Это же уравнение может быть представлено в виде:

W=W i=nпас(wк+wо+wс)+W мо+W пу+W тб где nпас -число пассажиров и членов экипажа на борту, wк - удельный объем кают wо - удельный объем общественных помещений, wс удельный объем санитарно-бытовых помещений, W мо –объем машинного отделения или моторного отсека, W пу - объем постов управления, W тб - объем топливных баков, W бп - объем блоков плавучести, W зи - объем термозвукоизоляции, W вб - объем водяных баков. W рез- резервный объем.

Определяются объемы составляющих в уравнении.

В подразделе 2.3. указано, что при определении интервала характеристик базового варианта необходимо, опираясь на назначение судна и ожидаемые его эксплуатационные качества, разделить характеристики на доминирующие и второстепенные. Суда различного назначения могут быть созданы на базе одной и той же архитектурно – компоновочной, гидродинамической, прочностной и технологической схемы. Обеспечение доминирования качеств является следствием ухода соответствующих характеристик судна из области оптимальных в область максимальных значений с одновременным смещением других характеристик в область минимальных значений.

Математическая модель задачи оптимизации главных размерений на основе экономического критерия для прогулочного судна в общем виде может выглядеть так. В качестве основных переменных, подлежащих рассматриваются следующие величины и соотношения: D водоизмещение судна, L - длина судна, B - ширина судна, T - осадка судна, - коэффициент общей полноты, - коэффициент полноты ватерлинии, - коэффициент полноты мидель-шпангоута, H - высота борта, L/B - отношение длины судна к ширине, B/T - отношение ширины судна к осадке, H/T - отношение высоты борта к осадке. В интервале длин, определенных в рамках конкретного архитектурно – компоновочного решения для каждой конкретной модели судна из приведенного выше перечня оставляют не более 5-6 независимых переменных Х1, Х2,…Хn. По критерию, указанному в (1) развернутая форма может быть записана:

В качестве ограничений должны быть установлены следующие требования:

1. Ограничения на переменные задачи и главные размерения 2. Обеспечение заданной вместимости Где, W 0 – минимальная вместимость помещений судна 3. Условия обеспечения остойчивости hmax и hmin – определяют допустимый метацентрической высоты по нормативам относительной высоты h/B 4. Условия обеспечения непотопляемости где, F=H-T – надводный борт судна, а Fmin – его минимальное значение, определяемое правилами классификационных обществ или по ГОСТ 19105-79.

Строительная стоимость может быть определена по формуле:

Кк, Коб, Кэу - стоимости укрупненных конструктивных групп «Оборудование», «Энергетическая установка». Км – «Корпус», стоимость укрупненной группы «Монтажные работы по судну». В группе «Оборудование» – учитывается также электрооборудование и отделка помещений.

Определяются стоимости составляющих уравнения. Выполнение условия (1) (14) приводит к зависимости С= qкLBT+qоб(kобLBН)2/3+qэу N/D LBT+ qкм qкLBT+qобм qоб(kобLBН) 2/3+qэум qэу N/D LBT= =qк(1+qкм)LBT+qоб(1+qобм)(kобLBН) 2/3+ где qк, qоб, qэу, qкм, qобм, qэум – соответствующие измерители для корпуса, оборудования, двигателей и их монтажа.

Это дает возможность на стадии определения интервала характеристик базового варианта обосновать главные размерения из условия минимизации строительной стоимости.

В подразделе 2.4. рассматривается способ определения масс различных статей нагрузки с учетом специфики, определяемой назначением судна. Представим нагрузку масс катера в виде:

где, Dпор – водоизмещение порожнем, DW - дедвейт Составляющими водоизмещения порожнем для катеров данного назначения будет Где, Pкор - масса корпуса, Pэу - масса энергетической установки, Pэл.об - масса электрооборудования, Pi - сумма масс всех остальных элементов.

Дедвейт может быть представлен:

где, Pпасс – масса пассажиров, Pтопл – масса топлива, Pводы – масса питьевой воды, Pj – масса остальных статей дедвейта.

