автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.01, диссертация на тему:Методика назначения допускаемых напряжений для крыльевых устройств судов на подводных крыльях с учетом усталостных характеристик материала и условий эксплуатации

На правах рукописи

Бунтикова Алла Владимировна

ООЗ166412

МЕТОДИКА НАЗНАЧЕНИЯ ДОПУСКАЕМЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ДЛЯ КРЫЛЬЕВЫХ УСТРОЙСТВ СУДОВ НА ПОДВОДНЫХ КРЫЛЬЯХ С УЧЕТОМ УСТАЛОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МАТЕРИАЛА И УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Специальность 05.08.01 - Теория корабля и строительная механика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород 2008

Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом университете им Р Е. Алексеева

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор В.А. Васильев Научный консультант - кандидат технических наук,

доцент Б.С. Перельман Официальные оппоненты - доктор технических наук,

Ведущая организация — ОАО «Судостроительный завод «Волга» (г. Н. Новгород)

Защита состоится «17» апреля 2008г. в 12.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.165.08 в Нижегородском государственном техническом университете по адресу: 603950, г. Н Новгород, ул. Минина, 24, ауд. 1258

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева

Ваш отзыв на автореферат (в 2-х экземплярах), заверенный печатью учреждения, просим направлять по адресу: 603950, г. Н. Новгород, ул Минина, 24, НГТУ, ученому секретарю диссертационного совета Д

профессор В.Н. Савинов доктор технических наук, профессор Ю Г. Коротких

212.165.08.

Автореферат разослан « »¡игльо/ъл- 2008 г.

»

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук

Е.М Грамузов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Современные тенденции повышения скоростей водного транспорта привели в целом к бурному развитию судов с динамическими принципами поддержания, к каковым относятся и суда на подводных крыльях (СПК). Крыльевое устройство (КУ) данного типа судов представляет собой несущие поверхности, на которых при движении в воде судна создается гидродинамическая подъемная сила, способная поднять и стабильно удерживать идущее судно в надводном положении. От совершенства КУ СПК зависят такие важные характеристики судна как гидродинамическое качество, мореходность, устойчивость движения, а также технико-экономическая эффективность использования его в качестве транспортной машины.

Снижение объема строительства и эксплуатации СПК в 90-х годах прошлого и в начале нынешнего столетия можно объяснить рядом особенностей, повышенной стоимостью СПК по сравнению с другими скоростными судами за счет сложной конструкции подводных крыльев, необходимостью ремонта в течении навигационного периода дефектов для неотработанных конструкций и возникающих в основном за счет специфических условий эксплуатации (посадка на мель, соударения с плавающими предметами) и необходимостью очистки КУ от биообрастания.

В настоящее время целесообразно устранять недостатки СПК, другими словами, следует свести к минимуму, без ущерба для безопасности, затраты на строительство, ремонт и эксплуатацию данного типа судов в связи с положительным эффектом, получаемым от эксплуатации СПК (повышенная мореходность, более комфортные условия по качкам и вибрациям при движении на волнении; низкие, по сравнению с другими судами, энергетические затраты, как при движении на тихой воде, так и в штормовых условиях).

Цель и задачи исследования

Целью диссертационного исследования является разработка методики назначения допускаемых напряжений для крыльевых устройств судов на подводных крыльях с учетом усталостных характеристик материала и условий эксплуатации и доработка конструкции КУ СПК.

Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи.

- проведено исследование современных конструкций КУ СПК; проанализированы свойства применяемых для их изготовления материалов, а также требования, предъявляемые как к конструкции КУ, так и к их материалам; показано перспективное направление в области создания новых материалов с целью снижения массы КУ СПК;

- проведен анализ опыта эксплуатации различных типов СПК, где показан усталостный характер повреждений КУ;

- выполнен анализ влияния обрастания на эксплуатационные качества СПК и способов защиты от него;

- проведен анализ прочности и работоспособности судовых конструкций и обоснована необходимость оценки эксплуатационного ресурса КУ СПК, в связи с чем выработаны требования по определению коэффициента надежности для расчета долговечности и требования к обеспечению безопасности плавания с учетом анализа «Норм летной годности гражданских самолетов»;

- проведено исследование возможности использования при расчете долговечности на ранних стадиях проектирования упрощенной диаграммы а-Ы, для чего проанализированы способы построения диаграмм а-И, выведена аналитическая зависимость ^Ы=}(а)\ проведена оценка точности получаемых с упрощенной диаграммы «т-ТУ результатов;

- проведен анализ современных норм прочности в судостроении и обоснована необходимость учета усталостных характеристик материала в этих нормах, особенно для КУ СПК;

- разработан алгоритм определения ресурса КУ СПК с учетом усталостных характеристик материала, произведены примеры расчетов,

- разработана методика определения допускаемых напряжений для КУ СПК с учетом обеспечения заданного ресурса; выполнены примеры расчета допускаемых напряжений трех новых для КУ СПК материалов;

- разработаны конструкции КУ СПК для изготовления их из нетрадиционных материалов, позволяющих решить проблему прочности, коррозии и биообрастания, а также использовать термические процессы для повышения предела прочности и нанесения покрытий.

Методы исследования

В диссертационном исследовании основными методами исследования являются: анализ специальной, технической, справочной, научной литературы и опыта эксплуатации СПК, а также данных, полученных экспериментально, по исследуемой теме, обобщение и систематизация полученных результатов анализа и эксперимента; статистические методы; математическое моделирование.

Научная новизна работы

Научная новизна работы заключается в:

- предложенной методике определения допускаемых напряжений для КУ СПК с учетом заданной долговечности,

- обоснованной возможности использования при расчете ресурса упрощенной диаграммы <7-ЛГна ранних стадиях проектирования;

- обоснованной необходимости учета усталостных характеристик материала в нормах прочности для КУ СПК;

- разработанном алгоритме определения ресурса КУ СПК с учетом усталостных характеристик материала и условий эксплуатации;

- усовершенствованных конструкциях КУ СПК решающих проблему их коррозии и биообрастания, и позволяющих использовать термические процессы для повышения предела прочности и нанесения покрытий, применения композиционных материалов

Практическая значимость исследования заключается в следующем, на ранних стадиях проектирования при использовании упрощенной диаграммы а-И и выведенной аналитической зависимости используя предложенную методику назначения допускаемых напряжений для КУ СПК, появляется реальная возможность снижения массы КУ за счет применения для их изготовления нетрадиционных материалов или увеличения ресурса КУ СПК. Применение нетрадиционных материалов в свою очередь дает возможность применять для изготовления КУ СПК высокопрочные коррозионные материалы, защищаемые от коррозии (путем нанесения защитных покрытий) и от обрастания в морской воде. До настоящего времени все конструкции КУ СПК выполнялись сварными, что ограничивало возможность применения высокопрочных несвариваемых материалов, материалов подвергающихся термической и термохимической обработке, композиционных материалов, металлизации поверхностей Предложенные конструкции КУ СПК лишены вышеперечисленных недостатков Достигается это тем, что КУ собирается из плоских элементов, имеющих концевые устройства для соединения между собой с помощью болтов или заклепок (на данную конструкцию получен патент РФ на полезную модель)

Степень обоснованности

Степень обоснованности научных положений, выводов и рекомендаций обуславливается применением современных методов исследования, статистической обработкой с помощью ЭВМ результатов экспериментальных работ, реализацией научных разработок в производстве, а их достоверность подтверждается опытом эксплуатации судов данного типа

На защиту выносятся;

1) предложение по использованию на ранних стадиях проектирования упрощенной зависимости а-Ы и оценка точности получаемых с нее результатов,

2) алгоритм определения ресурса конструкции КУ СПК в зависимости от усталостных характеристик материала, района плавания, характеристик волнения и примеры расчета ресурса для трех марок материалов- 12Х18Н10Т, 09Х17Н7Ю и АМг61,

3) методика определения допускаемых напряжений для КУ СПК с учетом усталостных характеристик материала, мореходности и заданного ресурса, позволяющая использовать для изготовления КУ СПК нетрадиционные материалы и снизить его массу и примеры применения данной методики для трех марок материалов: титанового сплава ПТЗВ, бронзового сплава БрОФ6,5-0,15 и аустенитной стали 05Х22АГ14Н7М;

4) разработанные конструкции КУ СПК с оценкой возможного снижения массы данной конструкции по сравнению с классическим вариантом КУ СПК.

Апробация работы

Результаты исследований докладывались, обсуждались и (или) публиковались на:

- XXIV Российской школе по проблемам науки и технологий, посвященной 80-летию со дня рождения акад. В.П. Макеева (г Миасс Челябинской области, 2004 г.),

на научно-методической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и специалистов ВГАВТа (г. Н Новгород, 2005 г.),

- на VI Международной конференции «Научно-технические проблемы надежности и долговечности конструкций и методы их решения» (Санкт-Петербургский политехнический университет, Санкт-Петербург, 2005 г.);

- на 4 и 5-й Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» (НГТУ, г. Н. Новгород, 2005, 2006 гг.);

- на Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии в кораблестроительном и энергетическом образовании, науке и производстве» (НГТУ, г. Н Новгород, 2006 г ),

- на IX Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (г. Н Новгород, 2006 г ),

Внедрение результатов исследования

Разработанная в диссертации методика назначения допускаемых напряжений с учетом усталостных характеристик материала используется на ранних стадиях проектирования ОАО «ЦКБ по СПК им. Р Е Алексеева» (акт внедрения прилагается).

