Прочные корпусные конструкции пл

Под прочными корпусными конструкциями понимают конструкции, предназначенные для организации внутренних объемов ПЛ и воспринимающие полное забортное гидростатическое давление (рис. 7.1) [135].

К прочному корпусу и равнопрочным ему конструкциям предъявляют следующие требования:

— они должны иметь простые геометрические формы (цилиндр, конус, сфера);

— выдерживать эксплуатационные и испытательные нагрузки;

— обеспечивать размещение и обслуживание боевых и технических средств;

— иметь минимально необходимое количество наружных отверстий

— быть ремонтопригодными конструкциями.

Прочный корпус. Прочный корпус подводной лодки состоит из цилиндрических и конических оболочек (обшивки), подкрепленных кольцевыми ребрами жесткости (шпангоутами) и межотсечными переборками. С торцов оболочки корпус оканчивается прочными концевыми переборками (рис. 7.1).

Шпангоуты прочного корпуса выполняются либо из катаных профилей бульбового или таврового сечения, либо сварными таврового профиля, и по отношению к обшивке могут быть внутренними или наружными.

В состав конструкции прочного корпуса входят узлы и районы, которые имеют конструктивные особенности по сравнению с основной частью корпуса. Особенность указанных районов заключается в наличии дополнительных подкреплений для снижения напряженного состояния конструкции в связи с наличием:

— притыкающихся элементов повышенной жесткости (переборок, усиленных шпангоутов, прочных цистерн и т.п.);

— конструктивных изломов оболочки;

— вырезов, вварышей и комингсов;

- увеличенных отклонений от правильной круговой формы;

— дополнительных локальных статических нагрузок.

Для определения характеристик прочного корпуса, в том числе, его массы, важен этап расчетного определения элементов основной части корпуса (толщины обшивки, шпации, профиля шпангоута), оболочки корпуса в районе конструктивных особенностей, концевых переборок, а также прочных цистерн [123].

Для выполнения расчетов необходимо определение геометрической схемы прочного корпуса с разбивкой его на отсеки. Для каждого отсека выполняются расчеты статической прочности обшивки, шпангоута, расчеты устойчивости обшивки в шпации и отсека в целом. Расчеты выполняются с варьированием элементов конструкции в основном, толщины обшивки и шпации, с целью определения оптимального по весовым характеристикам варианта. В отдельных случаях расчеты выполняют с заданными ограничениями но высоте внутреннего шпангоута — для удовлетворения требований общего расположения габаритного оборудования, размещаемого внутри прочного корпуса.

При проверке прочности прочного корпуса подводных лодок за расчетную нагрузку принимается давление, при котором может наступить разрушение конструкций. Аналогично тому, как это делается при расчете других инженерных сооружений, расчетное давление назначается с некоторым запасом по отношению к наибольшей эксплуатационной нагрузке. В качестве такой нагрузки принимается давление, соответствующее предельной глубине погружения лодки.

В связи с невозможностью чисто теоретического обоснования величины запаса прочности он выбирается на основании накопленного опыта подводного кораблестроения. Для рассматриваемого класса кораблей принимается:

Помимо общего запаса по нагрузке, нормируются допускаемые напряжения для всех элементов корпуса и запасов устойчивости. При выборе норм и запасов в основу положены результаты экспериментальных исследований, проведенных на образцах, упрощенных моделях и опытных крупномасштабных конструкциях, а также сведения о повреждениях корпусов в процессе эксплуатации подводных лодок. В нормах прочности учтены: характер конструкций, степень их ответственности, многократность воздействия нагрузок и специфические свойства материала, влияющие на работоспособность конструкций. Нормы выбираются исходя из обеспечения работы прочных конструкций в упругом состоянии вплоть до расчетной глубины погружения.

Проверка прочности обшивки производится по средним напряжениям в продольных сечениях посередине пролета между шпангоутами (точка 1 на рис. 7.2) и по суммарным напряжениям в поперечных сечениях у шпангоутов (точка 2).

Для шпангоутов нормирование прочности ведется по суммарным напряжениям в свободном пояске, которые вызваны обжатием шпангоута (точка 3). В этих сечениях напряжения достигают наибольшей величины. В практике проектирования корпусных конструкций прочного корпуса за рубежом, учитывая, что суммарные напряжения в средней части стенки шпангоута меньше, делают отверстия для прохода труб и кабелей. Это упрощает общее расположение оборудования в отсеках ПЛ.

