Уменьшение массы конструкции позволяет:
• увеличить полезную нагрузку;
• улучшить скоростные характеристики и топливную эффективность, уменьшить требуемую мощность энергетической установки;
• в ряде случаев — снизить стоимость судна.
КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ
Предлагаемые решения будем оценивать по трём основным критериям:
➊ СНИЖЕНИЕ МАССЫ
Ожидаемое уменьшение массы конструкции в процентах.
➋ ОТНОСИТЕЛЬНАЯ СТОИМОСТЬ
Затраты, необходимые для достижения снижения массы, включая стоимость материалов, производства и инженерных работ.
➌ ИНЖЕНЕРНЫЕ РИСКИ
Сложность реализации, чувствительность к ошибкам проектирования и производства, а также риски, связанные с производственными дефектами и повреждениями в эксплуатации.
Рассматриваемые методы можно объединить в четыре основные группы.
1. МАТЕРИАЛЫ И КОНСТРУКТИВНАЯ СХЕМА
Значительное снижение массы может быть достигнуто применением трёхслойных сэндвичевых конструкций с легковесным заполнителем. Они обеспечивают высокую жёсткость при относительно небольшой массе.
Другой путь — использование высокомодульных и высокопрочных волокон, включая углеродное волокно и арамидные волокна, например кевлар.
Такие материалы позволяют уменьшить массу армирования, однако обычно увеличивают стоимость и предъявляют более высокие требования к проектированию и технологии производства.
2. НОРМАТИВЫ И МЕТОДЫ ИНЖЕНЕРНОГО РАСЧЁТА
Выбор нормативной базы существенно влияет на массу конструкции. Не все правила и стандарты одинаково ориентированы на создание лёгких композитных конструкций.
Поэтому важно правильно определить нормативную нишу и использовать правила, соответствующие типу, назначению и условиям эксплуатации судна.
Большое значение имеет и применяемый метод расчёта. Более совершенные расчётные модели, включая анализ локальных нагрузок и применение численных методов, как правило, позволяют уменьшить избыточные запасы прочности и снизить массу.
При этом возрастают расходы на инженерные работы и требования к квалификации специалистов.
3. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
Масса конструкции зависит от выбранного производственного процесса.
Можно рассматривать следующие технологии:
• контактное формование;
• вакуумную инфузию;
• RTM;
• изготовление из препрегов;
• автоклавное формование.
При переходе к более совершенным технологиям обычно повышаются содержание волокна, стабильность свойств и качество ламината, а избыточное количество связующего уменьшается.
Это позволяет снизить массу и во многих случаях уменьшить технические риски. Одновременно возрастают стоимость оборудования, оснастки, контроля качества и подготовки производства.
4. РАЦИОНАЛЬНОЕ КОНСТРУИРОВАНИЕ
Существенный резерв снижения массы связан с рациональным выбором геометрии и интеграцией элементов конструкции.
К таким решениям относятся:
• использование кривизны оболочек и естественных элементов жёсткости;
• включение элементов обстройки в силовую схему корпуса;
• применение локальных усилений в местах концентрации нагрузок вместо увеличения общего армирования;
• уменьшение числа вторичных деталей;
• уменьшение числа секций и их укрупнение;
• уменьшение количества соединений;
• объединение нескольких функций в одном конструктивном элементе.
Укрупнение секций и сокращение количества соединений позволяют уменьшить массу соединительных элементов и местных усилений, а также снизить трудоёмкость сборки.
Однако размеры секций должны учитывать возможности производства, транспортировки, перемещения и монтажа.
ВЫВОД
Снижение массы необходимо рассматривать как комплексную инженерную задачу.
Наилучший результат обычно достигается не одним радикальным решением, а обоснованным сочетанием:
• лёгких и высокопрочных материалов;
• подходящей нормативной базы;
• современных методов расчёта;
• контролируемой технологии производства;
• рационального конструирования.
Каждое решение необходимо оценивать одновременно по величине снижения массы, относительной стоимости и уровню инженерных рисков.
Подробный анализ с численными значениями снижения массы, стоимости и рисков будет представлен на одной из предстоящих научно-технических конференций, сообщает «АН Марин Консалтинг».
