальную эксплуатацию корпуса, а под разрушением (collapse) — дефект, который приводит корпус в состояние, совершенно непригодное для дальнейшего использования по прямому назначению. Нормативная документация регламентирует только допускаемые пределы дефектов первой группы (повреждений); для устранения дефектов второй группы (разрушения) требуется восстановление корпуса — ремонт.
Опасные состояния и критерии прочности. Все последствия дефектов, обусловливающих снижение прочности конструкций корпуса, оценивают с помощью конкретных физических критериев. Под такими критериями понимают качественные признаки, которые необходимо положить в основу оценки, прочности. Количественная оценка (мера) прочности является содержанием норм, а критерии служат для последних физической базой.
Различают два вида опасных состояний конструкций корпуса: искажение формы и нарушение целостности. В качестве признаков наступления этих опасных состояний рассматривают четыре критерия: пластическое деформирование, потерю устойчивости, усталостное и хрупкое разрушения.
Опасное состояние «искажение формы» обычно проявляется в виде остаточных деформаций, причиной возникновения которых являются растягивающие напряжения, превышающие предел текучести материала (критерий пластической прочности), или сжимающие напряжения, превышающие критическую величину (критерий устойчивости).
Если для простоты рассмотреть отдельную балку, то при достижении напряжениями растяжения по всему ее сечению предела текучести материала возникнет быстрый рост деформаций при относительно малом увеличении нагрузки — так называемое пластическое течение материала. Развитие этого процесса должно привести к остаточным деформациям после снятия нагрузки или к разрушению (разрыву) балки, если нагрузка будет продолжать увеличиваться. В случае сжимающих напряжений, превышающих некоторые критические значения, возникает явление, носящее название потери устойчивости. Развитие деформаций в данном случае может происходить без повышения действующей нагрузки. Наблюдается либо прямое разрушение, либо (при относительно быстрой разгрузке) появление остаточных деформаций — искажение формы. В обоих рассмотренных случаях для того, чтобы вызвать остаточные деформации, напряжения должны охватывать значительный объем материала и, следовательно, возникновение соответствующих опасных состояний определяется значениями средних по сечению напряжений, действующих в рассматриваемой связи или группе связей. Естественно, картина поведения отдельной балки отличается от работы реальных конструкций судового корпуса, представляющих сложную систему, состоящую из большого числа элементов: пластин и ба-лок различной формы и по-разному направленных. Потеря устойчивости или пластическое течение одного из элементов системы прямо не ведет к ее разрушению, а вызывает лишь перераспределение действующих в ней напряжений. Это явление, характерное для всех статически неопределимых систем, называют резервированием прочности. Вместе с тем статистика крупных аварий, возникших из-за недостатка прочности и приведших к разрушению корпусов судов, свидетельствует, что в большинстве случаев причиной разрушений явилась потеря устойчивости основных несущих связей. Поэтом при расчетах прочности конструкций опасные состояния «искажения формы» рассматриваются как предельные и связываются с напряжениями, вызываемыми нагрузками, значения которых не должны быть превышены более одного раза за весь срок службы судна. Такие нагрузки характеризуются обеспеченностью порядка 10"8 и менее. По отношению к напряжениям, возникающим при этих нагрузках, и назначаются запасы предельной прочности.
Опасное состояние «нарушение целостности» обычно проявляется в виде различных трещин, причиной возникновения которых в преимущественно растянутых связях судового корпуса оказывается действие как однократно приложенной, так и циклической, относительно умеренной нагрузки. Обеспеченность такой нагрузки имеет порядок 10’5 и более (нагрузка может превышать нормативный уровень 1 тыс. — 10 тыс. раз). В первом случае трещины возникают в результате хрупкого разрушения (критерий хрупкой прочности), во втором — имеют усталостное происхождение (критерий
усталостной прочности). В обоих случаях трещины
появляются под действием местных напряжений в районах, примыкающих к различного рода концентраторам напряжений (вырезам, прерывистым связям, дефектам сварных швов и т. п.).
Предупреждение возникновения хрупких трещин в судовых конструкциях в современной практике обеспечивается специальными требованиями к вязкости материала. Эти требования зависят как от степени
ответственности той или иной связи корпуса, так и от ее толщины расчетной рабочей температуры. Появление массовых трещин усталости предупреждают тем, что средние напряжения по сечениям связей выдерживают в определенных допускаемых пределах.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