Публикации

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 10 печатных публикациях, одна из которых представлена в журнале «Морской вестник» №1 (2007), входящем (до 1 января 2007г.) в перечень, рекомендуемый ВАК Министерства образования и науки РФ. На разработанную в работе конструкцию КУ СПК получен патент РФ на полезную модель Разработанная методика назначения допускаемых напряжений будет направлена в Регистр морского судоходства для получения рецензии и возможности использования ее в разрабатываемых нормах прочности Регистра.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, общих выводов и списка литературы из 115 наименований, приложений; изложена на 128 страницах, включая 15 таблиц и 48 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы направления исследований, обоснована их актуальность и правомерность избрания в качестве темы диссертации

В первой главе рассмотрены конструкции крыльевых устройств судов на подводных крыльях, материалы из которых они изготавливаются и опыт их эксплуатации

В данной главе показано, что при проектировании СПК большое значение имеет снижение массы конструкций, которое позволит увеличить долю полезной нагрузки Снижение массы конструкций при одновременном обеспечении их прочности в эксплуатационных условиях может быть достигнуто путем применения конструкционных материалов, обладающих высокими прочностными характеристиками при удовлетворительных усталостных свойствах. Здесь же отмечается, что большая повторяемость нагрузок в условиях эксплуатации СПК предъявляет к основному материалу и соединениям требование удовлетворительной сопротивляемости воздействию повторно-переменных нагрузок, и кроме того материалы должны обладать антикоррозионными свойствами, стойкостью к струевой и кавитационной эрозии и стойкостью против обрастания в морской воде, а конструкции из данных материалов быть долговечными.

Как отмечается в работе, применение высокопрочных материалов для КУ приводит к повышению в условиях эксплуатации уровней действующих напряжений, в связи, с чем в число первоочередных задач выдвигаются вопросы повышения долговечности конструкций СПК Однако современные нормы прочности КУ СПК не включают в себя методы обеспечения долговечности

Из анализа опыта эксплуатации отечественных СПК в работе сделан вывод о том, что причиной списания СПК служат усталостные и коррозионные повреждения как корпуса, так и крыльевых устройств после превышения гарантийного срока эксплуатации.

В данной главе среди основных причин снижения спроса на скоростные суда указывается на достаточно высокую стоимость эксплуатации СПК, которая зависит от ряда конструктивных особенностей, в частности, обрастание поверхности КУ во время стоянки при подходящих световых и климатических условиях, например, опыт эксплуатации СПК типа «Олимпия» в Балтийском море показывает, что для эксплуатации судна необходимо производить очистку водолазами КУ один раз в 5 дней

(стоимость одного такого осмотра с очисткой составляет около 560 долларов) и при подъеме - один раз в 20-25 дней (стоимость около 2800 долларов). В процессе эксплуатации судна обрастание отрицательно влияет на его гидродинамические характеристики, что приводит к ухудшению ходовых свойств, а это и потери скорости хода судов, достигающие 50% от номинальной, и ухудшение маневренности судна, и повышение расхода топлива в связи с необходимостью поддерживать коммерчески оправданную скорость перевозки грузов, и преждевременный износ силовых установок и оборудования.

Однако, наличие таких преимуществ СПК перед другими видами скоростных судов как высокие гидродинамическое качество и высокая мореходность позволяют сделать вывод о необходимости разрешения вопроса обрастания для возрождения спроса на данный вид судов. В качестве примера в работе приводятся следующие данные по эксплуатации СПК' без периодической очистки крыльев от обрастания в течение месяца увеличение потребляемой мощности составляет около 2%, а по истечении 2-х месяцев -12%, при более продолжительном содержании СПК в морской воде без очистки крыльев судно может не выйти на крылья. Таким образом, в настоящее время методы борьбы с биообрастанием КУ должны находиться среди главных по повышению эксплуатационных качеств СПК

На основе выводов по состоянию поставленной проблемы сформулированы цель и задачи исследований диссертационной работы

Вторая глава посвящена вопросам нормирования прочности конструкций КУ СПК и здесь отмечается, что на сегодняшний день вопросы прочности и работоспособности судовых конструкций продолжают оставаться актуальными

Одной из наиболее распространенных причин повреждения судовых конструкций в эксплуатационных условиях является усталость металла. Хотя трещины усталости редко ведут к серьезным авариям, они благоприятствуют другим механизмам разрушения, вынуждают к проведению

преждевременных ремонтных работ. Эти обстоятельства ставят исследования и создание методик расчета усталости в число наиболее важных вопросов обеспечения прочности конструкций судов и морских сооружений. Среди приоритетных направлений данных исследований в работе выделяются: оценка усталостной долговечности, проектирование узлов с учетом усталости и разработка норм прочности, направленных на повышение долговечности конструкции и ее прогнозирования, а также для рассмотрения оправданной возможности применения новых материалов по критериям усталости

Наиболее напряженными конструкциями СПК являются КУ, а анализ повреждений показывает, что все они имеют усталостный характер и связаны с воздействием на элементы конструкции многократно повторяющихся нагрузок, а для КУ недопустимы даже незначительные остаточные деформации, которые могут привести к изменению геометрической формы его элементов, потеря устойчивости элементов вплоть до достижения предельного состояния недопустима. Среди причин, вызвавших ограниченную долговечность и необходимость оценки эксплуатационного ресурса конструкций СПК названы следующие- высокая напряженность конструкций (высокие абсолютные значения действующих напряжений при эксплуатации);

- большая повторяемость нагрузок в связи с высокой скоростью судна и большой чувствительностью несущих элементов КУ к изменениям подъемной силы;

- низкие показатели усталостной прочности некоторых применяемых конструкционных материалов и их соединений

В данной главе отмечается, что до сих пор в судостроении не существует норм расчета долговечности. При оценке запасов прочности здесь опираются на практический опыт эксплуатации судов Этот опыт находит отражение в статистике эксплуатационных повреждений судов и интегрально, с той или иной степенью полноты, учитывается правилами

классификационных обществ при формулировке требований к прочности и конструктивному оформлению конструктивных узлов. Вопрос о том, насколько полно эти правила отражают опыт эксплуатации судов и как точно позволяют нормировать допускаемые напряжения, является спорным Учитывая вышесказанное, в диссертационном исследовании используется опыт, накопленный авиацией для назначения, в первом приближении, ресурса КУ СПК

Во второй главе исследования по результатам анализа запасов прочности по нормам летной годности гражданских самолетов рекомендуется определять значение долговечности конструкции Я (ресурс) делением полученное расчетом с использованием экспериментальных данных, на суммарный коэффициент надежности ту

Краен/ Л-

Тогда величина И. будет являться минимальным значением долговечности, под которым понимается такое ее значение в единицах ходового времени, в течении которого может быть гарантировано, что в эксплуатации по условиям выносливости не произойдет существенного нарушения прочности.

Величина суммарного коэффициента т] должна определяться как (по «Нормам летной годности гражданских самолетов»):

Т1=П1Г|2ЛЗТ14

Числовые значения коэффициентов, входящих в это произведение, учитывают, (ц,) уровень соответствия программы испытаний на выносливость реальным нагрузкам в эксплуатации, (г|2) степень опасности разрушения, (т|з) достоверность данных о повторяемости нагрузок, действующих на КУ СПК; (т|4) разброс свойств выносливости материала. Очень важным аспектом здесь является то, что по мере появления новых данных по лабораторным испытаниям материалов, применяемых для изготовления КУ СПК, данные коэффициенты могут уточняться Возможно также появление и новых коэффициентов, учитывающих коррозию,

обрастание и т д. Учитывая высокую безопасность С ПК даже при возможном разрушении КУ, по мере накопления опыта эксплуатации, коэффициенты безопасности Т| будут снижаться.

Здесь же рассмотрена возможность при дальнейшем назначении допускаемых напряжений пользоваться упрощенной диаграммой усталости a-lgN По справочным данным, имеющимся практически по всем материалам, данная диаграмма (рисунок 1) будет строиться по двум точкам-первая точка - ов (предел прочности материала) по оси ординат и соответствующее ему значение по оси абсцисс ^N=0, и вторая - о.( (предел усталости материала) по оси ординат и по оси абсцисс =6,3-7,0 (или другое число циклов, известное из испытаний) для соответствующего материала

Рисунок 1. Пример построения упрощенной диаграммы

Целесообразно продолжить диаграмму .до пересечения кривой усталости с осью абсцисс, что позволит повысить точность расчета, т.е. учесть ресурс при напряжениях меньших предела усталости

Аналитически зависимость о^-Ы при <тф можно представить в следующем виде В соответствии с общепринятым мнением зависимость <та-N в координатах а„ линейна, поэтому, задаваясь уравнением в виде у=а -^N+6 и, подставляя значения для двух точек (ов при N-1 (/^1-0) и «т.,

при ^N=6,3 - для стали,), получим уравнение у=ах+к, где

х - 0, у = а.