Следовательно, можно представить полное водоизмещение, как В ряде случаев можно считать, что:

Pпасс = k1Dпор; (21) Pтопл = k2Dпор; (22) Тогда:

= (Pкор+ Pэу +Pэл.об+Pi)(1+k1+k2+k3)+Pj= =(Pкор+ kэу ЭN+(1+kэл.об) kдгNдг+ Pi)(1+k1+k2+k3)+ В укрупненных оценочных расчетах начального уровня величинами Pi и Pj для разъездных, прогулочных и спасательных судов можно пренебречь, в дальнейшем они учитываются по статистическим данным, в соответствии с которыми для разъездных, прогулочных и спасательных судов величины Pi+Pj суммарно составляют не более 5-6% от полного водоизмещения.

Выше предложен метод определения основных характеристик судна:

D, L, B, T, по критерию экономической эффективности при выполнении граничных условий. Используя коэффициент утилизации по дедвейту, выведенный на основании статистических данных по отношению к полученной длине L, можно определить DW и Dпор для судов данного типа и назначения. Опираясь на статистические данные по энерговооруженности судов данного типа и назначения, можно из базы данных подобрать группу двигателей, пригодных для установки и выделить из Dпор их максимальную массу. В соответствии со статистикой масса корпуса составляет основную часть в водоизмещении композитных и металлических разъездных, прогулочных и спасательных катеров и малых судов. Снижение массы корпуса способствует повышению весовой эффективности судна. В массе металлического корпуса масса верхней палубы, надстроек и выгородок может составлять до 35-41%. По расчетам снижение массы верхней палубы, надстроек и выгородок в два раза позволяет решить задачу по повышению весовой эффективности судна на 8 - 14%.

Полная вместимость судна может быть представлена, как сумма объемов расположенных ниже W н и выше W в действующей ватерлинии. Для условного случая, когда удельные массы конструкций судна, ограничивающих эти объемы равны, можно записать формулу равенства отношений масс верхней и нижней частей корпуса и их вместимостей. Из условия сохранения гидродинамических характеристик и неизменности обводов и, соответственно, объемов подводной части корпуса, следует вывод о том, что увеличение вместимости судна может быть достигнуто за счет увеличения вместимости надводной части. При этом требуется уменьшение массы единицы площади поверхности конструкций, ограничивающих надводный объем судна обратно пропорционально увеличению этого объема. Массу корпуса и координаты его центра масс можно определить как:

Pкор=D - Pэу -P эл.об - Pпасс-Pтопл-Pводы-Pi-Pj (33) Xgкор=[DXg - (PэуXэу -Pэл.об Xэл.об - PпассXпасс-PтоплXтоплPводыXводы-PiXi-PjXj)]/Pкор (34) Zgкор=[DZg - (PэуZэу -Pэл.об Zэл.об - PпассZпасс-PтоплZтоплPводыZводы-PiZi-PjZj)]/Pкор (35) Определение координат центров масс различных статей нагрузки производится с учетом специфики, определяемой назначением судна.

После определения масс и координат центров масс всех статей нагрузки можно переходить к анализу статьи "Корпус". Формула для расчета центра масс этой статьи:

Xgкор=PiкорXiкор/Ркор; (36) Zgкор=PiкорZiкор/Ркор; (37) Разделим поверхность корпуса и надстройки на два участка. Первым участком является подводная часть корпуса и часть надводного борта, на которую оказывает действие расчетное волнение. Вторым участком является вся остальная поверхность судна. На поверхность первого участка регулярно действуют различные внешние силы:

гидростатическое давление, динамические силы поддержания, удары волн и т.д. Поверхность второго участка подвергается эпизодическим внешним воздействиям: давлению снежного покрова, эпизодическому перемещению людей по палубе и. т. д. Рассмотрим элемент поперечного сечения корпуса и надстройки длиной поверхности первого участка элементарную дугу первого участка Sнj. Отнесем к площадке SкiL первого участка массу всех корпусных конструкций Gi, находящихся на этой площадке, включая поперечные и продольные переборки и выгородки, а к площадке второго участка массу всех корпусных конструкций находящихся на этой площадке.

