Постановка задачи проектного обоснования подсистемы «Корпус» судна из композиционных материалов
В условиях рыночной экономики одной из главных задач в проектировании судов становится повышение конкурентоспособности проекта. Это требование может быть реализовано за счет следующих мероприятий:
· повышения качества проектных работ, особенно на ранних стадиях проектирования;
· уменьшения издержек на многовариантные проработки;
· сокращения общих сроков выработки проекта.
Для современной техники характерно применение композиционных материалов.
Судостроение использует композиты уже достаточно давно. Первые суда из стеклопластика были изготовлены во второй половине 30-х годов двадцатого века. С 50-х годов стеклопластиковое судостроение получило широкое распространение в мире.
В последние годы все шире происходит замена традиционных судостроительных материалов полимерными композитами. Их применение позволяет наряду с обеспечением высоких эксплуатационных показателей существенно снизить массу корпуса судна.
Сегодня композитное судостроение стало быстро развивающейся обособленной отраслью. Применение этих материалов позволяет значительно сократить сроки строительства судна по сравнению с деревянным и металлическим судостроением. Кроме того, оно допускает использование существенно менее квалифицированной рабочей силы. Все это обусловливает серьезную экономическую мотивацию развития массового судостроения из композитов. Мировой судостроительный опыт свидетельствует о высокой экономической эффективности производств, на которых создаются судовые корпусные конструкции из композиционных материалов, и о высоких потребительских качествах современных судов из композитов.
Первоначально конструкции стеклопластиковых судов воспроизводили конструкцию судов из традиционных материалов. По мере накопления опыта постройки, дизайн стеклопластиковых судов приобретал специфические черты. Применение композиционных материалов позволяет создавать суда с высокими аэро- и гидродинамическими характеристиками, с легкими надстройками, эффектным дизайном внешнего облика и рядом других достоинств.
Рис. 1. Однокорпусное судно специального назначения переходного режима движения, полностью из композиционных материалов.
Сегодня большую часть мирового малотоннажного промыслового, служебно-разъездного и прогулочного флота составляют суда, имеющие корпуса из неметаллических композиционных материалов. Однако в современной России служебные, разъездные и промысловые суда из композиционных материалов, имеющие в мировом флоте массовый характер, проектируются и строятся в весьма ограниченных количествах.
Несмотря на это, отечественное судостроение по-прежнему располагает огромным потенциалом в области науки и технологий. В последние годы существенное развитие получили такие направления, как создание сферопластиков – материалов, способных, обеспечивая плавучесть, выдерживать очень высокие давления; разработка ряда перспективных конструкционных полимерных материалов на основе экологически безопасного бесстирольного полиэфирного связующего для различных судов гражданского назначения; создание экологически чистых, нетоксичных и пожаробезопасных, теплоизоляционных и конструкционно-отделочных материалов на базе композитов для оборудования внутренних помещений судов всех классов и назначений в соответствии с международной конвенцией «SOLAS-74», международными требованиями IMO и рядом других документов.
В то же время, в результате накопившихся проблем, в отечественном судостроении возникла ситуация, когда между отработанными техническими решениями, применяемыми в отечественных проектных организациях при разработке проектов судов, и достижениями отечественной и зарубежной науки образовался разрыв, приводящий к возрастающему отставанию отечественного судостроения от мирового уровня. Это приводит к переориентации ряда отечественных судовладельцев и операторов на продукцию зарубежного судостроения.
Для расширения возможностей создания отечественных судов из композиционных материалов в настоящее время необходимо решить ряд проблем, как в области совершенствования проектных характеристик судов, их оптимизации, так и в области улучшения структуры всего процесса проектирования. Необходимо совершенствование методов проектирования из композитов, используемых в отечественном судостроении, для создания судов, имеющих конкурентоспособные современные архитектурно-компоновочные и конструктивные решения.
Известно, что судно – многоуровневая система. На первом уровне декомпозиции судно рассматривается как совокупность подсистем, выделяемых по функциональному признаку, например «Корпус», «Гидродинамический комплекс» и другие. Иерархия подсистем определяется их доминантностью, степенью влияния свойств той или иной подсистемы на качество в целом.
Процесс рационального обоснования объектов при проектировании судна заключается в обеспечении рациональных характеристик системы в целом путем придания определенных свойств отдельным ее подсистемам. При этом изменение свойств каждой из подсистем в той или иной степени влияет на изменение характеристик всей системы. В свою очередь, соответствие системы определенным требованиям обуславливает определенные свойства ее подуровней. «Корпус» является доминирующей подсистемой по отношению ко всем остальным[1, 2, 3, 7].