х = 6,3,у = о-_, '

решая данную систему уравнений, имеем:

&ЛГ=6,3

В работе отмечается, что по мере появления новых или уточнению старых данных диаграмма, а соответственно и аналитическая форма записи, могут уточняться.

В качестве примера в данной главе определена долговечность по упрощенной диаграмме для алюминиевых сплавов (АМг5В и АМгбТ) и нержавеющих сталей (12Х18Н10Т и 09X17Н7Ю) Далее произведено сравнение числа циклов работы, полученных с упрощенной диаграммы, с реальной диаграммой, для чего проведен анализ точности получаемых результатов долговечности конструкции по упрощенной и реальной диаграммам усталости, в результате которого получена величина относительного отклонения реального ресурса /5^=4,26%, и сделаны следующие выводы:

1) для двух алюминиевых сплавов Аср =8,2% имеет значение выше относительного среднего отклонения (4,26%);

2) для обеих сталей (12Х18Н10Т и 09Х17Н7Ю) АсР имеет значение ниже относительного среднего отклонения (4,26%).

При определении коэффициента надежности мы вводим коэффициент, учитывающий разброс свойств выносливости, например, т)4=5,0, который и приближает вычисленный по упрощенной диаграмме ресурс к реально возможному с необходимым запасом Отсюда следует вывод о возможности применения упрощенной диаграммы для определения числа циклов до разрушения в зависимости от амплитудного напряжения. Необходимо отметить, что данное предложение может корректироваться по мере появления новых результатов по испытаниям материалов, допустимо введение коэффициентов, учитывающих концентрацию напряжений, сварные

швы, коэффициент безопасности и другие необходимые поправки. В целом же, на первом этапе проектирования и выбора материала, данный подход может быть использован, хотя в дальнейшем и может быть скорректирован в ходе испытаний

Третья глава исследования посвящена вопросам назначения допускаемых напряжений для КУ СПК

В работе отмечается, что выбор материала КУ является важнейшим этапом проектирования СПК. К настоящему времени положительный опыт эксплуатации имеется по весьма ограниченному количеству материалов, применяемых для КУ пассажирских СПК

Уже на первом этапе проектирования (при выборе материала) необходимо назначать допускаемые напряжения, которые в настоящее время для всех судовых конструкций принимаются как некоторая часть от предела прочности или предела текучести материала и обеспечивают статическую прочность с необходимыми запасами Считается, что усталостная прочность каким-то образом входит в принимаемые запасы, но в явном виде это нигде не приводится. Однако, при разработке первых норм прочности, основоположник науки «Строительная механика корабля» И.Г. Бубнов счел необходимым учесть влияние периодичности действия нагрузок, а следовательно, — и напряжений, определяя допускаемые напряжения по формуле.

^=0,25 от (3+^а-).

При этом максимальное допускаемое напряжение достигло величины =ох, а минимальное - о-^^^.бо^., т.е. отличались в 2 раза В формуле И. Бубнова не учитывались в явном виде характеристики материала, но в этом не было большой необходимости, так как в то время при разработке норм в судостроении использовалось практически несколько близких марок сталей, соответствующих современным маркам Зс, 4с. Постепенно от идей И Бубнова отказались и допускаемые напряжения стали

определять как долю от предела текучести, не связывая запас прочности с периодичностью действия напряжений и усталостных характеристик материала.

Однако увеличение скорости судов на подводных крыльях приводит к тому, что количество циклов нагружения за срок службы судна достигает 10М0' циклов и не учитывать возможность усталостного разрушения нельзя. Опыт создания первых отечественных С ПК поставил эксперимент, из которого последовал вывод о необходимости учитывать возможность усталостного разрушения конструкции.

В 1960-х годах по одному техническому заданию были реализованы два СПК: «Комета» - разработка ЦКБ по СПК им. Р.Е Алексеева и «Стрела» - разработка ЦМКБ «Алмаз». На «Комете» крылья были выполнены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, а на «Стреле» - из стали 09Х17Н7Ю Допускаемые напряжения были приняты близкими: 0^=0,Ъ-ат, что позволило снизить массу крыльевого устройства на СПК «Стрела».

По результатам опытной эксплуатации головных серий этих судов выяснилось, что на СПК «Стрела» возникали усталостные разрушения, что усугублялось очень сложными условиями ремонта, на СПК «Комета» появляющиеся трещины были связаны, в основном, с производственными дефектами при изготовлении КУ, и они легко устранялись с помощью сварки. В результате СПК «Стрела» были сняты с эксплуатации и прекращено их строительство, а СПК типа «Комета» построено на разных заводах более 200 единиц и первые суда эксплуатируются около 40 лет без замены КУ Этот факт послужил дополнительным основанием рассмотреть нормативы проектирования КУ, которые бы обеспечивали одновременно и статическую и усталостную прочность. Здесь также отмечается и тот факт, что учет выносливости материала позволит снизить массу КУ СПК, а это является очень важным моментом в борьбе за увеличение скорости и грузоподъемности скоростного флота

В данной главе разработана методика определения допускаемых напряжений для КУ СПК по следующим параметрам, механические характеристики материла КУ (предел прочности ов, предел усталости 0.1), скорость Рна тихой воде в узлах (м/с), предельное волнение Ь3% при ходе на крыльях 3% обеспеченности (м), перегрузка ктах в точке над носовым крылом (для пассажирских судов принимается ктах=2, для служебных судов перегрузка определяется по специальному расчету или модельным испытаниям, одобренным ГУ Регистра Мореходства), число ходовых часов К безопасной эксплуатации по прочности КУ. Далее все вычисления следует производить в соответствии со следующим планом.

1. Определяем перегрузки для четырех промежуточных высот волн Считается, что на каждом участке действует большая перегрузка, которая эквивалентна уровню напряжений, возникающих при движении на данном уровне волнения.

2. Принимается процентное распределение повторяемости волнения по участкам. Данная повторяемость берется из осредненной повторяемости волн по всем прибрежным участкам морей по Регистру «Ветер и волны в океанах и морях».

3. Определяется период взаимодействия КУ с волной на каждой градации волнения при движении на крейсерской скорости по формуле:

= Л 15И

0.9у + 1,25л/1 0.9У + 4 84л/й' °

где Ь - высота волны, м, V- скорость судна, м/с.

Принятая здесь средняя длина волны X равна 15Ь В обоснованных случаях можно брать различный уровень потери скорости на каждом участке волнения и курсовых углах.

4 Определяем время Т каждой градации волны за 100 часов эксплуатации.

5 Определяем количество циклов на каждой градации волны за 100 часов эксплуатации

6 Строится упрощенная зависимость а - N по точкам. ав - ^N=0 и ст., -

=а (значение для выбранного материала), при этом целесообразно

продлить условно прямую до пересечения ее с осью абсцисс, что позволит более точно учесть влияние <т<с_| на повреждаемость (см рисунок 1)

Аналитически график левой наклонной части усталостной кривой запишется уравнением

/^7У=а —-—.

ов -

7. Принимается не менее 3-х значений напряжений на тихой воде в конструкции крыла и рассчитываются амплитудные значения напряжений для каждого участка волнения.

8. Зависимость а - с учетом действия средних напряжений- о'=о,-

аср и о"., = (1——)сг_, аналитически будет выражаться следующее зависимостью:

9. Определяется число циклов до разрушения от средних напряжений на каждом уровне амплитудных напряжений по формуле:

ав ~са

а -г

N¡=10 °в .

10. Определяется время действия повреждаемости по участкам за 100 ходовых часов или 360000с. Определяется суммарное время повреждаемости по участкам. Таким образом, получается количество блоков повреждаемости по 100 часов эксплуатации, следовательно, долговечность (ресурс) для каждого значения среднего напряжения определяется теперь как:

Я

N

100

11 Определяется время безопасной эксплуатации с учетом коэффициента надежности.