Масса нижней части корпуса (11):

Масса верхней части корпуса части корпуса (11):

Моменты относительно плоскости мидель-шпангоута и ОП для каждого элементарного участка, соответственно, для первого (11) и второго участков(11) Масса корпуса (11):

Координаты центра масс (11):

G=1H[1-k(1-)] - масса пакета оболочки единичной площади где, (11), 1 -плотность внешнего слоя, H -толщина пакета, k =h/H где h – толщина среднего слоя, = 2/1-параметр плотности пакета, 2 плотность среднего вспененного слоя.

Для обеспечения мореходных качеств при увеличении объема конструкций, расположенных выше ватерлинии, необходимо обеспечить положение центра тяжести судна возможно близко к условию сохранения малой метацентрической высоты. При определении суммарной массы верхней части корпуса необходимо и правомерно учитывать не только массу собственно корпусных конструкций, но и массу изоляции и элементов отделки внутренних поверхностей интерьеров помещений, ограниченных верхней частью. Поэтому для верхней части корпуса целесообразно применять многофункциональные конструкции, являющиеся одновременно корпусными и образующими поверхности интерьера внутренних помещений, а также выполняющими изолирующие функции. Примером таких конструкций являются многослойные оболочки из разнородных материалов. Под оболочкой понимается конструкция, прочность которой обеспечивается за счет формы поверхности. Проектирование оболочки методом оптимизации ее массы из условия восприятия заданной внешней нагрузки позволяет обеспечить значительный выигрыш в массе по сравнению с традиционной конструкцией.

В подразделе 2.5. указывается, что для судов, движущихся в переходном режиме до «горба сопротивления», применяются круглоскулые обводы или обводы упрощенной формы, а для судов, движущихся в режиме с большой долей сил динамического поддержания после «горба сопротивления», применяются остроскулые обводы. Все перечисленные типы обводов имеют широкое распространение. Существует достаточно большое количество построенных катеров-прототипов. В первом приближении целесообразно выбрать прототип, имеющий коэффициент полноты водоизмещения 0, и главные размерения L0, B0, T0, близкие к расчетным. Путем аффинных преобразований могут быть получены уточненные значения главных размерений, привязанные к обводам подводной части корпуса. При этом проектант располагает одновременно гидродинамической моделью, прошедшей эксплуатационную апробацию. Очень важным при этом является вопрос обеспечения остойчивости при применении данных обводов. Для этого необходима проверка условия обеспечения малой метацентрической высоты.

Перераспределение масс между верхней и нижней поверхностями корпуса позволяет решить три важных задачи проектирования:

- улучшить мореходные качества спроектированного судна за счет повышения его остойчивости;

- повысить обитаемость судна за счет увеличения объемов надводной части корпуса и его верхних строений с одновременным обеспечением остойчивости и мореходных качеств в необходимых пределах;

- повысить весовую эффективность судна, уменьшив массу корпуса и увеличив полезную нагрузку.

Повышение весовой эффективности малого разъездного, прогулочного или спасательного судна, особенно скоростного, является одной из важных задач его проектирования. Образовавшийся резерв водоизмещения может быть использован для увеличения пассажировместимости. Может быть установлено дополнительное оборудование, в т.ч. главные двигатели большей мощности, выполнена дополнительная термозвукоизоляция, увеличен запас топлива и питьевой воды и решен ряд других задач.

В разделе 3 рассматриваются изменения конструкции и качеств судна, являющиеся следствием применения верхних строений в виде многослойной оболочки.

В подразделе 3.1. проанализирована трансформация архитектурно компоновочных решений малых судов на протяжении последней четверти двадцатого века. Сформулированы принципы повышения обитаемости, приведены примеры решения компоновочных задач.

В подразделе 3.2. произведено определение области оптимального применения многослойных оболочковых конструкций для верхних строений. В качестве направлений определены повышение обитаемости судна при обеспечении мореходных качеств и улучшение мореходных качеств за счет повышения остойчивости, а также повышение весовой эффективности судна. Проанализирована аварийная статистика гибели судов, связанной с заливанием и потерей остойчивости. Предложен алгоритм расчета массы надстройки и положения ее центра масс по вертикали методом последовательных приближений. Проведен сравнительный анализ и расчеты массовых характеристик верхних строений традиционной конструкции и многослойных оболочек различной конструкции. В результате произведенного анализа и расчетов сделан вывод, что оптимально применение многослойных оболочек в качестве верхних строений судов длиной до 20 м.