Рассмотрим специфику постановки задачи проектного обоснования подсистемы «Корпус» судна из композиционных материалов. При этом ограничим круг рассматриваемых проблем исключительно спецификой применения композита.
Масштабное использование этих материалов в качестве основы конструкции судовых корпусов, особенно в скоростном малотоннажном судостроении, привело к тому, что, по мере накопления опыта проектирования, строительства и эксплуатации судов из композитов, конструкция их корпусов стала существенно отличаться от конструкции корпусов судов из традиционных материалов. Началась трансформация - от системы пластин и стержневых конструкций к объемным многослойным оболочкам.
Сегодня можно говорить о существовании принципиально новой конструкции корпуса из композитов, наилучшим образом использующей некоторые положительные качества этих материалов. Сегодня композитный корпус судна это система поверхностей, образующих объемно-прочную конструкцию. И корпус без палубы, и палуба без корпуса не обладают достаточной прочностью и жесткостью. Только после соединения в единое целое, установки в контур продольных и поперечных переборок они приобретают необходимый набор качеств. При этом каждая из поверхностей корпуса и палубы имеет свой набор механических свойств. Эти свойства могут изменяться, как по толщине поверхности, так и по ее площади. [5]
Судовые корпуса из композитов формируются из материалов, состоящих из нескольких компонентов и имеющих гетерофазную структуру с поверхностью раздела фаз. Для конструкционных композиционных материалов характерны следующие признаки:
· состав и форма компонентов материала определены заранее;
· компоненты присутствуют в количествах, обеспечивающих заданные свойства материала;
· материал является однородным в макромасштабе и неоднородным в микромасштабе (компоненты различаются по свойствам, между ними существует явная граница раздела).
Армированные композиты - это материалы искусственного присхождения, имеющие не менее двух непрерывных фаз с общей границей раздела. Одна из фаз называется матрицей, она обеспечивает форму изделия, устойчивость композита к воздействию различных агрессивных сред, тепло- и морозостойкость, ударную прочность и другие свойства. Полимерной основой матрицы является связующее, превращающееся в матрицу после соответствующей обработки. Важными характеристиками связующего являются его технологические свойства: вязкость, смачивающая способность, живучесть и др. Требования к физико-механическим свойствам связующих определяются условиями эксплуатации изделий из композитов. Весьма важны и их технологические свойства, от которых зависит возможность производства композиционного материала. Так, например, вязкость связующего оказывает непосредственное влияние на возможность пропитки им наполнителя, а адгезионные свойства влияют на прочность связи между наполнителем и матрицей. Температурный коэффициент линейного расширения, который у матрицы может быть в десятки раз больше, чем у волокна, влияет на возможность расслоения композита уже при изготовлении изделия, поскольку отверждение большинства используемых полимеров происходит с выделением тепла.
Рис. 2. Модельное представление о межфазном слое в системе матрица- армирующий материал
Второй обязательной фазой композиционного материала является армирующий наполнитель, частицы которого должны иметь длину не менее критической, при которой может быть реализована прочность волокна. Критическая длина волокна зависит от его диаметра, прочности при разрыве, прочности при сдвиге на границе раздела «волокно - матрица» [4] .
Наибольшее распространение в современном судостроении получили армированные полимерные композиты с использованием текстильных материалов на основе стекловолокна в качестве арматуры, что связано с его доступностью, низкой стоимостью и высокими прочностными свойствами. Увеличение требований к армированным материалам привело к использованию в полимерных композитах сначала углеродных, а позднее органических высокомодульных волокон типа СВМ и кевлар. Эти высокопрочные армирующие материалы получили широкое распространение в современном судостроении.
Как было сказано выше, подсистема «Корпус» является доминирующей по отношению к другим подсистемам судна первого уровня. Специфической особенностью принципиально отличающей процесс проектирования судна из композиционных материалов от проектирования судна из традиционных материалов является невозможность корректной декомпозиции подсистемы «Корпус» на подсистемы более низкого порядка на начальном этапе проектирования.
Одной из центральных задач конструирования изделия из композиционных материалов является правильный подбор полимерной композиции, обеспечивающий сочетание свойств, необходимых в конкретном эксплуатационном случае. При конструировании армированных полимерных композиционных материалов широко используется компьютерная обработка данных, для чего разработано большое количество разнообразных программных продуктов. Их использование позволяет повышать качество продукции, сокращать длительность разработки и организации производства конструкций, комплексно, качественно и быстро решать задачи их рационального проектирования. При расчете состава и структуры композиционного материала и изделия изготовленного из него могут быть использованы эмпирические формулы и различное программное обеспечение.
