Глава 2. Концентрация напряжений и проектирование конструкций в районах вырезов

§ 5. Повреждения конструкций в районах вырезов в палубном настиле и в наружной обшивке вследствие концентрации напряжений

Различные вырезы в корпусных конструкциях образуют многочисленную группу прерывистых связей и создают местные очаги концентрации напряжений. Такие же очаги повышенных напряжений возникают в стальных листах и в наборе из-за неизбежных дефектов при сварке. Однако в этом случае область повышенных напряжений невелика (микроконцентрация). На небольшую площадь распространяются повышенные напряжения и у малых отверстий.

В конструкциях с большими вырезами, таких, как грузовые люки в палубе и лацпорты в бортах, концентрация напряжений распространяется на большие площади по поперечному сечению корпуса (макроконцентрация). Макроконцентрацию приходится учитывать прежде всего при расчете общей продольной прочности. Недооценка возможных отрицательных последствий высокой концентрации напряжений, распространяющейся на большие площади, много раз приводила к очень серьезным повреждениям, а иногда и к полному разлому корпуса как клепаных, так и сварных судов [13, 14].

В условиях микроконцентрации могут оказаться конструкции, у которых небольшие площади повышенных напряжений от часто расположенных источников концентрации (например, от продольных ребер жесткости, обрывающихся у поперечных переборок) объединяются и занимают значительные размеры по поперечному сечению корпуса. Такие узлы представляют потенциальную опасность полного разрушения корпуса. Это неоднократно наблюдалось на ряде сварных танкеров.

В данном параграфе мы ограничимся рассмотрением повреждений конструкций в районе больших вырезов в корпусе судна и причин, их вызывающих. Для физического представления об условиях возникновения концентрации напряжений в районе вырезов, образованных в пластинах, воспользуемся схемой, акад. Ю. А. Шиманского [184].

В соответствии с положениями теории деформаций прерывистых связей любой вырез (рис. 1, а) можно рассматривать как сочетание двух симметричных прерывистых связей, каждая из которых представляет собой полубесконечную пластину с вырезанной частью на контуре (рис. 1, б). Вследствие симметрии данную пластину можно разбить в свою очередь на две одинаковые прерывистые связи, состоящие из прерывных и непрерывных частей (см. рис. 1, в). Для пояснения общей картины распределения напряжений в районе такой пластины целесообразно рассмотреть деформацию прерывистой связи, образованной из непрерывной части и достаточно длинной прерывной части, как это показано на рис. 2. При растяжении пластины вследствие значительной удаленности сечений I—I от концов прерывной части все продольные волокна между этими сечениями имеют одинаковые удлинения.


Рис. 1. Деформация пластины с прямоугольным вырезом.

1 прерывная часть; 2 — непрерывная часть.


Рис. 2. Зоны прерывистой связи с различным уровнем напряженности.

1 — прерывная часть; 2 — непрерывная часть.

Прерывная часть постепенно включается в работу на растяжение с помощью сдвигающих усилий qx, которые действуют по линии соединения ее с непрерывной частью пластины. На участке, ограниченном сечениями III — III, напряжения в сечениях всей связи становятся равномерно распределенными, т. е. это означает, что удлинения продольных волокон на длине этого участка одинаковы. На участках же, ограниченных сечениями II—III, продольные волокна, примыкающие к прерывной части, из-за наличия сдвигающих усилий в этом районе имеют меньшие удлинения, чем волокна, более удаленные. Таким образом, суммарные удлинения всех продольных волокон между сечениями I—I будут одинаковыми в том случае, если удлинения, а следовательно, и напряжения на участках I—II в зоне примыкания частей пластины 1 и 2 будут большими по величине. Увеличение напряжений особенно значительно в районе кромок, непосредственно примыкающих к прерывной части пластины, т. е. в углах рассматриваемого выреза.

Детальный анализ напряженного состояния показывает, что концентрация напряжений в районе прямоугольных вырезов зависит от целого ряда геометрических и конструктивных факторов и может быть большой. Это явление, в частности, широко обсуждалось при анализе прочности первых судов со сварными  конструкциями массовой постройки — сухогрузных типа Либерти и танкеров типа Т-2 — в связи с многочисленными серьезными авариями.

В том случае, если в конструкции допущена ошибка, приводящая к чрезмерной концентрации напряжений, можно не сомневаться, что причиной повреждения является макроконцентрация напряжений. Действительно, неверное конструктивное оформление проявляется уже в первые месяцы эксплуатации в виде значительных повреждений. Так случилось на рыбоперерабатывающей базе Спасск (год постройки 1965; Иокогама, Япония) во время сдачи судна заказчику: при испытании трюмов на охлаждение разрушились вторая и третья палубы.

В настоящее время на новых судах и на судах, прошедших модернизацию, значительно меньше случаев возникновения трещин в районе вырезов в наружной обшивке (в том числе и в палубном настиле) и почти не наблюдаются случаи выполнения явно дефектных конструкций. Однако уровень концентрации напряжений в районе вырезов все еще достаточно высок и при стечении неблагоприятных обстоятельств проявляет себя во время эксплуатации. Предстоит решить задачу оптимального проектирования корпусных конструкций, в первую очередь прерывистых связей. И здесь особая роль принадлежит анализу характерных повреждений конструкций, хоть и некатастрофических в настоящее время. Такой анализ позволяет выявить более слабые узлы и способствует дальнейшей их рационализации.

Весьма значительное влияние на возникновение трещин могут оказать технологические дефекты, учесть которые значительно труднее, чем недостатки конструктивного оформления. Технологические надрезы, непровары сварных соединений, дефекты кромки углового скругления часто не принимаются во внимание, но они могут оказаться причиной повреждений.

Снижение опасной микроконцентрации непосредственно связано с повышением уровня и совершенствованием технологии изготовления корпусных конструкций. Дефекты, вызывающие микроконцентрацию напряжений, возникают и во время эксплуатации конструкций. Так, коррозионный износ и удары во время грузовых операций вызывают существенные нарушения проектной формы скругления угла люка (если скругление не защищено закругленным комингсом). Появляющаяся при этом микроконцентрация напряжений по оценкам, которые получены методами теории упругости, может достигать очень больших значений.

Страницы: 1 2 3 4 5