При исследовании устойчивости прочного корпуса задача сводится к расчету критического давления для различных форм потери устойчивости. Расчетные зависимости для определения критического давления получены в предположении, что материал прочного корпуса остается упругим вплоть до момента потери устойчивости, и ПК имеет идеально правильную форму. В реальных условиях эти предположения не оправдываются: потеря устойчивости обычно происходит при напряжениях, превосходящих предел пропорциональности материала, а в прочных корпусах, изготавливаемых с применением сварки, неизбежно появляются отклонения от правильной круговой формы.

При достижении внешним давлением определенной (критической) величины оболочка теряет устойчивость с образованием на поверхности чередующихся вмятин и выпучин. Для цилиндрической оболочки, подкрепленной шпангоутами, возможны два основных вида потери устойчивости:

1. Местная потеря устойчивости обшивки между шпангоутами с образованием большого числа волн по периметру (потеря устойчивости обшивки). Местная потеря устойчивости оболочек может происходить в виде вытянутых по периметру окружностей волн, число которых мало, и в пределе переходит в осесимметричный желоб, располагающийся между шпангоутами или с некоторым захватом шпангоутов.

При проектировании прочного корпуса характеристики оболочки и шпангоутов подбираются таким образом, чтобы потеря устойчивости обшивки между шпангоутами происходила при давлении

2. Общая потеря устойчивости оболочки со шпангоутами по всей длине отсека между межотсечными переборками (потеря устойчивости отсека в целом).

Устойчивость отсека в целом Pкр>k3*Pp обеспечивается выбором необходимого габарита шпангоута и конструктивными требованиями к элементам профиля шпангоута. Нормируется соотношение толщины стенки, высоты профиля, ширины пояска.

Устойчивость оболочки вместе со шпангоутами необходимо обеспечивать до более высокого уровня давления (k3 > k2). Запас по общей устойчивости позволяет обеспечить несущую способность прочного корпуса после образования на обшивке между шпангоутами ограниченных по глубине вмятин от воздействия взрыва или ка-ких-либо эксплуатационных причин. На этой стадии проектирования при выполнении расчетов прочности основной части корпуса производят выбор марки материала, обеспечивающего минимальную массу конструкции.

Целесообразно для унификации конструкции после определения толщины обшивки для одного характерного отсека (например, большей длины) принять ее за базовую и для других отсеков. С целью минимизации типоразмеров листового или профильного проката, необходимых для изготовления шпангоутов, также целесообразно проектировать шпангоуты для разных отсеков с одинаковыми толщинами стенки, полки, или из одного катаного профиля.

При этом необходимые геометрические характеристики профилей шпангоутов для разных отсеков обеспечиваются изменением высоты профиля и ширины полки. В связи с этим необходимо отметить, что весь прочный корпус трудно спроектировать оптимальным по массе без потери технологичности постройки.

Тип шпангоута выбирают, как правило, исходя из архитектуры ПЛ, требований по размещению оборудования и крупногабаритного вварного насыщения. Для однокорпусных участков или для участков, где размещение шпангоута в междубортном пространстве затруднено, шпангоуты выполняются внутренними. Для двухкорпусных участков, по возможности, — наружными, т.к. они улучшают условия размещения оборудования в отсеке. Выбор профиля шпангоута производится на основании расчетов, при выполнении которых учитывается тип шпангоута (внутренний или наружный), а также наличие в отсеке конструктивных изломов. При этом следует иметь в виду, что наружные изломы предпочтительнее внутренних, так как в первом случае усилие, возникающее по линии излома, действует против давления, а во втором — по направлению давления. Располагать изломы следует в средней части шпации, подкрепляя утолщением обшивки и усиленными шпангоутами (рис. 7.3).

Для практических целей при решении ряда задач расчета оболочек в районах конструктивных особенностей используется приближенный метод, базирующийся на представлении оболочки в виде множества одинаковых балок — полосок на сплошном упругом основании. Наряду с приближенными методами расчета существуют теоретические разработки в области использования численных методов решения задач теории оболочек на ЭВМ, разработаны соответствующие алгоритмы и программы. Эти программы позволяют рассчитывать напряженное состояние произвольных оболочек вращения переменной толщины, подкрепленных нерегулярными шпангоутами различной жесткости.

Использование численных методов решения задач на ЭВМ существенно расширило круг решаемых задач и позволило учесть в расчетной схеме нерегулярность конструкций.

Конструкция прочного корпуса в районе межотсечных переборок выполняется в виде утолщенного участка обшивки, толщина которой выбирается расчетом (рис. 7.4).

Конструкция прочной рубки и капсулы ГАК по своему составу аналогична прочному корпусу. Прочная рубка вваривается в прочный корпус, который в районе ее установки подкрепляется.