Расчеты, выполненные при проектировании материала и изделия, базируются на известных для соответствующих материалов характеристиках и их зависимостях от тех или иных параметров состава и структуры армированного композиционного материала. При разработке судовой корпусной конструкции из композита одновременно решаются три связных задачи:
· разработка способа применения самого композита в виде законченной конструкции и определение ожидаемых технических и других качеств;
· выбор исходных компонентов композита;
· разработка технологии изготовления изделия [5, 6].
Соотношение между суммой затрат на решение этой триединой задачи и полученными в результате качествами конструкции определяет целесообразность применения того или иного композиционного материала.
Использование армированных композитов позволяет разработчику при проектировании судна одновременно конструировать и материал. В рамках заданных технических требований к композиционному материалу проектируется его состав и структура. Они определяют, во-первых, выбор его полимерной основы, отвердителя и катализатора отверждения, а также их соотношения в составе связующего. Во-вторых, определяются тип и природа армирующего материала и схема армирования. Для композитов, имеющих в своем составе непрерывный наполнитель в виде волокна, нетканого полотна (мата) или ткани, характерна значительная анизотропия механических свойств.
Наибольшее различие свойств проявляется в однонаправленных армированных материалах. Для стеклопластиков прочность вдоль волокон больше прочности поперек волокон примерно в 50 раз. Такие свойства композитов, как существенно более высокий температурный коэффициент линейного расширения по сравнению с металлом, низкая жесткость и недостаточная усталостная прочность при изменяющихся нагрузках также существенно отличаются от характеристик традиционных для судостроения материалов. Поэтому правильный выбор рецептуры связующего и схемы армирования с учетом условий эксплуатации и прилагаемых нагрузок позволяет многократно увеличить эксплуатационную долговечность конструкции.
Регулируя состав связующего, тип наполнителя и схему армирования, возможно уже на стадии проектирования материала создать предпосылки для получения изделия с необходимыми эксплуатационными характеристиками. Учет неравномерности нагрузок позволяет проектировать судовую корпусную конструкцию из армированного композита с дифференцированной толщиной, которая может изменяться в десятки раз.
Неразрывно связана с ожидаемыми свойствами композиционного материала судовой корпусной конструкции и технология его изготовления. Правильно разработанный технологический процесс постройки судна из полимерных композиционных материалов в ряде случаев более экономичен, чем постройка этого же судна из традиционных материалов. Одним из актуальных для такого рода производств является вопрос: насколько оправданными будут затраты, связанные с изменением или разработкой нового полимерного композиционного материала, а также технологического процесса его производства. [4] Последовательность рассмотрения проектных обоснований при проектировании подсистемы «Корпус» судна из композиционных материалов представлена на рис. 3.
Рис. 3. Последовательность рассмотрения проектных обоснований при проектировании подсистемы «Корпус» судна из композиционных материалов.
Ниже изложены основные принципы, локальные задачи, модели и методы, применяемые при проектировании судовых конструкций из композиционных материалов, реализуемые современными программными средствами вычислительной техники:
1. Основные принципы, применяемые при разработке моделей конструкций из композиционных материалов:
· При моделировании применяется теория тонких слоистых оболочек;
· При моделировании конструкции она может рассматриваться в виде группы оболочечных элементов;
· Конструкция из композита представляются в виде идеально склеенного набора слоев (толщина клеевого слоя равна нулю, нет проскальзывания между слоями);
· Каждый слой конструкции имеет собственную ориентацию волокон;
· Каждый слой конструкции имеет собственную толщину;
· Каждый слой имеет собственную ориентацию в пространстве механических характеристик (изотропию, ортотропию или анизотропию)
При детализации модели описываются системы координат слоя и пакета;
2. Локальные задачи, возникающие при разработке корпусных конструкций из композиционных материалов:
· Моделирование оболочечных и балочных конструкций из композиционных материалов.
· Моделирование массивных элементов корпусных конструкций из композитов.
· Оптимизация массы конструкции.
· Нелинейные решения, прогрессирующее разрушение (статика, динамика), потеря устойчивости (линейная и нелинейная постановки).
· Моделирование процесса затвердевания (решение связанной задачи, расчет пружинения).