12 Строится зависимость Я от (Оср+аа) по заданному времени эксплуатации По данной диаграмме принимаем допускаемое значение напряжения адоп

Я

Одоп (0ср+0а)

Рисунок 3. Зависимость Я от (0ср+0а) для определения допускаемого напряжения

На дальнейших стадиях проектирования расчет может уточняться для зон концентрации напряжений: переход толщин, сварные швы и т.д

В третьей главе по разработанной методике произведен пример назначения допускаемых напряжений для трех различных материалов-титанового сплава ПТЗВ, бронзового сплава БрОФ 6,5-0,15 и стали 05Х22АГ14Н7М. Для бронзового сплава долговечность КУ СПК для принятого уровня напряжений получилась очень высокой, поэтому на первом этапе проектирования можно рекомендовать принять допускаемые напряжения как аДОп—сгт в.(1+кср)=0,7стх(1+0,86)=1,3сгг

Данный бронзовый сплав является перспективным материалом для изготовления КУ СПК, так как он решает проблему обрастания КУ И здесь

по результатам расчетов массы КУ показано, что повышение уровня допускаемых напряжений до 1,Зот дает экономию 32% по сравнению с массой, рассчитанной по допускаемым напряжениям 0,5 от для КУ СПК из стали 12Х18Н10Т

В заключении третьей главы приводится конструкция КУ СПК, технический результат от использования которого заключается в возможности применения материалов и конструктивных решений, обеспечивающих необрастание КУ в морской воде, а также применению несвариваемых материалов с высокой прочностью, в том числе и композиционных, а также материалов, подвергающихся термообработке или обработке в вакууме. Указанный результат достигается тем, что КУ собирается из плоских элементов, имеющих концевые устройства для соединения между собой с помощью болтов или заклепок. Концевые устройства имеют обтекаемый профиль и выборки под головки болтов и гайки (на данную конструкцию КУ СПК получен патент РФ на полезную модель)

При использовании не коррозионно-стойкого и обрастающего в морской воде материала, после сборки и сварки элемента, он в связи с небольшими размерами, покрывается металлизированным, лакокрасочным, или полимерным покрытием, обладающим необходимыми свойствами, при этом могут быть использованы камеры и термические печи для обеспечения высоких механических свойств покрытия и его адгезии с основным материалом При использовании композиционных материалов (например, сталь, усиленная вольфрамовой проволокой или углеродным (или борным) волокном или тканью) используется технология, принятая для этого композиционного материала с допустимыми технологическими операциями, возможными для небольших, почти плоских элементов, таких как нагрев, обработка давлением, вакуумирование и других.

Из изготовленных элементов с помощью болтовых соединений собирается на стапеле КУ по общепринятой сборочной технологии В случае

необходимости создания электрической изоляции между КУ и корпусом, стойки выполняют из двух элементов нижнего — из металла и верхнего - из полимерного материала, не проводящего электрический ток

Возможна несколько отличная конструкция стоек и крепления их с плоскостью, когда фланцы выполняются плоскими, а выступающие части болтового соединения закрываются обтекателями, крепящимися к основным элементам на винтах

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. В результате проведенного анализа имеющихся опубликованных данных по опыту эксплуатации СПК, а также опираясь на эксперименты, проведенные ОАО «ЦКБ по СПК им Р Е. Алексеева», выделены причины ограниченной долговечности и необходимости оценки эксплуатационного ресурса конструкций СПК (высокая напряженность конструкции; большая повторяемость нагрузок в связи с высокой скоростью судна и большой чувствительностью несущих элементов КУ к изменениям подъемной силы, низкие показатели усталостной прочности применяемых конструкционных материалов и их соединений).

2. Проведенный анализ влияния обрастания КУ на эксплуатационные характеристики СПК позволяет сделать вывод о необходимости выработки методов борьбы с данным явлением и, в качестве перспективного метода защиты, рекомендовано изготовление КУ из медных сплавов или использование металлизации КУ необрастающими материалами

3 По результатам анализа прочности и работоспособности судовых конструкций обоснована необходимость оценки эксплуатационного ресурса КУ, для чего, в первом приближении, выработаны требования по определению коэффициента надежности для расчета долговечности и требования к обеспечению безопасности плавания с учетом опыта самолетостроения («Нормы летной годности гражданских самолетов»).

4. Рассмотрена возможность использования на ранних стадиях проектирования для определения долговечности конструкции КУ СПК упрощенной усталостной диаграммы а-И и выведенной аналитической зависимости }(а), проведена оценка точности получаемых с нее результатов

5. В результате проведенного анализа норм прочности в судостроении обоснована необходимость учета усталостных характеристик материала при назначении допускаемых напряжений для КУ СПК;

6 С учетом усталостных характеристик материала разработан алгоритм определения ресурса КУ СПК в зависимости от мореходности, в качестве примера решен ряд задач по практическому применению данного алгоритма для материалов, применяемых для изготовления КУ СПК (12Х18Н10Т, 09Х17Н7Ю и АМг-61).

7. С учетом усталостных характеристик материала и коэффициента надежности для обеспечения заданного ресурса мореходности разработана методика назначения допускаемых напряжений для КУ СПК на ранних стадиях проектирования и произведены примеры расчета по ней допускаемых напряжений для материалов, ранее не применяемых для изготовления КУ СПК (бронзовый и титановый сплавы, высокопрочная аустенитная сталь).

8. Предложена конструкция КУ СПК, позволяющая изготавливать их из нетрадиционных для них материалов- высокопрочных несвариваемых материалов, материалов, подвергающихся термической и термохимической обработке, композиционных материалов (например, армированных высокопрочными волокнами углерода, бора и др.), применять металлизацию поверхности. На предложенную конструкцию получен патент на полезную модель.

Список публикаций по теме диссертации

1 Булгакова, А.В Нормирование допускаемых напряжений для крыльевых устройств судов на подводных крыльях / А В. Бунтикова, В А Васильев, Б.С. Перельман // Труды «Материаловедение и металлургия» Т 42 / Нижегородский государственный технический университет - Н Новгород: НГТУ -2004 -С. 172-180.

2 Расчет ресурса конструкций- методические рекомендации / сост Б С. Перельман, A.B. Бунтикова. - Н. Новгород: изд-во Нижегородского государственного педагогического университета, 2004. — 35 с.

3 Бунтикова, AB Назначение допускаемых напряжений с учетом усталостных характеристик материала (на примере крыльевых устройств судов на подводных крыльях) / A.B. Бунтикова, Б С Перельман // Сборник кратких сообщений / XXIV Российская школа по проблемам науки и технологий. - Екатеринбург: УрО РАН. - 2004. - С. 172-174.

4. Бунтикова, А.В Учет усталостных характеристик материала крыльевых устройств судов на подводных крыльях для обеспечения заданного ресурса / A.B. Бунтикова, Б.С. Перельман // Материалы научно-методической конференции. В 3 ч. Ч. 3. / Волжская государственная академия водного транспорта. - Н. Новгород ВГАВТ. - 2005. - С. 68-70.

5 Бунтикова, A.B. Допускаемые напряжения с учетом эксплуатационных факторов (на примере крыльевых устройств судов на подводных крыльях) / A.B. Бунтикова, Б.С. Перельман //Труды / VI Международная конференция «Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения». - СПб • Изд-во Политехнического университета - 2005 - С. 364366

6 Бунтикова, AB. Расчет прочности конструктивных элементов с металлизационными покрытиями / AB. Бунтикова, Б.С Перельман // «Будущее технической науки» Тезисы докладов IV Международной молодежной научно-технической конференции / Нижегородский

государственный технический университет. — Н Новгород Изд-во Нижегородского государственного технического университета. - 2005.- С. 189-190

7 Бунтикова, А В Совершенствование силовых схем крыльевых устройств судов на подводных крыльях / А В. Бунтикова, Б.С Перельман // Современные технологии в кораблестроительном и энергетическом образовании, науке и производстве Материалы Всероссийской науч.-тех. конф - Н. Новгород- Изд-во Нижегородского государственного технического университета - 2006 - С. 369-374.

8 Бунтикова, A.B. Обеспечение прочности конструкций по прототипу / А.В Бунтикова, Б С Перельман // IX Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике, аннотации докладов. - Н. Новгород: Изд-во Нижегородского государственного университета им Н.И. Лобачевского. -2006.-С. 171.

9. Бунтикова, A.B. Учет предела текучести при изгибе стали 12Х18Н10Т при расчете статической прочности крыльевых устройств / A.B. Бунтикова, Б.С. Перельман // «Будущее технической науки»- Тезисы докладов V Юбилейной Международной молодежной научно-технической конференции / Нижегородский государственный технический университет. -Н. Новгород: НГТУ.- 2006. -С 191

10. Бунтикова, A.B. Совершенствование эксплуатационных качеств судов на подводных крыльях / A.B. Бунтикова, Б С Перельман // Морской вестник -2007 - №1-С. 73-76.

11 Пат. 67056 Российская Федерация, МПК В 63 В 1/24. Крыльевое устройство судна на подводных крыльях / A.B. Бунтикова, Б.С Перельман -№2007106731; заявл. 21.02.2007; опубл. 10.10.2007, Бюл. №28. - 2с: ил

Подписано в печать 11 03 08 Формат 60 х 84 '/16 Бумага офсетная Печать офсетная Уч -изд л 1,0 Тираж 100 экз Заказ 167

Нижегородский государственный технический университет им Р Е Алексеева Типография НГТУ 603950, Нижний Новгород, ул Минина, 24

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. Крыльевые устройства судов на подводных крыльях: конструкция, материалы, опыт эксплуатации.

