С.Н. Гирин, П.В. Плева. Перспективы применения армопластиков

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ АРМОПЛАСТИКОВ ДЛЯ
ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОРПУСОВ СУДОВ НА ВОЗДУШНОЙ
ПОДУШКЕ
С.Н. Гирин (ФГОУ ВПО «ВГАВТ», Н. Новгород, Россия),
П.В. Плева (ЗАО «Комби Пласт», Н. Новгород, Россия)
В настоящее время на мировом рынке до 80 процентов судов малых и средних
(до 75 м) размеров изготовляется с применением композитных материалов. Столь
убедительная цифра говорит о преимуществах этих материалов. Разумным сочетанием
необходимых видов связующих и наполнителей легко достигаются требуемые
эксплуатационные характеристики, прежде всего минимум массы корпуса при
обеспечении прочности. Кроме этого, корпуса, изготовленные из композитных
материалов, обладают хорошей тепло и шумоизоляцией. Эти материалы позволяют
снизить уровень вибрации и ее распространения за счет довольно высокого
внутреннего сопротивления. Современные пластики отличаются длительной
стойкостью сохранения цвета, низким водопоглощением, стойкостью к воздействию
ультрафиолета и низких температур, что позволяет сохранять прекрасный внешний вид
конструкции в течение длительного времени.
Помимо конструктивных и эксплуатационных достоинств композитных
материалов, существует ряд преимуществ при изготовлении из них судов. Возможность
производить крупногабаритные детали корпуса за один цикл производства
обеспечивает сокращение времени на изготовление единицы продукции, а возможность
включения ряда необходимых элементов корпуса и надстройки в конфигурацию
оснастки (реданы, потопчины, ступени, рундуки и т.д.) позволяют существенно
сократить время для сборки судов и соответственно уменьшить финансовые затраты на
производство судна. Стабильность размеров деталей корпуса задаются оснасткой и не
требуют постоянного контроля, поскольку современные стеклопластики обладают
малой усадкой. Применение современных компьютерных технологий позволяет
сократить время процесса проектирования и повысить точность изготовления мастермоделей и прочей оснастки.
Совокупность перечисленных факторов позволяет сократить цикл изготовления
корпуса в 10-20 раз в зависимости от размеров судна по сравнению с традиционными
материалами. Существенно сокращаются затраты на изготовление за счет
использования при сборке корпусов судов рабочих с относительно низкой
квалификацией.
ЗАО «Комби Пласт», г. Н. Новгород свое производство ориентировало
первоначально на выпуск небольших моторных катеров и производство кузовных
деталей из пластмассы для автомобилей «Газель», однако в настоящее время при
сохранении направления выпуска катеров и лодок основу производства составляют
суда на воздушной подушке амфибийного типа. В настоящее время на предприятии
выпускается катер на воздушной подушке «Пегас», который предназначен для рыбалки
и охоты, семейного и корпоративного отдыха туристических путешествий и
экстремальных видов спорта. Он имеет следующие основные характеристики: длина
габаритная – 5,45 м; ширина габаритная – 2,45 м; высота габаритная – 1,78 м;
пассажировместимость – 5 чел; скорость при ходе на воде – 70 км/час; по снегу – 100
км/час; по грунту – 60 км/час. Катер способен преодолевать торосистый лед, затяжные
уклоны до 10 и короткие до 35 градусов. Катер имеет привлекательный внешний вид
(качество покрытия не уступает лакокрасочным покрытиям современных автомобилей)
и легкость управления (начинающий водитель способен научиться управлять катером
за короткое время). Производственный цикл изготовления катера составляет 5 – 6
рабочих дней.
Успешный опыт проектирования, производства и эксплуатации этого катера
(всего их изготовлено 182 ед.) позволил поставить задачу создания более крупного
судна. В настоящее время на предприятии готовится к выпуску катер «Пегас 12», эскиз
которого показан на рис.1.