· Трехмерный контакт тел произвольной формы.
· Моделирование процессов формования.
· Решение задач о разрушении от воздействий ударного (взрывного) характера.
· Решение задач динамики.
3. Разработка послойного расположения в модели конструкции из слоистого композиционного материала, включает:
· определение свойств материала каждого из слоев;
· определение количества слоев;
· определение толщины каждого из слоев;
· определение ориентации волокон в слоях.
4. Определение свойств композитов в пакете с учетом технологических особенностей укладки слоев (учет технологического отклонения волокон от расчетного направления) включает:
· определение вероятного отклонения волокон от начального направления за счет кривизны поверхности, способа укладки волокна в форму и свойств исходных материалов;
· расчет вероятного угла отклонения волокон от первоначального направления в каждой точке на поверхности формы.
5. Моделирование укладки слоев:
· Определение площади поверхности;
· Расчет выкройки;
· Определение положения складок;
· Определение разрезов.
6. Принципы моделирования укладки слоев:
· Волокна основы и утка материала не изменяют длину
· Трение ткани о поверхность формы отсутствует
· Размер ячейки ткани (расстояние между «узлами») в процессе моделирования кладки не меняется.
7. Принципы расчета массивных элементов корпусных конструкций из композитов:
· Для расчета массивных композитов применяются трехмерные элементы, в которых для каждого слоя в процессе расчета используется свой набор точек интегрирования.
· Решение в осесимметричной постановке, моделирование плоского напряженного и плоского деформированного состояний.
Описание свойств композитного материала в трехмерной постановке.
8. Слоистые модели композитов на основе правила смесей рассматриваются в следующей иерархии:
· Слоистая оболочка;
· Пакет слоев;
· Дисперсный заполнитель;
· Волокна или стержни.
9. Моделирование композиционных материалов на основе правила смесей с использованием линейной и нелинейной моделей:
· В линейных моделях принят тип смешивания, при котором новые упругие и тепловые константы вычисляются по константам исходных материалов на основе процентного содержания матрицы и волокна, после чего производится построение новых кривых деформирования.
· В линейных моделях производится поддержка свойств, зависящих от температуры, линейные модели применяются для двух- и трехмерных элементов.
· Особенностью нелинейной модели является построение моделей на основе нелинейных кривых деформирования материалов, которые входят в состав композиции.
· В процессе расчета композит, построенный на основе правила смесей, может разрушаться по теориям, используемым при расчете разрушения материалов – компонент.
В нелинейных моделях возможно построение упругопластических моделей.
10. Разработка процесса затвердевания:
Моделирование процесса затвердевания представляет собой процесс решения связанной термомеханической задачи, которая позволяет определять возможные механические проблемы.
Расчет пружинения - изменения формы изделия после окончания основных процессов полимеризации и остывания является сложной задачей, включающей расчет остаточных напряжений и расчет остаточных деформаций.
11. Методы расчета разрушения конструкций из композиционных материалов:
· Линейная механика разрушения.
· Разрыв клеевого соединения.
· Нелинейная механика разрушения.
· Макромеханическая модель разрушения.
· Микромеханическая модель разрушения.
Изложенный выше круг вопросов, безусловно, не исчерпывает всего перечня проектных обоснований, связанных с проектированием судна из композитов, их выполнение в объеме данного круга вопросов позволяет подготовить исходную информацию для разработки проектной документации современного судна из композиционных материалов.
Список использованной литературы:
Ашик В.В. Проектирование судов. Л., Судостроение, 1985, - 486 с.
Захаров И.Г. Концептуальный анализ в военном кораблестроении. – СПб, Судостроение. 2001, 264 с.
Пашин В.М. Оптимизация судов. Л., Судостроение, 1983, - 286 с.
Тарнопольский Ю.М. и др. Пространственно-армированные композиционные материалы, Справочник, М, Машиностроение, 1987. - 223 с.
Францев М.Э. Проектная оценка эксплуатационных нагрузок и характеристик долговечности корпусов судов из композиционных материалов, Морской вестник № 4(28) 2008, стр. 93 – 98.
Х дю Плесси Малотоннажные суда из стеклопластика, Л, Судостроение, 1979, 344 с.
Царев Б.А. Оптимизационное проектирование скоростных судов. Л., ЛКИ, 1988, 102 с.