1.1. Конструкции крыльевых устройств судов на подводных крыльях.

1.2. Материалы, применяемые для крыльевых устройств судов на подводных крыльях.

1.3. Анализ опыта эксплуатации судов на подводных крыльях.

1.4. Влияние обрастания на эксплуатационные качества судов на подводных крыльях.

ГЛАВА II. Предложения по нормированию прочности конструкций крыльевых устройств судов на подводных крыльях.

2.1. Анализ ресурса в судостроении и по «Нормам летной годности гражданских самолетов».

2.2. Упрощенная диаграмма напряжения - число циклов.

2.3. Определение долговечности конструкции по диаграмме а-^Ы.

2.4. Анализ точности упрощенной диаграммы о-/^ по сравнению с экспериментальными исследованиями.

ГЛАВА III. Назначение допускаемых напряжений для крыльевых устройств судов на подводных крыльях.

3.1. Алгоритм определения ресурса крыльевых устройств судов на подводных крыльях с учетом усталостных характеристик материала.

3.2. Пример использования алгоритма определения ресурса крыльевых устройств судов на подводных крыльях.

3.3. Методика определения допускаемых напряжений для крыльевых устройств судов на подводных крыльях по заданным характеристикам.

3.4. Анализ возможности применения новых материалов для крыльевых устройств судов на подводных крыльях.

3.5. Конструкция крыльевых устройств судов на подводных крыльях для несвариваемых материалов.

Современные тенденции повышения скоростей водного транспорта за последние десятилетия XX в. привели в целом к бурному развитию судов с динамическими принципами поддержания, к каковым относятся и суда на подводных крыльях (СПК). Крыльевое устройство (КУ) данного типа судов представляет собой несущие поверхности, на которых при движении в воде вместе с судном создается гидродинамическая подъемная сила, способная поднять и стабильно удерживать идущее судно в надводном положении. От совершенства КУ СПК зависят такие важные характеристики судна как гидродинамическое качество, мореходность, устойчивость движения, а также технико-экономическая эффективность использования его в качестве транспортной машины. Более чем за 70-летний период развития СПК было запатентовано, разработано и испытано большое количество различных типов КУ. Многие из них так и остались в проектах, другие прошли первые испытания, но ряд различных типов КУ получило достаточное распространение и применяется на СПК серийной постройки.

Первый патент на судно с подводными крыльями был выдан в 1891 г. во Франции Ламберту. В 1898 г. Ламберт построил паровую лодку, по бортам которой было установлено по четыре небольших плоских крыла-пластины. Испытания, проведенные на реке Сене, подтвердили справедливость идеи получения более высоких скоростей на судах с подводными крыльями, хотя корпус лодки не полностью отрывался от воды, а само движение лодки не было устойчивым. Впоследствии работой по созданию данного типа судов занимались такие конструкторы-инженеры, как Форланини (подводное крыло этажерочного типа), Крокко и Рикальдони (катер с двумя У-образными, пересекающими свободную поверхность подводными крыльями, расположенными в носу и корме по схеме «тандем»), братья Райт, Ричардсон, Гвидони, Шертель, Зотторф. Большая заслуга в деле развития и совершенствования СПК принадлежит известному американскому изобретателю Грэхэму Беллу и канадскому инженеру Казею Болдуину.

Практические работы по созданию СПК в Советском Союзе начались в годы Великой отечественной войны в 1941-1945 гг. И здесь необходимо отметить работы по созданию скоростных судов выдающегося конструктора P.E. Алексеева. Им было предложено использовать зависимость подъемной силы от заглубления на участке от половины хорды до нуля, за счет чего достигается стабилизация движения судна на двух крыльях, расположенных в двух сечениях длины судна по дифференту и высоте. Это было предложено впервые, аналогов в мире не существовало, и именно на этом принципе были созданы все СПК конструкции P.E. Алексеева и ЦКБ по СПК.

С 1958 г. в СССР были построены следующие типы судов на ПК: речные теплоходы «Ракета», «Беларусь» и «Восход», катеры «Волга» и «Невка», теплоход «Метеор», морские теплоходы «Вихрь», «Комета» и «Стрела», озерный теплоход «Спутник», речной пассажирский теплоход «Чайка», озерный газотурбоход «Буревестник», морской газотурбоход «Тайфун». Многие суда советской постройки до сих пор эксплуатируются не только в России, но и за рубежом (Греция, Эстония, страны СНГ и др.).

В период с 1956 по 1989 год за рубежом построено 761 быстроходное судно, а уже с 1989 по 1998 год таких судов построено 628, и только 10,4 % среди них составляют СПК.

Снижение объема строительства и эксплуатации СПК в 90-х годах прошлого и в начале нынешнего столетия можно объяснить рядом особенностей: повышенная стоимость СПК по сравнению с другими скоростными судами за счет сложной конструкции подводных крыльев, необходимость ремонта в течении навигационного периода дефектов для неотработанных конструкций и возникающих в основном за счет специфических условий эксплуатации (посадка на мель, соударения с плавающими предметами) и необходимостью очистки крыльевых устройств (КУ) от биообрастания.

Но эффект, получаемый от эксплуатации СПК, а это и повышенная мореходность, и более комфортные условия по качкам и вибрациям при движении на волнении, и низкие, по сравнению с другими судами, энергетические затраты, как при движении на тихой воде, так и в штормовых условиях, во многих случаях не превышает затраты на устранение вышеназванных особенностей СПК. Но, несмотря на это, целесообразно в настоящее время устранять недостатки СПК, другими словами, следует свести к минимуму, без ущерба для безопасности, затраты на строительство, ремонт и эксплуатацию данного типа судов.

Таким образом, можно сформулировать цель диссертационного исследования: разработка методики назначения допускаемых напряжений для крыльевых устройств судов на подводных крыльях с учетом усталостных характеристик материала и условий эксплуатации и доработка конструкции КУ СПК.

Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:

- проведено исследование современных конструкций КУ СПК; проанализированы свойства применяемых для их изготовления материалов, а также требования, предъявляемые как к конструкции КУ, так и к материалам; показано перспективное направление в области создания новых материалов с целью снижения массы КУ СПК;

- проведен анализ опыта эксплуатации различных типов СПК, где показан усталостный характер повреждений КУ;

- выполнен анализ влияния обрастания на эксплуатационные качества СПК и способов защиты от него;

- проведен анализ прочности и работоспособности судовых конструкций и обоснована необходимость оценки эксплуатационного ресурса КУ СПК, в связи с чем выработаны требования по определению коэффициента надежности для расчета долговечности и требования к обеспечению безопасности плавания с учетом анализа «Норм летной годности гражданских самолетов»;

- проведено исследование возможности использования при расчете упрощенной диаграммы а-И на ранних стадиях проектирования, для чего проанализированы способы построения диаграмм о-И, выведена аналитическая зависимость ^N=/(0); здесь же проведена оценка точности получаемых с упрощенной диаграммы о-И результатов с экспериментальными данными;

- проведен анализ норм прочности в судостроении на сегодняшний день и обоснована необходимость учета усталостных характеристик материала в этих нормах, особенно для КУ СГЖ;

- разработан алгоритм определения ресурса КУ СПК с учетом усталостных характеристик материала, произведены примеры расчетов;

- разработана методика определения допускаемых напряжений для КУ СПК с учетом обеспечения заданного ресурса; произведены примеры расчета допускаемых напряжений трех новых для КУ СПК материалов;

- разработаны конструкции КУ СПК для изготовления их из нетрадиционных материалов, позволяющих решить проблему прочности, коррозии и биообрастания, а также использовать термические процессы для повышения предела прочности и нанесения покрытий.

В диссертационном исследовании основными методами исследования являются: анализ специальной, технической, справочной и научной литературы, а также данных, полученных экспериментально, по исследуемой теме, обобщение и систематизация полученных результатов анализа и эксперимента, методы статистики, математическое моделирование.

Выполнение работы в соответствии с вышеперечисленными задачами является новым и практически значимым результатом. Научная новизна работы заключается в:

- предложенной методике определения допускаемых напряжений для КУ СПК с учетом заданной долговечности;

- обоснованной возможности использования при расчете ресурса упрощенной диаграммы сг-А^на ранних стадиях проектирования;

- обоснованной необходимости учета усталостных характеристик материала в нормах прочности для КУ СПК;

- разработанном алгоритме определения ресурса КУ СПК с учетом усталостных характеристик материала и условий эксплуатации;

- усовершенствованных конструкциях КУ СПК решающих проблему их коррозии и биообрастания, и позволяющих использовать термические процессы для повышения предела прочности и нанесения покрытий, применения композиционных материалов.

