Прочность и конструкция корпуса

Основной элемент констру1рдии любого подводного корабля — прочный корпус, представляющий собой сочетание круговых цилиндрических и конических оболочек, которые подкреп-У1ены поперечными ребрами жесткости — шпангоутами. В практике зарубежного подводного кораблестроения применяют также прочные корпуса с поперечным сечением в виде овала, вертикальной или горизонтальной «восьмерки» (рис. 35). На подводных танкерах нередко используют конструкции с не сколькими прочными корпусами. Трехкорпусной выполнена и голландская боевая подводная лодка «Зеехунд». Применение подобной конструкции в данном случае было обусловлено стремлением увеличить глубину погружения без изменения марки материала и толщины обшивки за счет уменьшения диаметра прочного корпуса.

Прочные корпуса современных подводных лодок выполняют сварными, с двухсторонней приваркой набора к обшивке непре-

Прочность и конструкция корпуса

Рис. 35. Поперечные сечения подводных лодок.

/ — однокорпуоная конструкция — «Скнпджек> (США); //— полу-торокорпусная конструкция — «Порпойз> (Англия); /// — двухкор-пусная конструкция: а —XXI серия (Германия); 0 — 1—400 (Япония); в — «Трешер> в районе носового отсека (США); г —«Дель» фин» (Голландия); в — проект подводного танкера (США).

рывным швом. Шпангоуты имеют в сечении вид таврового профиля. Применяют наружный и внутренний набор. Наружные шпангоуты приходится усиливать из-за более интенсивной кор-розци, вместе с тем такие шпангоуты улучшают условия использования внутренних объемов и могут выполнять роль набора легкого корпуса. Кроме того, по мнению американских специалистов,* наружные шпангоуты лучше обеспечивают устойчивость оболочки при обжатии прочного корпуса.,Практически выбор того или иного расположения набора определяется архитектурным типом корпуса. В американском и английском подводном кораблестроении для однокорпусных конструкций приме няют внутренние, а для двухкорпусных — наружные шпангоуты. В связи с увеличением длины отсеков атомных лодок стали широко применять конструкции с рамными шпангоутами, чере-дуюшимися с обычными через определенное число шпаций.

Для подкрепленной цилиндрической (или конической) оболочки, подверженной внешнему гидростатическому давлению, различают три основных вида разрушений:' потерю устойчивости обшивки между шпангоутами; потерю устойчивости всей оболочки вместе с подкрепляющими ее шпангоутами; разрушение конструкции вследствие текучести материала обшивки.

Характер разрушения определяется конструктивными элементами прочного корпуса (радиусом корпуса /?, величиной шпации /, толщиной обшивки і) и свойствами корпусного материала (пределом текучести От и модулем упругости Е). По мнению американских специалистов 2, характер разрушений определяется коэффициентом (фактором) гибкости

Прочность и конструкция корпуса

При ?1<0,8, как правило, наблюдается текучесть обшивки, при ?1>1,0 — потеря ею устойчивости, а условие 0,8<?1<1,0 соответствует переходной зоне, в которой появление этих двух видов разрушений может считаться равновероятным.

Общая потеря устойчивости оболочки между поперечными переборками происходит подобно потере устойчивости обшивки между шпангоутами, причем меньшей величине критического давления^ соответствуют большая длина отсека и меньшая жесткость подкрепляющих ребер.

При проектировании прочных корпусов подводных лодок зарубежные специалисты стремятся к созданию конструкции, в которой все три вида нарушений, прочности и устойчивости происходили бы одновременно. Это дает возможность спроектировать прочный корпус минимального объемного веса. Вместе с тем для этого необходимы надежные методы расчета критического давления, основанные на теории пластичности. Подобные методы, разработанные в США, используются в американском подводном кораблестроении*. Зависимость минимального теоретического объемного веса спроектированного подобным образом цилиндрического прочного корпуса от расчетной глубины погружения показана на рис. 36.

Для сравнительной оценки конструкций прочных корпусов подводных лодок в зарубежной кораблестроительной практике пользуются следующими коэффициентами':

фактором давлениямодифицированным фактором давленияи фактором эффективности конструкцийгде ррасч —расчетное давление; ^1 — приведенная толщина обшивки (с учетом площади шпангоута:, «размазанной» по длине шпации); а— теоретический объемный вес прочного корпуса, а все остальные обозначения остаются прежними.