Я думаю, главная проблема в развитии судостроения из композитов в России - это "серость" в этой тематике среднестатистического российского корабела, и я бы даже сказал - практически поголовное невежество. Многие из нас видели тут в комментариях ехидные ухмылки по поводу пластиковых судов, из серии "у нас совсем другие условия...". В крайнем случае, знания "крупных специалистов по пластику" ограничены разделом для спасательных шлюпок правил РС, написанных 40 лет назад...
Все остальное приложится, если будет более широкое понимание "композитной специфики" у специалистов отрасли - конструкторов, производителей оборудования, инспекторов Регистров, работников морской науки и образования...
Для интересующихся, по ссылке кратко обозначены некоторые особенности ВСС из КМ: http://conference.nuos.edu.ua/catalog/files/lectures/17019.pdf?nameToSave=%d0%9e%d1%81%d0%be%d0%b1%dдалее... 0%b5%d0%bd%d0%bd%d0%be%d1%81%d1%82%d0%b8+%d0%bf%d1%80%d0%be%d0%b5%d0%ba%d1%82%d0%b8%d1%80%d0%be%d0%b 2%d0%b0%d0%bd%d0%b8%d1%8f+%d0%b2%d1%8b%d1%81%d0%be%d0%ba%d0%be%d1%81%d0%ba%d0%be%d1%80%d0%be%d1%81%d 1%82%d0%bd%d1%8b%d1%85+%d1%81%d1%83%d0%b4%d0%be%d0%b2+%d0%b8%d0%b7+%d0%ba%d0%be%d0%bc%d0%bf%d0%be%d0 %b7%d0%b8%d1%82%d0%bd%d1%8b%d1%85+%d0%bc%d0%b0%d1%82%d0%b5%d1%80%d0%b8%d0%b0%d0%bb%d0%be%d0%b2.pdf
-0+
#Францев Михаил Эрнстович, 16.10.2012, 05:08Спасибо за ссылку. По моему мнению целесообразно дополнять результаты расчетов прочности судовых конструкций из КМ, полученные численными методами при проектировании судна, результатами исследований эксплуатационного поведения этих конструкций в процессе работы судна, полученными методами неразрушающего контроля. Особенно это важно для корпусов из КМ судов технически сложных, имеющих нетривиальную конструкцию: скоростных катамаранов и других многокорпусных судов, СДП, особенно, экранопланов и пр. Это позволит усовершенствовать проектные методики и приблизить их к реальным эксплуатационным условиям. Кроме того, это может упростить решение локальных задач, например таких, как оценка поведения моста скоростного катамарана при движении в условиях нерегулярного волнения и ударных нагрузок в мост от волн и т.п.
-0+
#Назаров Альберт Георгиевич, 16.10.2012, 09:20Считаю что неразрушающий контроль и дефектоскоп – хороший прибор в руках грамотного исследователя, но крайне вредный для неподготовленного инспектора. Если посмотреть на результаты замеров, то эксплуатацию большинства пластиковых судов, то с точки зрения «сертифицирующих и проверяющих» нужно «срочно запретить» – там полно «дефектов». Но дело в том, что при существующих коэффициентах запаса в судостроении определенный (и неизбежный при изготовлении) уровень дефектов допускается. Скажем, для критерия разрушения первого слоя (FPF) применяется коэффициент запаса 1.5 (как в самолетостроении) или 3.3 как в судостроении – это большая разница.
Касательно прочности мостов катамаранов, то тут как раз никаких проблем нет и мост на грамотно спроектированном катамаране высокоскоростном не эксплуатируется в режиме слеминга. Общие нагрузки - поперечный изгиб и кручение вообще с гарантией не являются определяющими для многокорпусных судов длиной до 30...40м, что как раз соответствует их верхней границе из пластика. По крайней мере, с проблемой прочности моста (при наличии 30 реализованных проектов катамаранов) мы ни разу не сталкивались, и результаты расчетов говорят об "автоматически" высоких запасах общей прочности при условии обеспечения местной прочности. далее...
Но это все «высокие материи»; пока приходится читать официальные письма от РМРС с требованием «предоставить СТО на стеклопластик» говорить о каком-либо серьезном прогрессе в пластиковом судостроении в России не приходится.