Рисунок 1
Корпус этого катера является трансформером, позволяющим иметь
пассажирский или грузовой вариант на одной и той же платформе. Основные
характеристики: длина габаритная – 8,5 м; ширина габаритная – 3,1 м. Судно
предназначено для перевозки 12 пассажиров или 1,5 т груза. В соответствии с
Кодексом внутреннего транспорта Российской Федерации технический надзор и
классификация этого судна должны осуществляться Российским Речным Регистром.
Это накладывает на проектанта и производителя обязанности выполнения требований
Правил Речного Регистра, в том числе в части конструкции и прочности. В
действующих Правилах имеются краткие указания по конструированию корпусов
судов из пластмасс, однако для судов длиной менее 15 м они практически не
ограничивают фантазии конструктора. При выполнении расчетов прочности
оговариваются величины допускаемых напряжений. Рекомендации по назначению
расчетных нагрузок в Правилах не зависят от материала корпуса.
Выбор расчетной схемы при выполнении расчетов прочности судов с
динамическим поддержанием всегда индивидуален из за сложности корпусных
конструкций и соотношений главных размерений, не позволяющих использовать
традиционные балочные схемы. Очевидно, что наиболее продуктивным является
использование метода конечных элементов в сочетании с модельными и натурными
испытаниями. При выполнении новых проектов, для которых отсутствуют данные по
близким прототипам, указанное сочетание является единственным способом
обеспечения надежности работы корпусных конструкций. Например, в Правилах
имеется прямое указание на необходимость выполнения испытаний для определения
коэффициента перегрузки в центре масс при движении на воздушной подушке.
В связи с отмеченным выше кафедрой сопротивления материалов, конструкции
корпуса и строительной механики корабля ВГАВТ совместно с ЗАО «Комби Пласт»
выполняется комплекс работ по проектированию и оценке прочности корпусных
конструкций проектируемого судна «Пегас-12». При этом в лаборатории кафедры
выполняются исследования по механическим характеристикам применяемых для
изготовления
корпуса
материалов,
выполняются
испытания
крупно
и
полномасштабных образцов корпусных конструкций, осуществляются расчеты этих
образцов по методу конечных элементов. После изготовления корпуса предполагается
выполнение статических испытаний в цехе, а затем выполнение мореходных
испытаний с замером всех необходимых параметров.
В качестве примера на рис.2 показана картина напряженного состояния флора
при его локальном нагружении двумя сосредоточенными силами в пролете и
свободном опирании в двух точках. Такая схема нагружения и опирания была
реализована в процессе испытаний полномасштабной модели флора в лаборатории
кафедры. По условиям симметрии рассчитывалась четвертая часть модели.
Рисунок 2
Напряженное состояние модели рассчитано на нагрузку 17 кН, при которой в
ходе испытаний модель исчерпала несущую способность. Как видно из рисунка,
максимальное эквивалентное напряжение составило 181 МПа в стенке флора.
Испытание образцов, вырезанных из модели после испытаний, показало, что предел
прочности материала стенки составляет 180-200 МПа, т.е. имеется очень хорошее
совпадение результатов эксперимента с расчетом.
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ АРМОПЛАСТИКОВ ДЛЯ
ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОРПУСОВ СУДОВ НА ВОЗДУШНОЙ
ПОДУШКЕ
С.Н. Гирин (ФГОУ ВПО «ВГАВТ», Нижний Новгород, Россия),
П.В. Плева (ЗАО «Комби Пласт», Нижний Новгород, Россия)
Аннотация – Излагаются преимущества использования современных
армопластиков для изготовления корпусов небольших судов на воздушной подушке
перед металлическими материалами. Приводится сопоставление результатов
модельных испытаний и расчета по схеме МКЭ шпангоута сложной формы.
PERSPECTIVES OF USE REINFORCED PLASTICS IN PRODUSING
HULLS OF SURFACE-EFFECT SHIPS
S.N. Girin (FSEO HPE «VSAWT», Nizhniy Novgorod, Russia),
P.V. Pleva (JSC «CombyPlast», Nizhniy Novgorod, Russia)
Abstract – advantages of use modern reinforced plastics comparing with steel materials for produces hulls of small surface-effect ships are given. Comparison results of model
experiments and computer solves of MFE for frame of advantage form are also given in this
article.