СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КОРПУСА СУДНА, ИЗГОТОВЛЕННОГО ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, НАХОДЯЩЕГОСЯ В ЭКСПЛУАТАЦИИ, ИСПОЛЬЗУЮЩИЙ РЕЗУЛЬТАТЫ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ПО ОБНАРУЖЕНИЮ ДЕФЕКТОВ ТИПА РАССЛОЕНИЕ Российский патент 2009 года по МПК G01N29/09 

Предлагаемое изобретение относится к морской технике, а именно к области технической эксплуатации, в частности способам определения технического состояния корпуса судна, изготовленного из композиционных материалов, в процессе эксплуатации.

Известно, что в настоящее время способ определения технического состояния корпуса судна из композиционных материалов в процессе эксплуатации базируется только на визуальном внешнем осмотре.

В соответствии с практикой, сложившейся в мировом судоходстве, одним из достоверных критериев оценки эксплуатационной прочности и долговечности корпуса судна является наблюдение за динамикой развития в нем различных эксплуатационных дефектов и износов. Развитие дефектов в корпусной конструкции ведет к снижению ее прочностных качеств и способности противостоять неблагоприятным эксплуатационным воздействиям. Для корпусов судов, изготовленных из традиционных материалов, величина дефекта или износа определяется по изменению геометрических размеров поперечного сечения связей корпуса и связанных с ними механических характеристик (момента инерции сечения, момента сопротивления сечения). По достижении определенных размеров дефекта или износа напряжения, действующие в конструкции в районе его расположения, превышают пределы прочности, установленные проектантом и изготовителем судна, в качестве предельно допустимых. Это может привести как к разрушению конструкции при расчетных режимах движения, так и к непропорциональному увеличению зоны аварийных разрушений при нештатных эксплуатационных ситуациях (см. Российский Речной Регистр. Правила, том 1. М.: По Волге, 2002 - 270 с.).

В отличие от других материалов, применяемых для изготовления корпусов судов, слоистые композиты типа стеклопластика в процессе старения практически не изменяют своего внешнего вида и размеров, но в них возникают внутренние дефекты типа расслоение. В ряде случаев состарившийся расслоившийся стеклопластик с восстановленным декоративным покрытием внешне мало отличается от нового материала. Поэтому анализ изменения геометрических размеров сечения конструкции из композиционных материалов в процессе эксплуатации не имеет смысла.

Корпус современного судна из композиционных материалов, эксплуатируемого, как правило, в условиях высоких динамических нагрузок, - это система поверхностей, образующих объемно-прочную конструкцию. И корпус без палубы, и палуба без корпуса не обладают достаточной прочностью и жесткостью. Только после соединения их в единое целое, установки в жесткий 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. Возникающие в подобной конструкции внутренние дефекты являются важным фактором, ухудшающим эксплуатационные качества корпусных конструкций и сокращающим срок службы корпусов судов из композиционных материалов.

Способ определения технического состояния корпуса судна из композиционных материалов в процессе эксплуатации базируется на выявлении и измерении параметров внутренних дефектов корпусных конструкций методами неразрушающего контроля.

Известно, что для выявления различных внутренних дефектов, в частности дефектов типа расслоение, в стеклопластиковых корпусных конструкциях вновь построенного судна могут быть применены различные методы неразрушающего контроля (см. Гершберг М.В., Илюшин С.В., Смирнов В.И. Неразрушающие методы контроля судостроительных стеклопластиков. Л.: Судостроение, 1971. 199 с.).

Известно, что для неразрушающего контроля многослойных конструкций из композиционных материалов хорошие результаты дают акустические низкочастотные методы неразрушающего контроля (см. Ланге Ю.В. Акустические низкочастотные методы неразрушающего контроля многослойных конструкций из композитных материалов. - М.: Машиностроение, 1991).

Известно, что для обнаружения внутренних дефектов типа расслоение акустическими низкочастотными методами неразрушающего контроля в стеклопластиковых конструкциях, имеющих толщину от 5 до 50 мм, наилучшие результаты дают импедансный метод с совмещенным и раздельно-совмещенным преобразователями и метод свободных колебаний (см. Неразрушающий контроль и диагностика. Справочник. Под ред. В.В.Клюева. - М.: Машиностроение, 1995. - 488 с.).

Известно, что в настоящее время созданы дефектоскопы, реализующие импедансный метод и метод свободных колебаний, которые, кроме обнаружения внутреннего дефекта типа расслоение, могут еще и измерять его площадь (см. Ланге Ю.В. и др. Новые низкочастотные акустические дефектоскопы для неразрушающего контроля многослойных конструкций. - В мире неразрушающего контроля №3, 2004, с.12-13).

В предлагаемом способе определения технического состояния корпуса судна, изготовленного из композиционных материалов, находящегося в эксплуатации, для неразрушающего контроля по обнаружению внутренних дефектов типа расслоение используется прибор ДАМИ-С, реализующий импедансный метод с раздельно-совмещенным преобразователем РС-1 и метод свободных колебаний с преобразователем ИПУ-1 и позволяющий измерить площадь обнаруженного внутреннего дефекта.