-0+
#Францев Михаил Эрнстович, 16.10.2012, 18:48Согласен, Альберт. Невежество - это вообще страшное явление, особенно, когда оно имеет соответствующие полномочия. В то же время, накопление эксплуатационных дефектов в композитах идет прямо пропорционально ресурсу использования элемента и ряду других факторов. При больших ресурсах использования, происходит слияние накопившихся дефектов, в определенный момент приводя к разрушению конструкции. При этом речь идет, в основном, о внутренних дефектах, которые не могут быть выявлены ничем, кроме НК. Мы принимали участие в нескольких экспертизах для арбитража, как раз по таким фактам: разрушение днищевого перекрытия при движении с номинальной скоростью на штатном волнении. Только чудо и реакция отца предотвратили гибель ребенка. Причина - ошибки в проектировании катера и технологии его изготовления.
-0+
#Назаров Альберт Георгиевич, 16.10.2012, 19:12Интересны подробности - что за судно, каков ресурс на момент разрушения.
-0+
#Францев Михаил Эрнстович, 16.10.2012, 21:03Ресурс мизерный - 250-300 часов (по утверждению судовладельца). Аналогичные дефекты (продольная сквозная трещина днищевого перекрытия) были выявлены на других судах серии. Подробнее писать не имею права - таковы правила экспертизы. Суть не в этом, а в том, что такие случаи не единичны.
-0+
#Назаров Альберт Георгиевич, 16.10.2012, 19:30Основные две проблемы пластиковых судов - это расслоение ламината и горючесть. Но бывает очень редко, не чаще чем с судами из других материалов.
#Францев Михаил Эрнстович, 16.10.2012, 21:10Просто эксплуатационное поведение судовых конструкций из композитов толком не изучено. Мы недавно дефектовали СПК - выявили очень много интересного (это первое СПК - до этого были только глиссеры и суда переходного режима). Смотрели лодку - участницу ЧМ - на ее днище отпечатана вся "картинка" гидродинамических нагрузок - абсолютная идентичность хорошим расчетным моделям. Это заблуждение, что стеклопластик ведет себя в эксплуатации идентично кристаллическим структурам. У него другое эксплуатационное поведение. Оно кстати описано в специальной литературе. Но не применительно к судам. У нас своя специфика - добавляется влияние воды.
-0+
#Назаров Альберт Георгиевич, 17.10.2012, 05:45Известно достаточно много работ по композитам в судовых конструкциях, так что говорить что поведение не изучено - это большое преувеличение. Другое дело, что коэффициенты запаса в судостроении до сих пор как раз и учитывают "неизученность", разброс свойств материала при изготовлении, возможные скрытые дефекты и снижение прочности в процессе эксплуатации. Если что-то разрушается в начальный период эксплуатации - это скорее всего означает или брак при изготовлении, или (что часто случается) - эксплуатацию в недопустимых режимах, например, на полной скорости на волнении при существенном перегрузе судна.
-0+
#Францев Михаил Эрнстович, 17.10.2012, 06:19Западные источники (я общался в том числе со специалистами по этой тематике и из США), в основном, ограничиваются вопросами развития осмоса. Для НК судовых корпусов из композитов достаточно широко применяют рентген. (Но стремятся к его сокращению по ряду соображений). В последнее время стали появляться публикации описывающие выявление расслоений тепловизорами. При этом, что тепловизионный, что рентгеновский методы НК обнаруживая расслоения, не позволяют измерять их размеры и определять глубину залегания дефектов, для того чтобы оценивать их влияние на изменение характеристик прочности. Данными возможностями обладают пока только акустические методы, в разработке которых зарубежные разработчики существенно отставали от СССР и пока отстают от России (сам тестировал ряд западных приборов последних поколений - нам нужны были альтернативы для определенных задач). Поэтому говорить, что изучено изменение внутренней структуры композита в процессе эксплуатации (особенно на воде!) более чем, преж далее...девременно. Пока у основной части морских специалистов нет даже приблизительно представления о том, что происходит с судовым корпусом из композитов при эксплуатации. При этом на Бот-шоу 2012 в Москве француженка из отдела продаж известной компании (мы обсуждали с ней изменения характеристик долговечности корпусов по результатам освидетельствования лодок их выпуска) сказала мне, что по их мнению, судовладелец должен продавать лодку уже через ЧЕТЫРЕ-ПЯТЬ лет (они дают ОДИН год гарантии на корпус). То есть интуитивно они понимают, что массовые корпуса из композитов (особенно из матов, а не тканей) отформованные низкоквалифицированным персоналом из стран "удобного флага" недолговечны, но механизмами, позволяющими аналитически оценить эти их ощущения, они не располагают. В то же время суда из композитов в силу уникальности их качеств (немагнитности, низкого уровня физических полей и пр.) необходимы флотам всех стран и за ними будущее в тех сегментах, где их качества являются преимущественными. Поэтому необходимо изучать их эксплуатационное поведение и, опираясь на эти исследования, корректировать методики проектирования.