Практическая значимость исследования заключается в следующем: на ранних стадиях проектирования при использовании упрощенной диаграммы а-Ы и выведенной аналитической зависимости для усталостной кривой с этой диаграммы ^N=$(0), используя предложенную методику назначения допускаемых напряжений для КУ СПК, появляется реальная возможность снижения массы КУ за счет применения для их изготовления нетрадиционных материалов. Применение нетрадиционных материалов в свою очередь дает возможность применять для изготовления КУ СПК высокопрочные коррозионные материалы, которые защищаются от коррозии путем нанесения защитных покрытий, избавиться от обрастания в морской воде. До настоящего времени все конструкции КУ СПК выполнялись сварными, что ограничивало возможность применения высокопрочных несвариваемых материалов, материалов подвергающихся термической и термохимической обработке, композиционных материалов, металлизации поверхностей, предложенные конструкции КУ СПК лишены вышеперечисленных недостатков. Достигается это тем, что КУ собирается из плоских элементов, имеющих концевые устройства для соединения между собой с помощью болтов или заклепок.

Степень обоснованности научных положений, выводов и рекомендаций обуславливается применением современных методов исследования, статистической обработкой с помощью ЭВМ результатов экспериментальных работ, реализацией научных разработок в производство, а их достоверность подтверждается опытом эксплуатации судов данного типа.

На защиту выносятся:

1) предложение по использованию на ранних стадиях проектирования упрощенной зависимости а-Ы и оценка точности получаемых с нее результатов с экспериментальными данными;

2) алгоритм определения ресурса конструкции КУ СПК в зависимости от усталостных характеристик материала, района плавания, характеристик волнения и примеры расчета ресурса для трех марок материалов: 12Х18Н10Т, 09Х17Н7Ю и АМг61;

3) методика определения допускаемых напряжений для КУ СПК с учетом усталостных характеристик материала, мореходности и заданного ресурса, позволяющая использовать для изготовления КУ СПК нетрадиционные материалы и снизить его массу и примеры применения данной методики для трех марок материалов: титанового сплава ПТЗВ, бронзового сплава БрОФ6,5-ОД5 и аустенитной стали 05Х22АГ14Н7М;

4) разработанные конструкции КУ СПК с оценкой возможного снижения массы данной конструкции по сравнению с классическим вариантом КУ СПК.

Результаты исследований докладывались, обсуждались и (или) публиковались на XXIV Российской школе по проблемам науки и технологий, посвященной 80-летию со дня рождения акад. В.П. Макеева (г. Миасс Челябинской области, 2004 г.), на научно-методической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и специалистов ВГАВТа (г. Н. Новгород, 2005 г.), на VI Международной конференции «Научно-технические проблемы надежности и долговечности конструкций и

10 методы их решения» (г. Санкт-Петербург, 2005 г.), на 4 и 5-й Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» (НГТУ, г. Н. Новгород, 2005, 2006 гг.), на Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии в кораблестроительном и энергетическом образовании, науке и производстве» (НГТУ, г. Н. Новгород, 2006 г.), на IX Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (г. Н. Новгород, 2006 г.).

Разработанная в диссертации методика назначения допускаемых напряжений с учетом усталостных характеристик материала используется ОАО «ЦКБ по СПК им. P.E. Алексеева» (акт внедрения прилагается).

Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 10 печатных публикациях, одна из которых представлена в журнале «Морской вестник» №1 (2007), входящем (до 1 января 2007г.) в перечень, рекомендуемый ВАК Министерства образования и науки РФ. На разработанную в работе конструкцию КУ СПК получен патент на полезную модель. Разработанная методика назначения допускаемых напряжений будет направлена в Регистр морского судоходства для получения рецензии и возможности использования ее в нормах прочности судостроения по России.

Диссертация состоит из введения, трех глав, общих выводов и списка литературы из 115 наименований, приложений; изложена на 128 страницах, включая 15 таблиц и 48 рисунков.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В результате проведенного анализа имеющихся опубликованных данных по опыту эксплуатации СПК, а также опираясь на эксперименты, проведенные ОАО «ЦКБ по СПК им. P.E. Алексеева», выделены причины ограниченной долговечности и необходимости оценки эксплуатационного ресурса конструкций СПК (высокая напряженность конструкции; большая повторяемость нагрузок в связи с высокой скоростью судна и большой чувствительностью несущих элементов КУ к изменениям подъемной силы; низкие показатели усталостной прочности применяемых конструкционных материалов и их соединений);

2. Проведенный анализ влияния обрастания КУ на эксплуатационные характеристики СПК позволяет сделать вывод о необходимости выработки методов борьбы с данным явлением и, в качестве перспективного метода защиты, рекомендовано изготовление КУ из медных сплавов или использование металлизации КУ необрастающими материалами;

3. По результатам анализа прочности и работоспособности судовых конструкций, обоснована необходимость оценки эксплуатационного ресурса КУ, для чего, в первом приближении, выработаны требования по определению коэффициента надежности для расчета долговечности и требования к обеспечению безопасности плавания с учетом опыта самолетостроения («Нормы летной годности гражданских самолетов»);

4. Рассмотрена возможность использования для определения долговечности конструкции КУ СПК, на ранних стадиях проектирования, упрощенной усталостной диаграммы a-N, выведенной по ней аналитической зависимости lgN=f(a) и проведена оценка точности получаемых с нее результатов по сравнению с экспериментом;

В результате проведенного анализа норм прочности в судостроении обоснована необходимость учета усталостных характеристик материала при назначении допускаемых напряжений для КУ СПК;

С учетом усталостных характеристик материала разработан алгоритм определения ресурса КУ СПК в зависимости от мореходности, в качестве примера решен ряд задач по практическому применению данного алгоритма для материалов, применяемых для изготовления КУ СПК (12Х18Н10Т, 09X17Н7Ю и АМг-61);

С учетом усталостных характеристик материала и коэффициента надежности, для обеспечения заданного ресурса мореходности, разработана методика назначения допускаемых напряжений для КУ СПК, на ранних стадиях проектирования, и произведены примеры расчета по ней допускаемых напряжений для материалов, ранее не применяемых для изготовления КУ СПК (бронзовый и титановый сплавы, высокопрочная аустенитная сталь);

Предложена конструкция КУ СПК позволяющая изготавливать их из нетрадиционных для них материалов: высокопрочных несвариваемых материалов, материалов, подвергающихся термической и термохимической обработке, композиционных материалов (например, армированных высокопрочными волокнами углерода, бора и др.), применять металлизацию поверхности. На предложенную конструкцию получен патент на полезную модель.

1. Алюминиево-никелевые бронзы. М.: Металлургия. - 1966.

2. Андреева, В.В. Новые конструкционные химически стойкие металлические материалы / В.В. Андреева, В.И. Казаринов. М.: Госхимиздат. - 1961.

3. Бакаев, В.Г. Эксплуатация морского флота / В.Г. Бакаев. М.: Транспорт. - 1965.

4. Балуев, А.И. Материалы судов гребных винтов: обзор / А.И. Балуев, Л.Л. Попилова, Д.И. Чашников. Л.: Судостроение. - 1974.

5. Безукладов, В.Ф. Усталостная и коррозионно-усталостная прочность высокопрочной нержавеющей стали марки 0Х17Н7Ю / В.Ф. Безукладов, В.Ю. Воронин, И.И. Гринвальд, Г.А. Лаансон, Ю.Н. Шавров // Технология судостроения. 1969. - №5.

6. Безукладов, В.Ф. Усталость судостроительных сталей и прочность судовых конструкций / В.Ф. Безукладов, Г.С. Чувиковский, B.C. Чувиковский, Е.М. Шевандин // Судостроение. 1957. - №2.

7. Бойцов, Г.В. О прочности корпусов судов на подводных крыльях / Г.В. Бойцов // Судостроение. 1965. - №3.

8. Бойцов, Г.В. Прочность и конструкция корпусов судов новых типов / Г.В. Бойцов, О.М. Палий. Л.: Судостроение. - 1979.

9. Бойцов, Г.В. Прочность и работоспособность корпусных конструкций / Г.В. Бойцов, С.Д. Кноринг. Л.: Судостроение. - 1972.

10. Бойцов, Г.В. Прочность судовых конструкций из алюминиевых сплавов / Г.В. Бойцов, В.М. Небывалов, Г.О. Таубин. Л.: Судпромгиз. -1962.

11. Болотин, В.В. Прогнозирование ресурса машин и конструкций / В.В. Болотин. М.: Машиностроение. - 1984.

12. Брондз, Л.Д. Технология и обеспечение ресурса самолетов / Л.Д. Брондз. М.: Машиностроение. - 1986.

13. Бубнов, И.Г. Избранные труды / И.Г. Бубнов. JL: Судостроение. -1980.

14. Бунтикова, A.B. Совершенствование эксплуатационных качеств судов на подводных крыльях / A.B. Бунтикова, Б.С. Перельман // Морской вестник. 2007. - №1.

15. Быков, В.А. Механические свойства новых металлических материалов для гребных винтов / В.А. Быков, В.О. Вакорин, К.И. Николаев // Труды ЖИ. Вып. 16. 1969.

16. Быков, В.А. Пластичность и прочность конструкционной стали / В.А. Быков. Д.: Судпромгиз. - 1959.

17. Быков, В.А. Циклическая прочность судокорпусных сталей / В.А. Быков, И.А. Разов, Л.Ф. Художникова. JL: Судостроение. - 1968.

18. Ваганов, A.M. Проектирование скоростных судов: учеб. для вузов / A.M. Ваганов. JL: Судостроение. - 1978.

19. Вакорин, В.О. Коррозионно-усталостная прочность новых металлических материалов для гребных винтов и крыльевых устройств судов. Автореферат диссертации / В.О. Вакорин. Л.: ЛКИ. - 1971.

20. Вейбулл, В. Усталостные испытания и анализ их результатов / В. Вейбулл. М.: Машиностроение. - 1964.

21. Вейнгаартен, A.M. Современные высокопрочные нержавеющие стали / A.M. Вейнгаартен, Л.В. Воронина, И.И. Гринвальд, Г.А. Лаансон // Технология судостроения, 1966. - №5.

22. Вечерова, Л.В. Материалы крыльевых систем современных американских КПК / Л.В. Вечерова // Судостроение за рубежом. 1976. - №9.

23. Видуцкий, Л.М. Развитие судов на подводных крыльях за рубежом / Л.М. Видуцкий // Судостроение. 1962. - №3.

24. Гаврилов, М.Н. Повреждения и надежность корпусов судов / М.Н. Гаврилов, A.C. Брикер, М.Н. Эпштейн. Л.: Судостроение. - 1978.

25. Георгиевская, Е.П. Кавитационная эрозия гребных винтов и методы борьбы с ней / Е.П. Георгиевская. Л.: Судостроение. - 1970.

26. Гире, И.В. Испытания мореходных качеств судов / И.В. Гире, A.A. Русецкий, Ю.А. Нецветаев. Л.: Судостроение. - 1965.

27. Глуховский, Б.Х. Исследование морского ветрового волнения / Б.Х. Глуховский. Л.: Гидрометиздат. - 1966.

28. Гринвальд, И.И. Нержавеющие стали 0Х15Н4ГЗ и 0Х17Н6Т для крыльевых устройств морских судов / И.И. Гринвальд, Г.А. Лаансон // Труды НТО судпрома. Вып. 129. Л.: Судостроение. - 1969.

29. Гудков, А.И. Внешние нагрузки и прочность летательных аппаратов / А.И. Гудков, Б.С. Лешаков. М.: Машиностроение. - 1968.

30. Гудков, А.И. Внешние нагрузки и прочность летательных аппаратов / А.И. Гудков, П.С. Лешаков, П.П. Райков. М.: Оборонгиз. -1963.

31. Гуревич, М.И. Анализ повреждений конструкций судов на подводных крыльях в эксплуатации / М.И. Гуревич, Б.С. Перельман, Б.В. Чубиков. Горький: Волго-Вятское книжное издательство. - 1971.

32. Гуревич, М.И. Вопросы долговечности крыльевых устройств судов на подводных крыльях / М.И. Гуревич, Б.С. Перельман. // Труды НТО Судпрома. Вып. 74. JL: Судостроение. - 1966.

33. Гуревич, М.И. Вопросы прочности конструкций судов на подводных крыльях. Диссертация на соискание ученой степени кандидата тех. наук / М.И. Гуревич. Горький: ГТУ им. Н.И. Лобачевского. - 1970.

34. Гуревич, М.И. Вопросы прочности крыльевых устройств судов / М.И. Гуревич, Б.С. Перельман // Судостроение. 1969. -№11.

35. Гуревич, М.И. Длительная прочность и ресурс конструкций судов на подводных крыльях / М.И. Гуревич, Б.С. Перельман, В.Е. Савицкий // Вопросы судостроения. Горький: Волго-Вятское книж. изд-во. - 1971.

36. Гуревич, М.И. К вопросу о выборе материала крыльевых устройств судов / М.И. Гуревич, Б.С. Перельман // Труды НТО Судпрома. Вып. 101. -Л.: Судостроение 1968.

37. Гуревич, М.И. Некоторые практические методы оценки усталостной долговечности конструкций / М.И. Гуревич. Н. Новгород: изд-во ННГУ им. Н.И. Лобачевского. - 1992.

38. Дементьев, В.А. Определение массы металлического корпуса на подводных крыльях / В.А. Дементьев // Труды НТО судпрома. Вып. 159. Л.: Судостроение. - 1971.

39. Екимов, В.В. Вероятностные методы в строительной механике корабля / В.В. Екимов. Л.: Судостроение. - 1966.

40. Зайцев, М.А. Отечественные суда на подводных крыльях / М.А. Зайцев, А.И. Маскалик. Л.: Судостроение. - 1967.

41. Зиганченко, П.П. Вопросы эксплуатационной прочности судов на подводных крыльях // П.П. Зиганченко, Б.П. Кузовенков // ЦП НТО Судпрома. Вып. 101. Л.: Судостроение. - 1968.

42. Зиганченко, П.П. Суда на подводных крыльях / П.П. Зиганченко, Б.П. Кузовенков, И.К. Тарасов. Л.: Судостроение. - 1981.

43. Злобин, Г.П. Влияние уменьшения массы крыльевых устройств на ходовые качества СПК / Г.П. Злобин, Б.П. Кузовенков // Судостроение за рубежом. 1967. - №9.

44. Злобин, Г.П. Суда на подводных крыльях и воздушной подушке / Г.П. Злобин, С.П. Смигельский. Л.: Судостроение. - 1967.

45. Иконников, В.В. Особенности проектирования и конструкции судов на подводных крыльях / В.В. Иконников, А.И. Маскалик. Л.: Судостроение. - 1987.

46. Карпенко, Г.В. Влияние среды на прочность и долговечность металлов / Г.В. Карпенко. Киев: изд-во «Наукова думка». - 1976.

47. Кацман, Ф.М. Пропульсивные качества морских судов / Ф.М. Кацман, А.Ф. Пустоцкий, В.М. Штумиф. Л.: Судостроение. - 1972.

48. Кноринг, С.Д. Анализ опыта эксплуатации корпусов отечественных транспортных судов / С.Д. Кноринг, Ю.Ф. Лепп // Труды НТО Судпрома. Вып. 66.-1965.

49. Кноринг, С.Д. К вопросу о нормировании общей прочности морских транспортных судов / С.Д. Кноринг, Г.О. Таубин, М.В. Филиппео // Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. Вып. 245. 1968.

50. Когаев, В.П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени / В.П. Когаев. М.: Машиностроение. - 1977.

51. Козляков, В.В. Некоторые вопросы оценки и обеспечения надежности конструкций морских транспортных судов / В.В. Козляков // Труды НТО Судпрома. Вып. 139. 1969.

52. Козляков, В.В. О стандарте прочности морских транспортных судов / В.В. Козляков, В.И. Лазарев, Ю.В. Плеханов // Судостроение. 1965. - №2.

53. Козляков, В.В. Об оценке и обеспечении усталостной прочности морских транспортных судов /В.В. Козляков // Труды НТО Судпрома. Вып. 66.-1969.

54. Козляков, В.В. Об оценке усталостной прочности конструкций морских транспортных судов при постройке и ремонте /В.В. Козляков, C.B. Петинов // Труды ЖИ. Вып. 59. 1967.

55. Колызаев, Б.А. Справочник по проектированию судов с динамическими принципами поддержания / Б.А. Колызаев, А.И. Косоруков, В.А. Литвиненко. Л.: Судостроение. - 1980.

56. Конструкционные материалы: справочник / под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. М.: Машиностроение. - 1990.

57. Корнилов, И.И. Титан: источники, составы, свойства, металлохимия и применение / И.И. Корнилов. М.: Наука. - 1975.

58. Короткин, И.М. Аварии судов на воздушной подушке и подводных крыльях / И.М. Короткин. Л.: Судостроение. - 1981.

59. Короткин, Я.И. Вопросы прочности морских транспортных судов / И.Я. Короткин. Л.: Судостроение. - 1965.

60. Косматов, В.И. К вопросу об оценке фактического срока службы крыльевых устройств / В.И. Косматов, Н.М. Спиридонова // Труды НТО Судпрома. Вып. 196. Л.: Судостроение. - 1973.

61. Костюков, A.A. Сопротивление воды движению судов / A.A. Костюков. Л.: Судостроение. - 1966.

62. Кравченко, П.Е. Усталостная прочность: учеб. для вузов / П.Е. Кравченко. М.: Высшая школа. - 1960.

63. Кудрявцев, Н.В. Эксплуатация и ремонт судов на подводных крыльях / Н.В. Кудрявцев, А.И. Недякин, Е.А. Панков. М.: Транспорт. -1964.

64. Кузовенков, Б.П. Весовые характеристики корпусов и крыльевых устройств / Б.П. Кузовенков // Судостроение. 1969. - №7.

65. Кузовенков, Б.П. Некоторые сведения по повреждениям крыльевых устройств / Б.П. Кузовенков // Труды НТО судпрома. Вып. 101. JL: Судостроение. - 1968.

66. Кузовенков, Б.П. Основные требования к конструктивному оформлению узлов крыльевых устройств / Б.П. Кузовенков // труды НТО судпрома. Вып. 145. Л.: Судостроение. - 1970.

67. Кузовенков, Б.П. Применяемые материалы и весовые характеристики корпусов и крыльевых устройств СПК / Б.П. Кузовенков // Сб. ЦПНТО СП. Вып. 79. Л.: Судостроение. - 1966.

68. Кузьминов, С.А. Повышение работоспособности крыльевых устройств из нержавеющих талей технологическими способами / С.А. Кузьминов, Н.М. Спиридонова // Труды НТО судпрома. Вып. 229. Л.: Судостроение. - 1969.

69. Лазаренко, С.П. Исследование коррозионной стойкости легированных алюминиевых бронз для изготовления гребных винтов / С.П. Лазаренко, В.В. Чубукова, Б.П. Аравин // Технология судостроения. 1971. -№4.

70. Логвинович, Г.В. Удар твердого тела о сжимаемую жидкость / Г.В. Логвинович // Труды ЦАГИ. Вып. 688. 1956.

71. Макаревский, А.И. Прочность самолета / А.И. Макаревский, H.H. Корчемкин, Т.А. Француз, В.М. Чижов. М.: Машиностроение. - 1975.

72. Максимаджи, А.И. Низколегированные стали в судостроении / А.И. Максимаджи, O.A. Новиков, Л.Г. Соколов. Л.: Судостроение. - 1964.

73. Максимаджи, А.И. Прочность морских транспортных судов. Вопросы применения стали повышенной прочности / А.И. Максимаджи. Л.: Судостроение. - 1976.

74. Маттес, Н.В. Прочность судов на подводных крыльях / Н.В. Маттес, A.B. Уткин // Труды НТО судпрома. Вып. 59. Л.: Судостроение. -1964.

75. Маттес, Н.В. Прочность судов на подводных крыльях / Н.В. Маттес, А.В. Уткин. Л.: Судостроение. - 1966.

76. Механическая усталость в статическом аспекте / Сб. под ред. C.B. Серенсена и В.П. Когаева. М.: «Наука». - 1969.

77. Мещеряков, В.В. Опыт эксплуатации крыльевых устройств морских судов / В.В. Мещеряков, A.M. Вейнгаартен, Г.А. Лаансон, И.И. Гринвальд, Н.М. Спиридонова // Технология судостроения. 1966. - №2.

78. Мещеряков, В.В. Требования к материалам для крыльевых устройств (из иностранного опыта) / В.В. Мещеряков, Г.А. Лаансон, В.Ф. Носикова // Технология судостроения.- 1960. №2.

79. Морское обрастание и борьба с ним / под ред. Никитина В.Н., Тарасова Н.И. М.: Воениздат. - 1957.

80. Муругов, B.C. Морские суда на подводных крыльях / B.C. Муругов, О.В. Яременко. М.: Морской транспорт. - 1962.

81. Нормы летной годности гражданских самолетов СССР. Межведомственная комиссия по нормам летной годности гражданских самолетов и вертолетов СССР. М. - 1980.

82. Обрастание и биокоррозия в водной среде. М.: Наука. - 1981.

83. Обрастание и биоповреждения: Экологические проблемы. М.: Наука. - 1992.

84. Одинг, И.А. Допускаемые напряжения в машиностроении и циклическая прочность металлов / И.А. Одинг. М.: Машгиз. - 1962.

85. Отчет по теме «Повышение опасных напряжений для КУ проекта 133». (133-061-349). Горький: ЦКБ по СПК им. Р.Е. Алексеева. 1980.

86. Павлов, М.Г. Вопросы прочности морских судов на подводных крыльях / М.Г. Павлов, И.К. Тарасов // Судостроение за рубежом. 1973. -№2.

87. Пат. 67056 Российская Федерация, МПК В 63 В 1/24. Крыльевое устройство судна на подводных крыльях / А.В. Бунтикова, Б.С. Перельман. -№2007106731; заявл. 21.02.07; опубл. 10.10.2007, Бюл. №28. 2 е.: ил.

88. Петинов, C.B. Основы инженерных расчетов усталости судовых конструкций / C.B. Петинов. Д.: Судостроение. - 1990.

89. Повицкий, A.C. Удар при посадке гидросамолета / A.C. Повицкий // Труды ЦАГИ. Вып. 199. 1935.

90. Правила классификации и постройки морских судов / Регистр Союза ССР: в 2 т. Т. 2. М.: Транспорт. - 1974.

91. Пульцин, Н.М. Титановые сплавы и их применение в машиностроении / Н.М. Пульцин. М.: Машгиз. - 1962.

92. Путов, Н.Е. К вопросу о переходе в морском стальном судостроении от стали Ст.4с к другим маркам стали / Н.Е. Путов // Труды ЖИ. Вып. 16.-1955.

93. Рагг, М. Защита судов от обрастания и коррозии / М. Рагг // перевод с нем. Ю.Н. Вахромеева. Д.: Судпромгиз. - 1960.

94. Расчет ресурса конструкций: методические рекомендации / сост. Б.С. Перельман, A.B. Бунтикова. Н. Новгород: изд-во Нижегородского государственного педагогического университета, 2004.

95. Регистр СССР: Ветер и волны в океанах и морях / справочные данные. Д.: Судостроение. - 1974.

96. Российский Морской Регистр судоходства: Правила классификации и постройки высокоскоростных судов. СПб. - 2004.

97. Российский Речной Регистр: Правила классификации и постройки судов внутреннего плавания. М.: Марин инжиниринг сервис. - 1995

98. Серенсен, C.B. Несущая способность и расчеты деталей машин на прочность / C.B. Серенсен, В.П. Когаев, P.M. Шнейдерович. М.: Машиностроение. - 1975.

99. Симонов, Ю.А. Из опыта эксплуатации СПК за рубежом / Ю.А. Симонов // Судостроение. 1967. - №8.

100. Соколов, H.H. Гребные винты из алюминиевой бронзы / H.H. Соколов, С.П. Дазаренко, В.И. Журавлев. Д.: Судостроение. - 1971.128

101. Соколов, H.H. Гребные винты из алюминиевой бронзы / H.H. соколов, С.П. Лазаренко, В.И. Журавлев. Л.: судостроение. - 1971.

102. Тавадзе, Ф.Н. Коррозионная стойкость титановых сплавов / Ф.Н. Тавадзе, С.Н. Манджгаладзе. М.: Металлургия. - 1969.

103. Управляемость и ходкость судов / Под ред. В.Г. Павленко. М.: Транспорт. - 1991.

104. Фабрикантова, В.П. Защитные покрытия для подводных крыльев морских судов / В.П. Фабрикантова. Л.: Судостроение. - 1972.

105. Француз, Т.А. Методы определения срока службы самолета от действия повторяющихся в эксплуатации нагрузок / Т.А. Француз, В.Л. Райхер // Труды ЦАГИ. Вып. 727. 1958.

106. Химич, В.Л. Энергетические установки высокоскоростных судов. 4.2. / В.Л. Химич, Ю.П. Чернигин. Нижний Новгород: НГТУ. - 2003.

107. Червякова, В.В. Сложные латуни и бронзы: Свойства, строение и вопросы технологии /В.В. Червякова, A.A. Пресняков. Алма-Ата: Наука. -1974.1. УТВЕРЖДАЮ1. АКТ

108. Ведущий конструктор ОАО «ЦКБ по СПК им. P.E. Алексеева»1. М.Е. Козлова

109. Начальник отдела прочности ОАО «ЦКБ по СПК им. P.E. Алексеева»1. А.П. Нечитайло1. ВОССШПЙОШК ФВДВРАЩИШ670561. КРЫЛЬЯХ

110. Патентообладатель(ли): Перельман Борис Семенович (ЖЧ), Бунтикова Алла Владимировна (ЯП)

111. Автор(ы): Перельман Борис Семенович (Ки), Бунтикова Алла Владимировна (Я11)1. Заявка №2007106731

112. Приоритет полезной модели 21 февраля 2007 г. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 10 октября 2007г.

113. Срок действия патента истекает 21 февраля 2012 г.

114. Руководитель Федеральной службы по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам1. Б.П. Симонов1. РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ19, (11)67 056(13) U151. МПК1. В63В 1/24 (2006.01)

115. КРЫЛЬЕВОЕ УСТРОЙСТВО СУДНА НА ПОДВОДНЫХ КРЫЛЬЯХ57. Формула полезной модели

116. Крыльевое устройство по п.1, отличающееся тем, что соединительные фланцы выполнены прямолинейными, а узлы соединения закрыты легкими обтекателями, крепящимися к основным элементам КУ и между собой винтами.

117. Крыльевое устройство по п.1, отличающееся тем, что стойки по высоте состоят из двух элементов, причем верхняя часть стойки выполняется из электроизоляционного материала.1. Стр.: 1