Величины указанных коэффициентов для американских подводных лодок военной и послевоенной постройки показаны на рис. 37 (коэффициенты г|) и Ф — безразмерные, а т1о имеет раз.мерность длины — дюймы), Американским специалистам удалось снизить объемный вес прочных корпусов своих подводных лодок до значений, весьма близких к минимальным. Так, при Ррасч = 30,5 кГ/сж2 и т)с=11,8 определяемая из формулы (71) величина объемного веса а равна 100 кг1м^, а по данным рис. 36 эта же величина составляет 90 кг/м?.

Высокие значения фактора давления (1])= 1,0—Г,2), представляющего собой отношение допускаемых напряжении к пределу текучести материала в известной формуле t = ^р"** ,

Одопсвидетельствуют о том, что американские нормы допускают появление в продольных сечениях обшивки посредине пролета напряжений, близких или даже превышающих предел текучести.

Прочность и конструкция корпуса

Коэффициенты г|) и Ф устанавливают также зависимость между геометрическими характеристиками прочных корпусов подводных лодок, расчетным давлением и пределом текучести корпусного материала. В частности, толщину обшивки определяют путем преобразования выражения (69)

а коэффициент жесткости шпангоутов к = (где Р — пло щадь поперечного сечения профиля шпангоута) после несложных преобразований приводят к виду

* = ,73,

Как следует из формулы (72), ориентировочные значения толщины обшивки американских атомных подводных лодок достигают, мм: «Скейт», «Скипджек» — 25—30; «Наутилус» — 30—35;- «Трешер» — 35—40. Величины к соответственно равны 0,20—0,25; 0,15—0,20 и 0,25—0,30.

Величину шпации прочного корпуса выбирают в зависимости от его диаметра, характеристик материала и расчетной глубины погружения. На боевых подводных лодках американской постройки она принята равной 2,5 футам (762 мм) На подводных транспортных судах величина шпации достигает 1000—1200 мм (табл.24).

По мнению иностранных специалистов, прочные кор-

Прочность и конструкция корпуса

пуса подводных лодок необходимо рассчитывать также на усталостную прочность, учитывая, что число циклов «погружения — всплытия» достигает у современных лодок 10 000—30 000. Наличие концентрации напряжений, остаточные напряжения от гибки и сварки, коррозия, вибрация и т. п. приводят к тому, что текучесть материала прочного корпуса может возникнуть в отдельных местах конструкций на глубинах, значительно меньших, чем предельная. Текучесть материала вызывает появление

Таблица 24

Характеристики прочных корпусов подводных транспортных судов

Тип Судна

Расчетная глубина погружения.

Предел текучести материала.

Радиус прочного корпуса, мм

Толщина обшивки, мм

R S Я

« пэ

Примечание

Танкер дедвейтом 20 ООО т американского проекта

450

29—35

5360 3950

76 60

 

Район отсеков энергетическойустановки Район жилых отсеков

Рудовоз «Мобн Дик»

180 90

25

И ООО 10 050

89

57

1220 762

Район жилых отсеков Район грузового отсека. Применено внутреннее воздушное противодавление 9 кГ/сж2

Танкер проекта Горо Сото

180

60

11 ООО

30

1000

Район отсеков энергетической установки

Танкер японского проекта

180—200

40

6500

38

 

Район реакторного отсека

растягивающих напряжений при всплытии корабля, что ведет к возникновению знакопеременного цикла нагрузки. Считается, что глубцна, соответствующая моменту появления текучести в местах концентрации напряжений, не должна быть меньше 72% рабочей глубины для прочного корпуса из стали марки НУ-80 или 93% для корпуса из стали марки НУ-100.

Следующий этап расчета — проверка динамической равно-прочности элементов корпуса, производимая для случая воздействия на лодку стандартного подводного взрыва. В результате этой проверки также могут быть уточнены размеры отдельных корпусных конструкций.

Прочный корпус подводной лодки не только испыт^>шает воздействие гидростатического давления, но совместно с присоединенными массами воды является своеобразной упругой системой, совершающей периодические колебания. По характеру колебаний различают вибрацию общую и местную. Общая вибрация корпуса подводной лодки складывается, как правило, из продольных, поперечных горизонтальных и крутильных колебаний (рис. 38). При отсутствии осесимметрии корпуса лодки могут возникать также поперечные вертикальные колебания.