-0+
#Назаров Альберт Георгиевич, 17.10.2012, 06:46В последнем выпуске Professional Baotbuilder - материал о диагностике корпусов методом инфракрасной термографии, в том числе и об определении размеров дефектов с интересными примерами. Это все уже давно делается; думать что "зарубежные разработчики существенно отставали от СССР и пока отстают от России" - это большой и необоснованный оптимизм.
-0+
#Францев Михаил Эрнстович, 17.10.2012, 06:55Я читал эти материалы. Они сейчас делают то, что в России начали делать в 1993 году серийно. Дело не в научных приоритетах - это пусть оценивают разработчики инструментов НК. Дело в том, что они только сейчас подошли к рубежу, по сути, постановки задачи освидетельствования для оценки технического состояния методами НК и аналитической обработки полученных результатов. Инфрактрасная термография - это и есть тепловизоры, пользуясь русским языком. Но она не позволяет качественно работать в "полевых условиях", когда на тепловое поле, формируемое прибором, налагается тепловое поле формируемое внешними источниками (солнце, мороз). Поэтому при разработке способа НК судовых корпусов я этот способ не стал использовать, хотя его подробно изучал. Он применим только для эллинга с постоянной температурой. А из 130 освидетельствованных нами корпусов более 80% находились на открытых площадках. Для массовой работы с реальными судами, находящимися в эксплуатации тепловизионный способ, по моему мнению, м далее...ало пригоде.
-0+
#Назаров Альберт Георгиевич, 17.10.2012, 07:18"они только сейчас подошли к рубежу, по сути, постановки задачи освидетельствования для оценки технического состояния методами НК и аналитической обработки полученных результатов" - списываю это утверждение на недостаточную информированность, это все давно делается, у каждого "яхтенного" сюрвейера (не говоря уже о сюрвейерах КО) давно есть ультразвуковые дефектоскопы. При колоссальном отставании технологий композитов в судостроении в России говорить о каких-либо приоритетах - это маниловщина; на сегодняшний день в России никто просто не в состоянии спроектировать (не имеет практического опыта) судно размером 15+ м из композитов с использованием современных технологий. Если есть сомнения, почитайте правила для стеклопластиковых судов российских регистров и все станет на свои места.
-0+
#Францев Михаил Эрнстович, 17.10.2012, 07:31Альберт, я отношу ваше утверждение в область вашей малой осведомленности в области НК. Ультразвуковой дефектоскоп не позволяет измерять дефекты в композите. Он их может только обнаружить. Причем любой (российский, американский). Они существуют в СССР с середины 80-х годов. Все сайты приведенные мной - сайты европейских сюрвейеров. Технологии НК не имеют отношения к технологиям судостроения - это приборостроение, совершенно другая область. К сожалению российские регистры ориентируются в области НК не лучше вас - отсюда и неадекватные в области диагностики правила.
#Францев Михаил Эрнстович, 17.10.2012, 13:11Альберт, это декларация. В действительности изображения дефектов типа расслоение имеют совершенно другую форму (я привожу в своих работах несколько штук из десятков тысяч, которые у меня накопились за эти годы). Есть хорошая книга: Черепанов Г.В. Механика разрушения композиционных материалов М., Наука, 1983. (Он давно в Америке, с 1991 года, если не ошибаюсь). Так вот, там без всякого НК очень правильно описана физика явления. А здесь ни физики, ни реальности - одна схематизация. Если это у них лучшее практическое руководство, то уровня СССР им еще долго не достигнуть
-0+
#Назаров Альберт Георгиевич, 17.10.2012, 14:05"уровня СССР им еще долго не достигнуть" - всегда ценил Ваше чувства юмора :)
-0+
#Францев Михаил Эрнстович, 17.10.2012, 07:54Добавлю. Без измерения размеров дефектов и учета их местоположения невозможно оценить степень снижения механических характеристик элемента корпусной конструкции, в которой расположен дефект. При этом оценка степени снижения должна идти одновременно по двум направлениям: оценка снижения несущей способности конструкции, с точки зрения штатных нагрузок, и оценка размеров дефекта с точки зрения вероятности разрушения конструкции, потому что при достижении дефектом определенных размеров для каждого элемента конструкции он индивидуален, т.к. зависит от толщины конструкции, примененных связующих и армирующих материалов, схем армирования и еще массы факторов (а дефекты в композитах растут ПОСТОЯННО даже при штатной эксплуатации, сегодня этот факт уже установлен и не только для судов, а, практически, для любых изделий, несущих внешнюю нагрузку).