В подразделе 3.3. приведены критерии оценки изменения мореходных качеств судна. В качестве основных критериев принимаются изменения кренящего момента от действия ветра, нагрузки от обледенения, изменения минимального надводного борта, поперечной метацентрической высоты и параметров качки.

В разделе 4 рассматриваются вопросы практического создания металлополимерной конструкции.

В подразделе 4.1. рассмотрены по применимости для многослойных оболочек металлические и полимерные композиционные материалы.

Разработка композиционного материала включает три разных задачи.

Это создание или синтез отдельных компонентов композита, разработка метода применения самого композита в виде законченной конструкции и разработка технологии изготовления изделия. Сумма затрат на решение этой триединой задачи определяет стоимость применения того или иного композиционного материала. Получение металлических композиционных материалов на основе алюминиевых сплавов в качестве полуфабрикатов возможно твердофазным и жидкофазным способами. При помощи твердофазного способа получения могут быть изготовлены композиты для корпусных конструкций: “сэндвичевые” конструкции и пакеты из монослоев. Для создания композитного материала, получаемого непосредственно на стапеле в процессе изготовления конструкции, можно применять листовые и профильные алюминиевые полуфабрикаты. Проанализированы сэндвичевые и сотовые конструкции. Рассмотрены трехслойные панели с каркасированым средним слоем, разработанные ЦНИИ КМ "Прометей".

Многослойные листы, состоящие из последовательно чередующихся слоев алюминиевых сплавов и полимеров, получили в отечественной практике название алор. Толщина таких пакетов может составлять от 1, до 2,3 мм в зависимости от количества слоев. Слоистые композиты позволяют увеличить применение высокопрочных материалов, обеспечивая повышение их надежности, и способствуют росту весовой эффективности изделий. Слоистые листы менее чем обычные чувствительны к концентраторам напряжений в виде отверстий.

Испытания слоистых листов на малоцикловую усталость выявили повышение долговечности по отношению к обычному листу на 20-30% у клееных листов и, примерно, в два раза у полученных прокаткой.

Имеется опыт изготовления из алора деталей крыла и фюзеляжа летательных аппаратов. Один из современных классов материалов составляют пенометаллы. Плотность пенометаллов мала и составляет 0,05…1,0 г/ куб. см. Некоторые из них с закрытой пористостью способны плавать в воде. Уделено внимание влиянию клеевых соединений и марок применяемых клеев на характеристики конструкций. Рассмотрена физика явлений, происходящих на границе раздела. Определены проблемы путей стабилизации адгезионной прочности в условиях действия воды, нагрева, механических нагрузок и других факторов.

Рассмотрены результаты исследований сравнительных качеств феноло - каучуковых и эпоксидных клеев холодного отверждения.

В подразделе.4.2. рассмотрены массовые параметры многослойной оболочки. Предложена расчетная модель для определения массы единицы площади оболочки. Предложены формулы для расчета массы всей оболочки в целом, каждого из слоев в отдельности.

Проанализирована зависимость массы конструкции от толщины слоев оболочки, размеров сечения связей каркаса среднего слоя, толщины и плотности заполнителя среднего слоя. Рассмотрен вопрос влияния на массу конструкции количества клеевых соединений и марок клеев.

В подразделе 4.3. рассмотрены механические характеристики, а также способы расчетов прочности и устойчивости узлов и элементов конструкции. В качестве расчетных нагрузок, действующих на надстройку или рубку малого судна, принимаются нагрузки от общего изгиба корпуса судна и местные нагрузки. К ним следует добавлять динамически приложенные нормальные усилия от действия волн у малых водоизмещающих судов. У судов с динамическими принципами поддержания такими нагрузками следует считать усилия, возникающие при зарывании судна во встречную волну, при нарушении режима движения. Рассмотрен вопрос нормирования нагрузок, действующих на надстройку. Предложен метод разбиения поверхности надстройки на элементы для выполнения расчетов прочности. Деление позволяет отнести каждый из элементов к одному из основных типов многослойных оболочек, по каждой из которых существует методика расчета:

плоская трехслойная пластина, цилиндрическая трехслойная оболочка коническая трехслойная, оболочка нагруженные осевой нагрузкой;

плоская трехслойная пластина, цилиндрическая, коническая, сферическая трехслойная оболочка, нагруженные распределенной нагрузкой, направленной нормально к поверхности;

плоская трехслойная пластина, нагруженная распределенной нагрузкой или изгибающим моментом на ограниченной площади, направленными нормально к поверхности;

плоская трехслойная пластина, цилиндрическая, коническая, сферическая трехслойная оболочка, нагруженные распределенной нагрузкой или изгибающим моментом на ограниченной площади, направленными нормально к поверхности;

Проанализированы результаты исследований зависимости механических характеристик конструкции от толщины внешней и внутренней оболочек и других параметров.