Нормальные напряжения в прочном корпусе, обусловленные вибрацией, обычно незначительны, однако эти 'колебания снижают усталостную прочность конструкций, отрицательно влияют на работу механизмов и оборудования, на самочувствие личного состава, а также на стабилизацию режима течения воды в пограничном слое'. ; I

За рубежом большое внимание уделяют совершенствованию методов расчета сложных конструктивных узлов прочного корпуса — в местах изменения его диаметра, перехода цилиндрических оболочек в конические, установки поперечных переборок, прохода через прочный корпус ракетных шахт и т. п.2.

Сопряжение цилиндрических или конических отсеков разного диа-< метра осуществляют на современных лодках с помощью переходных конических обечаек с углом конусности 30°. Вес подобной конструкции перехода значительно меньше, чем у применявшихся ранее конструкций (стыкование цилиндров разного диаметра на поперечную переборку, подкрепленную продольными бракетами).

Крайние шпации отсеков, прилегающие к поперечным переборкам, американские специалисты рекомендуют выполнять на 87о длиннее, а площади ближайших к переборке шпангоутов на 23% больше, чем обычно. Это позволяет повысить прочность и устойчивость конструкций в районах появления больших из-гибных напряжений.

По мнению иностранных специалистов^, особенно сложна конструкция ракетного отсека подводного ракетоносца. Длина стартовых шахт превышает диаметр прочного корпуса, поэтому

Прочность и конструкция корпуса

их приходится пропускать через обшивку корпуса в верхней части и жестко закреплять в нижней. Таким образом, шахты служат своеобразными пиллерсами, препятствующими обжатдю прочного корпуса под действием гидростатического давления в вертикальном направлении. Правда, это ведет к появлению больших местных изгибных напряжений, для воспринятия которых необходимо усиливать обшивку и набор. Для подкрепле-

Прочность и конструкция корпуса

Рис, 39. Конструкция ракетного отсека атомногоподводного ракетоносца.

/ — надстройка; 2 — прочный корпус; 3 — стартовая шахта; 4 —приборы управления.

ния вырезов в местах прохода стартовых шахт через прочный корпус рекомендуется устанавливать утолщенные вварные листы. Конструкция ракетного отсека американского современного атомного ракетоносца показана на рис. 39 (см. также рис. 11).

Прочные корпуса атомных подводных лодок разделены поперечными водонепроницаемыми переборками на пять-десять отсеков. На лодках применяют, как правило, плоские поперечные переборки, полотнища которых подкреплены вертикальными стойками, опирающимися на прочный корпус и платформы (рис. 40). Вес плоских переборок приблизительно такой же, как и равнопрочных сферических, способных воспринимать нагрузку только с одной (вогнутой) стороны; они значительно сложнее плоских в технологическом отношении.

Поперечные переборки отсеков-убежищ американских подводных танкеров предполагают рассчитывать на такую глубину, с котррой еще возможно осуществить спасение экипажа (100—150Остальные водонепррницаемые переборки должны выдерживать давление 6—9 кГІсм^. Аналогичные нормы прочности переборок приняты, вероятно, для атомных подводных лодок ВМС США 1.

Все цистерны вспомогательного балласта, если они размещены в междубортном пространстве, выполняют прочными. При внутреннем расположении цистерн прочную конструкциюимеют цистерны главного, а также часть цистерн вспомогательного балласта. На американских подводных лодках к их числу относятся днфферентные и уравнительные цистерны и цистерна быстрого погружения.

Прочная рубка в виде горизонтально расположенного цилиндра диаметром 2,2 м сохранилась лишь на атомной лодке «Тритон». На других подводных кораблях рубка заменена выходной шахтой — вертикальным цилиндром или усеченным конусом со средним диаметром около I м и высотой 3,5—4,5 м.

На лодках типов «Трешер» и «Таллиби» к прочным конструкциям относится также носовая сфера (внутренний диаметр — 3360 л«л«), ^ служащая опорой под фундаменты элементов антенны гидроакустической станции. В сфере размещена аппаратура гидроакустики, доступ к которой из прочного корпуса осуществляется через переходной конус. Толщина обшивки сферы 20,6 мм. Допускаемые отклонения от правильной сферической формы составляют —12,7—-f 6,4 мм (для цилиндрических отсеков допускаемые отклонения, по американским нормам, составляют 0,0004 или ^ мм при диаметре прочного корпуса 10 иі).