#Назаров Альберт Георгиевич, 17.10.2012, 07:24Так а кто же выложит данные для аналитики в публичном доступе? Если это сюрвейер (частный или КО), то подобные данные конфиденциальны. Кроме того, обнародование данных по конкретным моделям судов чревато судебными исками от производителей.
-0+
#Францев Михаил Эрнстович, 17.10.2012, 07:37Мы тоже не выкладываем данных по конкретным судам и даже по моделям и производителям. Но научные обобщения позволяют понять уровень осведомленности. О том, что применяемая аппаратура не имеет устройств для получения аналитики видно по фото. Это чисто аппаратура, предназначенная для выявления и констатации наличия. Аппаратура, предназначенная для измерения геометрических размеров, выглядит совершенно по-другому.
#Кошкин А.м., 16.10.2012, 08:56Михаил Эрнестович.
Вы написали: "При конструировании армированных полимерных композиционных материалов широко используется компьютерная обработка данных, для чего разработано большое количество разнообразных программных продуктов". Действительно ли "большое количество" и "разнообразных"? Не могли бы Вы привести 3-4 программных продукта для данной задачи.
-0+
#Назаров Альберт Георгиевич, 16.10.2012, 09:44Думаю я смогу ответить. Программные продукты можно условно разделить на две группы: выполняющие пакетный анализ ламинатов в "двухмерной" или "балочной/пластинной" постановке и в трехмерной. Первая группа - это программы типа Laminator, VerctorLam Cirrus, a также программы классификационных обществ - LR, GL, BV и др. "Трехмерное" решение - это методы конечных элементов, и тут выбор достаточно среди большой среди имеющихся программных продуктов, многие из них в той или иной степени позволяют моделировать композиционные материалы. Мы пользуемся Strand7, но есть и опыт применения других продуктов.
-0+
#Францев Михаил Эрнстович, 16.10.2012, 18:32Можно привести одну из последних европейских разработок DIGIMAT http://www.digimat.compmechlab.ru Большие возможности представляет пакет ANSYS http://www.emt.ru/products.php?product=9 причем очень много интересных задач по композитам решено в пакете LS-DYNA интегрированном в ANSYS. Менее эффективны, однако при необходимости тоже могут применяться COSMOS, MSC/NASTRAN, SAMSEE для препроцессорной подготовки (построения твердотельной модели и ее конечно-элементного аналога) используются программы SolidWorks, Pro-E
#Францев Михаил Эрнстович, 18.10.2012, 13:36Когда в 1999 году создавался Хивус было: корпусная часть - 2 чел. (по штампам чертежей), рубка, двери, остекление, установка стеклоочистителя, фар и пр. 1 чел. (Францев), двигатель установка, трансмиссия, дистанционное управление - 2 чел. (по штампам чертежей), подъемно-нагнетательный комплекс - 1 чел. (Ташкаев), аэрогидродинамика, компоновка, ГО + Главный конструктор (Дербенев) итого 7 чел. (тогда все неостепененные). В 2012 году одних кандидатов и докторов - 18 чел. Круто! Будем надеяться на пропорциональный результат.
-0+
#Назаров Альберт Георгиевич, 18.10.2012, 13:52"В 2012 году одних кандидатов и докторов - 18 чел." - вот это и плохо. Впечатление что основная цель - "освоить финансирование" :)
-0+
#Францев Михаил Эрнстович, 18.10.2012, 14:23Во времена СССР в 1989-1990 годах в ЦКБ "Нептун" пр. 15060 АКВП "Ирбис" создавала комплексная бригада из 28 чел. (конструкторы, специалисты и рабочие Опытного Производства). Минсудпромом СССР были выделены целевым назначением средства на техно-рабочий проект и постройку двух опытных образцов. Проект был разработан, опытные образцы построены. Причем оба имели рубки из композиционных материалов специальной конструкции длиной 17 м. Ирбис-1 работает до сих пор в Благовещенске. Ирбис-2 работал в США, сейчас в Колумбии в работоспособном состоянии. Будем надеяться что в Нижнем в результате комплексности подхода будет достигнут сопоставимый результат.
В условиях рыночной экономики одной из главных задач в проектировании судов становится повышение конкурентоспособности проекта. Это требование может быть реализовано за счет следующих мероприятий:
