Глава 1. Некоторые причины, вызывающие повреждения корпусных конструкций
§ 1 Концентрация напряжений в корпусных конструкциях
Быстрое развитие торгового и промыслового флотов, разнообразие способов перевозки грузов обусловливают создание судов с новыми конструктивными решениями узлов и деталей.
Даже небольшие изменения в форме конструкций и в соединении отдельных их деталей часто значительно влияют на условия работы этих конструкций. Появление же в составе корпуса новых конструкций создает совершенно новые условия их работы. При определении взаимосвязи внешних усилий и внутренних напряжений в этих условиях исследователям приходится сталкиваться со значительными трудностями. Математическое описание указанной взаимосвязи иногда задерживается на многие годы.
В процессе эксплуатации, а иногда и при постройке судов некоторые корпусные конструкции не выдерживают определенных нагрузок, что вызывает необходимость корректировки размеров и формы дефектных конструкций. Причиной повреждений может быть недостаточная обоснованность прочности новых конструктивных узлов, целесообразных с точки зрения их технологии и эксплуатации. При изучении повреждений трудно бывает установить закономерность их появления, поэтому вопросы повышения надежности конструкций приходится решать не статистическим методом, а эмпирическим.
Полностью избежать появления тех или иных повреждений в корпусных конструкциях, как показывает опыт эксплуатации многочисленных судов, не удается. Поэтому на судах оригинальной конструкции, которые предполагается строить большими сериями, целесообразно с помощью экспериментальных групп исследователей проводить испытания с замером внешних усилий и распределения напряжений в узлах конструкций головных судов. Естественно, должны выбираться наиболее тяжелые условия плавания, а кроме того целесообразно проводить статические испытания в условиях перегрузки во время грузовых операций. Это позволит своевременно обнаружить потенциально опасные конструкции. После таких испытаний можно исправить конструкции других судов серии и увеличить надежность их работы.
Как показывают многолетние наблюдения за судами в процессе их эксплуатации, наиболее частыми причинами повреждения судового корпуса являются:
резкие изменения сечения отдельных связей по длине судна» обрыв связей с образованием жестких точек; непредусмотренные условия эксплуатации связей и узлов. Как правило, указанные причины обусловливают повреждения в некоторых районах корпуса, и эти повреждения появляются как результат концентрации напряжений. Для того чтобы избежать вредного влияния этой концентрации, часто бывает достаточно незначительно изменить форму и размеры конструкции. Однако обычно трудно установить, какие именно изменения должны быть осуществлены. Это происходит по причине недостаточного знания условий работы дефектных конструкций.
Конструкции с концентрацией напряжений, по сути дела, лимитируют прочность корпуса в целом. Если бы их удалось ликвидировать, то возникла бы реальная возможность уменьшить размеры всех связей корпуса и облегчить его.
О наличии в составе корпуса конструкций, лимитирующих прочность всего судна, свидетельствуют хотя бы такие факты, как последствия посадки судов на мель и камни, а также поведение судов в штормовых условиях. Здесь-то суда и проходят своеобразные испытания на прочность при повышенных нагрузках. Повреждения всегда появляются в местах возникновения повышенных напряжений, и прежде всего в районе прерывистых связей. Авторам удалось изучить несколько происшедших в последние годы интересных случаев разрушения конструкций корпусов при посадке судов на камни. Суда имели размеры и форму конструкций, рекомендуемых современными правилами Классификационных обществ.
Большой интерес представляет авария ледокольного дизель-электрохода Енисей (см. рис. 12, с. 38) при посадке на камни, когда обнаружились слабые узлы корпуса в местах с повышенной концентрацией напряжений. Можно указать и на другие серьезные аварии судов со сварными конструкциями, в том числе на случаи полной поломки судов со сварным корпусом в водах Тихого океана.
Корпус судна является сложной системой, состоящей из большого числа узлов и связей со своеобразными свойствами. Сами конструктивные узлы также являются системой, образованной отдельными элементами и связями, и им присущи свои особые свойства, отличные от свойств составляющих их элементов и связей.
Задачей исследователя, занимающегося вопросами конструирования судового корпуса, является выяснение функции отдельных узлов и взаимосвязей элементов, составляющих корпус судна. Чем сложнее конструкция, тем сложнее эти взаимосвязи. Выход из строя одного элемента конструкции (например, от высокой степени концентрации напряжений) может привести к разрушению всего корпуса.
Идеальным решением вопроса повышения надежности при конструировании корпусных конструкций было бы обеспечение приспособляемости судов к изменяющимся внутренним и внешним усилиям. Это можно наблюдать в некоторых конструкциях, когда за счет пластических деформаций или сдвига подвижных соединений появляется возможность перераспределения усилий, срезания пиков напряжений.
В будущем вполне возможно появление в корпусе судна узлов, выполненных из различных материалов с целью обеспечения самоприспособляемости конструкций, например, к возникновению в отдельных районах концентрации напряжений, к изменению условий работы во время эксплуатации. Это могут быть элементы из титановых сплавов, из сталей повышенного сопротивления, из материалов с малыми модулями нормальной упругости, из материалов, не склонных к хрупкому разрушению при низких температурах и обладающих повышенной усталостной долговечностью при высокой концентрации напряжений. Создание оптимальных решений при конструировании, возможно, потребует использования пространственных конструкций с более сложными формами, чем те, к которым судостроители привыкли.
В настоящее время при выборе необходимых форм и размеров корпусных конструкций с точки зрения концентрации напряжений встречаются определенные трудности, так как еще недостаточно разработана теория проектирования целых узлов. Ставится задача — найти распределение усилий в целом отсеке судна и даже в целом корпусе. Появление ЭЦВМ и связанное с этим возникновение новых математических методов, позволяющих вести многовариантный расчет сложных конструкций и пространственных систем, приближает нас к моменту, когда кораблестроители смогут делать расчеты любой сложности.
При проектировании оптимальных с точки зрения прочности конструкций необходимо учитывать и такие важные факторы, как условия эксплуатации, технология изготовления и приемы судоремонта. Поэтому всегда будут полезными обобщение и использование опыта эксплуатации и научный анализ имеющихся повреждений судовых конструкций. Известно, что при переходе в судостроении от клепаных конструкций к сварным в последних наблюдались многочисленные повреждения. Причина заключается в том, что условия работы прерывистых связей в сварном корпусе резко отличаются от условий работы их в клепаном корпусе.
Сварные соединения, как известно, монолитны, что препятствует перераспределению усилий в элементах конструкции. Возникающие в сварной конструкции напряжения обусловливаются только ее формой и взаимным расположением элементов. Клепаные же соединения при высокой степени напряжений допускают некоторое смещение элементов. Если напряжения в клепаном шве достигнут предела его упругого скольжения (напряжения, при которых преодолеваются силы трения между соединенными элементами), то дальнейший рост напряжений в районе рассматриваемого соединения невозможен. Тогда дополнительные усилия, прикладываемые ко всей конструкции, должны восприниматься соседними элементами. Так как предел упругого скольжения редко превышает 400—500 кгс/см2, сдвиг в шве способствует сглаживанию пиков концентрации напряжений и этим улучшает условия работы клепаной конструкции. Так, во время статических испытаний клепаного парохода Колыма (1906 г. постройки) была установлена очень незначительная концентрация напряжений в углах грузовых люков, которые не имели ни скругления углов, ни утолщенных листов. Продольные комингсы резко обрывались. Если бы судно было сварным, то концентрация напряжений была чрезвычайно высокой. Напряжения в этом случае были бы больше, чем на имевшем повреждения сварном дизель-электроходе Енисей (см. рис. 12).
В практике эксплуатации клепаных судов неоднократно встречались случаи, подтверждающие наличие податливости клепаных соединений. Это наблюдалось, например, при разрыве планширя фальшборта в сечении, расположенном непосредственно над однорядным стыковым заклепочным швом листов фальшборта (теплоход Советская Латвия, теплоход Александр Можайский [14, с. 500]).
Можно привести аналогичные примеры появления трещин в палубе непосредственно под расширительными соединениями рубок (пассажирские лайнеры Маджестик и Левиафан [13, с. 102]). Приведенные случаи свидетельствуют о необходимости при проектировании конструкций учитывать влияние клепаных соединений на условия работы узлов корпуса.
Местами конструктивной концентрации напряжений в корпусе сварного судна продолжают оставаться многочисленные вырезы разного назначения. Это могут быть как небольшие отверстия для прохода ребер жесткости, кабелей, труб, вырезы облегчения в листовом наборе, так и громадные грузовые люки, отверстия машинно-котельных шахт и лацпорты.
Большие вырезы могут образовываться во время ремонта и модернизации. Так, для снятия целых агрегатов с целью их ремонта в палубах и бортах в разных районах по длине корпуса делаются большие вырезы. Вырезы (технологические и вырезы при замене листов), как правило, выполняются на плаву или в доке, при этом напряжения от общего изгиба могут быть достаточно высокими. Заделке вырезов после ремонта сопутствуют оставшиеся в корпусе судна большие ремонтные напряжения. В углах заваренных вырезов концентрация напряжений может достигнуть значительной величины (см. § 24—27).
Снижение прочности в результате резкого обрыва связей иногда усугубляется возникновением жестких точек, когда, например, ребра набора заканчиваются в поле пластины, и у их концов при знакопеременных нагрузках происходят подъём и опускание части пластины в направлении, перпендикулярном плоскости листа при наличии большой концентрации напряжений по концам ребер.
Появление повреждений в конструкциях обусловливается сочетанием многих причин и прежде всего высокими напряжениями. Причинами разрушения узлов конструкций могут быть также низкая температура, посадка судна на мель, действие ледовых нагрузок и обледенение, сотрясение корпуса и т. д.
Быстрее всего дефект обнаруживается, конечно, в тяжелых условиях эксплуатации судна, например во время сильного шторма. Однако судно может попасть в такие условия не сразу, а спустя много лет после начала эксплуатации. Немаловажную роль при этом играют износ корпуса, технологические и ремонтные напряжения.