Конструктивное оформление легкого корпуса определяет архитектурный тип подводной лодки. По архитектурному типу современные подводные корабли подразделяются на следующие три основные группы (см. рис. 35):

— однокорпусные — один прочный корпус, заканчивающийся в оконечностях легкими обтекаемыми конструкциями;

Прочность и конструкция корпуса

■— двухкорпусные — прочный корпус на всей длине заключен в наружный легкий корпус, а междубортное пространство используют для размещения балластных цистерн;

— полуторакорпусные — легкий корпус занимает не весь периметр прочного. Полуторакорпусная конструкция применена на некоторых типах дизель-электрических лодок, а также в проекте атомного подводного сухогрузного транспорта, в?>іпол-ненного английской фирмой Митчел Энджиниринг.

Большинство атомных подводных лодок капиталистических государств относится к кораблям смешанного архитектурного типа, имеющим по длине прочного корпуса однокорпусные и двухкорпусные участки. На подводных лодках типов «Скипджек» и «Джордж Вашингтон», например, двухкорпусные конструкции размещены в райрне носового торпедного отсека и отсека вспомогательных механизмов.

Архитектурный тип транспортных подводных лодок определяется характеристиками и плотностью перевозимого груза. Подводные нефтеналивные суда проектируют только двухкор-пусными, причем очень часто применяют конструкцию с несколькими прочными корпусами. Междубортное пространство подводных танкеров используют под танки для перевозки жидкого груза. Легкие корпуса таких судов набраны по продольной системе, что повышает их продольную лрочцость при плавании в надводном положении.

В отличие от нефтеналивных судов, проектируемые подводные сухогрузные транспорты, предназначенные, как правило, для перевозки грузов внутри прочного корпуса, имеют одно-, двух- и полуторакорпусные конструкции.

Для обшивки и набора оконечностей, цистерн главного балласта, надстройки, ограждения выдвижных устройств применяют сталь с меньшим пределом текучести, чем для прочного корпуса.

Расчетными нагрузками для легки'х конструкций являются волновые нагрузки при плавании на поверхности (2,5—5 Г/лі^) или взрывные нагрузки, рассчитанные из условия обеспечения равнопрочности всех конструкций лодки при стандартном под-. водном взрыве. Ограждения выдвижных устройств и надстройки некоторых атомных лодок ВМС США выполнены усиленными, что дает, возможность лодкам всплывать в битом льду или пробивать лед толщиной до 1 м.

Для того чтобы снизить вес высокорасположенных корпусных конструкций, при их изготовлении начали применять легкие алюминиевые сплавы. Однако подобная комбинация стали и алюминия вызывает сильную электрохимическую коррозию, материала. Для защиты от коррозии на лодках устанавливают цинковые протекторы, устраняют места соединения разнородных металлов, вводя резиновые или пластмассовые прокладки,

а также применяют системы наложения на корпус отрицательного потенциала от внешнего источника электрического тока. Последняя система катодной защиты использована на английской атомной лодке «Дредноут». Автоматическая аппаратура системы позволяет регулировать силу защитного тока в зависимости от температуры и солености воды, состояния окраски и режима плавания подводного корабля Ч

В труднодоступных местах конструкций легкого корпуса в США применяют полиуретановый пенопласт с удельным весом 320—640 кг/м^, обладающий хорошей стойкостью в морской воде, водонепроницаемостью и упругостью. Способ использования пенопласта прост: предварительно подогретые до 20—25° С конструкции заливают пенопластом. Общий вес пенопласта на лодках достигает 90—180 т.

В США и Англии проводились эксперименты по изготовлению надстроек и ограждений выдвижных устройств из стеклопластика. Пластмассовое ограждение было, например, установлено на американской дизель-электрической лодке «Хафбик». Толщина обшищш равнялась 6,5 мм, а высота подкрепляющих ребер достигала 100 мм; ограждение весило 3,36 г, т. е. вдвое меньше, чем подобное ограждение, выполненное из стали.

Предыдущая глава Оглавление Следующая глава