В подразделе 4.4. предложена конструкция надстройки в виде многослойной оболочки с внешними слоями из легких сплавов.

Придание поверхности сложных форм требует изготовления специальной оснастки для прессования отдельных ее элементов, что повышает стоимость конструкции. Использование в конструкции оболочки поверхностей, разворачивающихся на плоскость, не требующих обработки давлением, позволяет применять минимум оснастки и приспособлений и добиваться хороших экономических показателей. Рассмотрен вопрос применения в конструкции трехслойных панелей, разработанных ЦНИИ КМ "Прометей".

Рассмотрены вопросы конструктивного снижения монтажных напряжений, возникающих при послойном формировании изделия.

Обоснован вывод о необходимости секционирования "сэндвича" клетчатым каркасом профиля из легкого сплава. Рассмотрены вопросы многофункционального использования внутреннего слоя, являющегося деталью интерьера судна.

В подразделе 4.5. разработан и скомпонован комплекс технологических процессов, мероприятий по технике безопасности, пожарной безопасности и производственной санитарии достаточный для изготовления надстройки многослойной оболочковой конструкции на предприятии, обладающем необходимым набором оборудования и Рис. 7. Катер пр. 82340 с надстройкой многослойной оболочковой Рис. 8. Общее расположение катера пр. персоналом. Технологические процессы разработаны на основании отраслевых стандартов семейства ОСТ5.

Раздел 5 посвящен обобщению изложенных выше рекомендаций в качестве практической методики, опирающейся на положения и принципы, изложенные в данной работе, приспособленной к практике работы конструкторских организаций.

В подразделе 5.1. приведен перечень основных элементов методики, опирающихся на положения и принципы, изложенные в данной работе.

Приведен алгоритм проектного обоснования катера или малого судна разъездного, прогулочного или спасательного назначения, имеющего верхние строения многослойной оболочковой конструкции.

В подразделе 5.2. выполнено технико-экономическое обоснование модернизации малого водоизмещающего катера. В качестве объекта модернизации выбран проект 371У полуоткрытой компоновки совмещающий стальной корпус, имеющий мореходные круглоскулые обводы, одновальную механическую установку, деревянную палубу и надстройку. Достоинства и недостатки этого проекта рассматривались в первом разделе работы. Обоснована целесообразность модернизации малого водоизмещающего катера проекта 371У по проекту 82340. При модернизации проекта 371У по проекту 82340, изменяются следующие характеристики:

архитектурно-конструктивный тип катера меняется от полуоткрытого к закрытому типу, что более рационально в условиях климата нашей страны;

появляется возможность перемещения внутри помещений от носа до кормы, не выходя при этом на открытую палубу, что повышает безопасность нахождения на катере;

улучшаются условия на рабочем месте судоводителя;

объем пассажирских помещений увеличивается примерно в два с половиной раза, повышается уровень комфорта, снижается уровень шума в помещениях;

появляется полноценная прогулочная палуба;

надстройка катера становится долговечной и не требует сложного улучшается естественное освещение судовых помещений и обзор расширяется поле применения судна;

при модернизации значительно экономятся финансовые средства по сравнению постройкой нового судна при одновременном получении того же набора качеств;

повышается конкурентоспособность судна, растут ставки фрахта, снижаются затраты по страхованию;

повышается безопасность плавания.

В подразделе 5.3. рассмотрен вопрос соотнесения применения многослойных оболочек для судов различных типов длиной до 20 м с Правилами отечественных классификационных обществ. Сделан вывод о том, что Правила Российского Речного Регистра, в ряде случаев, прямо рекомендуют применение многослойных оболочковых конструкций для верхних строений.

Рис. 9. Перспективный тип скоростного катамарана с надстройкой многослойной оболочковой металлополимерной конструкции. Общий Российский Морской Регистр судоходства может дать согласие на применение конструкций судна иных, чем это предусмотрено Правилами, при условии, что они являются одинаково эффективными по отношению к определенным Правилами.

В подразделе 5.4. указано, что использование предложенной методики позволяет создавать суда других типов, отличающиеся высокой весовой эффективностью, в частности скоростные пассажирские малоразмерные мелкосидящие катамараны.

Предложенные конструкция и технология могут быть использованы для изготовления надстроек и рубок АСВП.

В заключении подведены итоги исследовательской работы и сформулированы следующие выводы:

Методика проектирования катера или малого судна разъездного, прогулочного и спасательного назначения, имеющего верхние строения в виде многослойной оболочки, позволяет проектировать суда имеющие хорошую обитаемость и высокие мореходные качества.

Предложенный способ позволяет повышать весовую эффективность малого судна и использовать резерв водоизмещения, образовавшийся за счет снижения массы верхних строений, для повышения полезной нагрузки судна при обеспечении его мореходных качеств.

Предложенный способ позволяет существенно улучшить обитаемость малого судна без изменения его подводной части с обеспечением мореходных качеств, что позволяет повысить потребительские качества судна.

Способ определения ожидаемых изменений мореходных качеств судна, являющихся следствием применения оболочки для верхних строений, может быть использован как при новом проектировании, так и для модернизации существующих катеров и малых судов.

Обобщение результатов теоретических и прикладных исследований, а также натурных экспериментов в области прочности многослойных оболочек и панелей в приложении к надстройке малого судна позволяют разработать работоспособные расчетные схемы для расчетов прочности надстроек и рубок малых судов.

Разработанная конструкция надстройки в виде металлоплолимерной оболочки, а также технологические процессы ее изготовления позволяют создавать надстройки, рубки и другие верхние строения разъездных, прогулочных и спасательных катеров различных конфигураций и размеров.

Проект опытного образца судна 82340 согласован Российским Речным Регистром без отступлений от Правил. Судно построено по проекту 82340 под техническим наблюдением Речного Регистра России. Этим учреждением выдан установленный пакет документов, подтверждающий годность судна к плаванию.

Проектирование, постройка, испытания и сертификация опытного металлополимерной оболочковой конструкции, позволяют использовать отработанные технические решения для разработки новых проектов судов, содержащих нестандартные архитектурно – компоновочные решения. На базе отработанных в проекте решений разработано техническое предложение (аванпроект) скоростного пассажирского малоразмерного мелкосидящего катамарана.

Сравнение результатов расчетов, выполненных при проектировании и полученных на испытаниях опытного образца судна, с качествами прототипа дают возможность использовать разработанный проект 82340 для модернизации катеров проекта 371У. Проект приобретен Ярославским судостроительным заводом для модернизации катеров проекта 371У. Закончены работы на первом судне установочной серии. Срок сдачи судна - декабрь 2005 года.

Публикации Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Францев М.Э., "Применение многослойных оболочковых конструкций на матрице из легких сплавов для надстроек, рубок и других надпалубных элементов малых судов" Журнал "Судостроение", № 1, 2005 г. с. 32- Францев М.Э., "Улучшение эксплуатационных качеств малого судна за счет применения многослойных оболочек на матрице из легких сплавов". Журнал "Речной транспорт (ХХ век)", № 1, 2005 г. с. 32- Францев М.Э., "Скоростной катамаран - перспективное судно для пассажирских перевозок в Москве". Журнал "Речной транспорт (ХХ век)", № 6, 2005 г. с. 56- Францев М.Э., "Адмиральскому" катеру - вторую жизнь!" Журнал "Речной транспорт (ХХ век)", № 5, 2003 г. с. 32- Францев М.Э. Опять клепка. Прошлое или будущее? Журнал Капитанклуб, 2000, № 5, стр. 29.

Францев М.Э., Царев Б.А., Юдкина Ю.В. Тенденции развития проектных исследований по скоростным судам. Материалы конференции «Моринтех»-2005». Сборник тезисов докладов. СПб, «Моринтех», 2005, стр. 17-19.