Для достоверной оценки технического состояния корпуса судна из композиционных материалов полученные результаты требуют соотнесения с критериями эксплуатационной прочности и долговечности.

Под критерием эксплуатационной прочности и долговечности корпуса судна, изготовленного из композиционных материалов, находящегося в эксплуатации, понимается оценка изменений его прочностных свойств с учетом возникших в процессе эксплуатации внутренних дефектов типа расслоение. Оценка изменения прочностных свойств представляет собой сопоставление прочностных свойств конструкции, рассчитанных в соответствии с действующими нормами проектирования для нового корпуса, и прочностных свойств той же конструкции, рассчитанных с учетом наличия в ней дефектов типа расслоение, возникших в процессе эксплуатации, имеющих определенные геометрические параметры. В качестве основного критерия изменения прочностных характеристик в рассматриваемом сечении принимается изменение расчетных напряжений.

Расчетные напряжения, действующие в рассматриваемом сечении конструкции, непосредственным образом связаны с величинами геометрических параметров внутренних дефектов типа расслоение, существующих в конструкции.

Предельно допустимые величины геометрических параметров внутренних дефектов типа расслоение, существующих в конструкции, определяются с учетом гарантии ее целостности или практической неизменяемости формы конструкции в течение всего срока эксплуатации. Они оцениваются с позиции обеспечения прочности конструкции, устойчивости, жесткости и долговечности (ресурса).

Предельная величина утраты прочностных свойств конструкции определяется достижением геометрических параметров дефектов типа расслоение таких величин, при наличии которых уровень действующих в конструкции напряжений превышает предельно допустимый уровень, установленный нормами проектирования.

В качестве опасных напряжений принимаются пределы прочности стеклопластика при сжатии, растяжении и сдвиге, уменьшенные в соответствии с ожидаемым влиянием эксплуатационных факторов, либо эйлеровы напряжения связи, определенные с учетом сдвига.

Назначение опасных напряжений для судовых конструкций из композиционных материалов производится дифференцировано, в зависимости от условий работы той или иной связи. Нормы опасных напряжений учитывают длительность и характер действия нагрузки, а также изменение работоспособности конструкций с различным армированием в зависимости от этих факторов.

Нормирование опасных напряжений осуществляется в соответствии с требованиями ОСТ5.1068-75 «Корпуса и корпусные конструкции из стеклопластика. Расчеты прочности». ЦНИИТС, Л., 1975.

Для общих и местных кратковременно действующих напряжений, вне района соединений, опасными значениями являются:

- для нормальных напряжений

где σ_B - предел прочности материала при соответствующем виде деформаций;

k - коэффициент, учитывающий изменение свойств стеклопластика в результате старения, увлажнения, нагрева и технологии изготовления;

- для касательных напряжений

где τ_B - предел прочности стеклопластика при сдвиге в плоскости или межслойном сдвиге;

k - коэффициент, учитывающий изменение свойств стеклопластика в результате старения, увлажнения, нагрева и технологии изготовления.

Для общих нормальных и касательных напряжений, которые могут привести к потере устойчивости конструкции, опасное напряжение должно приниматься равным расчетному критическому напряжению с учетом анизотропии для обшивки и сдвига для набора.

Таблица 1
Значение коэффициента k для судов длиной более 15 м Наименование связей k Тканое армирование Нетканое армирование Настил палубы, палубный стрингер 0,45 0,40 Набор палубы 0,60 0,55 Обшивка днища и борта, ширстрек 0,50 0,45 Продольный и поперечный набор 0,55 0,50 Соединительные элементы 0,25 0,25 Водонепроницаемые переборки 0,20 0,25

При вычислении теоретических эйлеровых напряжений связей расчетные значения модулей нормальной упругости должны приниматься равными

где Е - значения модулей нормальной упругости при кратковременных лабораторных испытаниях сухих образцов;

n - коэффициент, учитывающий изменение модулей в результате старения, увлажнения, нагрева и технологии изготовления.

Для модулей сдвига:

где G - значения модулей сдвига при кратковременных лабораторных испытаниях сухих образцов;

n - коэффициент, учитывающий изменение модулей в результате старения, увлажнения, нагрева и технологии изготовления.

Таблица 2
Значение коэффициента k для судов длиной 15 м и менее Наименование связей k Тканое армирование Нетканое армирование Настил палубы, палубный стрингер 0,30 0,25 Набор палубы 0,30 0,25 Обшивка днища и борта, ширстрек 0,30 0,25 Продольный и поперечный набор 0,30 0,25 Соединительные элементы 0,25 0,25 Водонепроницаемые переборки 0,20 0,25

Таблица 3
Значение коэффициента n для судов длиной более 15 м Наименование связей n Тканое армирование Нетканое армирование Настил палубы, палубный стрингер
Набор палубы 0,55
0,75 0,50
0,70 Обшивка днища и борта, ширстрек 0,65 0,60 Продольный и поперечный набор 0,70 0,65

Таблица 4
Значение коэффициента n для судов длиной 15 м и менее Наименование связей n Тканое армирование Нетканое армирование Настил палубы, палубный стрингер
Набор палубы 0,55
0,60 0,55
0,60 Обшивка днища и борта, ширстрек 0,60 0,60 Продольный и поперечный набор 0,60 0,60

Одной из причин возникновения внутренних дефектов типа расслоение в корпусе судна с динамическими принципами поддержания служат удары брызг о поверхность корпуса при движении. Согласно работе (см. Клейтон Б., Бишоп Р. Механика морских судов. Пер. с англ. - Л.: Судостроение, 1986. - 436 с.) брызги, создаваемые движущимся судном, выбрасываются как вперед, так и назад. Скорость выброса брызг направлена поперек корпуса судна, но при этом она имеет направленную назад составляющую.

На фиг.1 изображена схема действия усилий на поверхность днищевой обшивки судна с динамическими методами поддержания при движении. Изображен корпус на виде снизу и виде спереди. Изображение взято из книги (Клейтон Б., Бишоп Р. Механика морских судов. Пер. с англ. - Л.: Судостроение, 1986. - 436 с.).

Образование брызг вызвано динамическими нагрузками, имеющими составляющую, приложенную нормально к поверхности обшивки корпуса. При этом на ограниченных площадках развиваются пиковые значения давлений, действие которых на композит эквивалентно удару. Брызгообразование происходит в зоне пересечения обшивкой корпуса поверхности воды.

На фиг.2 изображен корпус глиссирующего судна, движущегося по взволнованной поверхности, находящегося в состоянии продольных колебаний.

В связи с продольными и поперечными колебаниями корпуса в процессе движения зона возникновения дефектов типа расслоение от брызгообразования напоминает по форме ленту, расположенную в районе переменной ватерлинии (см. фиг.3 и 4). В условиях кормового дифферента движения глиссирующего судна большему влиянию воздействия брызг подвержена его носовая оконечность. Еще больше это влияние усиливают продольные колебания корпуса, связанные с движением по волне. При глиссировании энергия движения брызг на поверхности корпуса частично преобразуется в энергию удара. Степень этого преобразования тем больше, чем больше угол между направлением движения брызг и поверхностью корпуса. Постоянно погруженные в воду и удаленные от поверхности воды на большое расстояние участки поверхности корпуса подвержены воздействию брызг в минимальной степени.

На фиг.3 изображен корпус на виде спереди. На нем выделена зона устойчивого возникновения дефектов, вызванных брызгообразованием в районе скул и переменной ватерлинии.

На фиг.4 изображен корпус на виде сбоку и снизу. На нем выделена зона устойчивого возникновения дефектов, вызванных брызгообразованием в районе скул и переменной ватерлинии.

Обследования различных корпусов судов с динамическими принципами поддержания, изготовленных из композиционных материалов, на предмет обнаружения дефектов типа расслоение, показали регулярное их обнаружение в районе переменной ватерлинии с большей интенсивностью сосредоточения в носовой части. Более редкое скопление существенно меньшего количества дефектов в подводной части корпуса позволяет предположить, что перераспределение давления на днище при движении в расчетном режиме не вызывает подобного эффекта.

Надводный борт судна, изготовленного из композиционных материалов, подвержен периодическому многоцикловому температурному воздействию, обусловленному воздействию атмосферных явлений и солнечной радиации. Ежегодный диапазон изменения температур в средней полосе России может составлять более 110°С (от -40°С до +70°С с учетом прогрева солнечными лучами).

При изменении температуры пакета слоев многослойного материала типа стеклопластика возникают термические (остаточные) напряжения и деформации в составляющих пакет монослоях (см. Васильев В.В., Протасов В.Д., Болотин В.В. и др. Композиционные материалы: Справочник - М.: Машиностроение, 1990. - 512 с.). Деформации пакета в целом в системе координат (x,у) описываются формулой:

где - матрица деформаций пакета слоев;

- матрица коэффициентов термического расширения многослойного материала;

ΔТ - изменение температуры.

Деформации каждого из слоев в системе координат совпадают (x,у) со средними деформациями пакета. Определение термических напряжений и связанных с ними деформаций не является самостоятельной задачей в рамках способа оценки технического состояния судового корпуса, изготовленного из композиционных материалов. Но существование термических напряжений и связанных с ними деформаций является дополнительным фактором, обусловливающим возникновение и развитие в конструкциях, подвергающихся регулярному нагреву и охлаждению, например в надводном борте, дефектов типа расслоение. В качестве примера можно привести факт обнаружения скоплений большого количества макроскопических дефектов в конструкциях надводного борта судна, корпус которого был окрашен в темно-синий цвет. У судна этого же проекта, имеющего надводный борт белого цвета, построенного той же верфью на полгода раньше, эксплуатировавшегося в аналогичных условиях, в конструкциях надводного борта были зафиксированы только скопления микроповреждений.

Аварийные повреждения являются частой причиной возникающих дефектов типа расслоение в корпусных конструкциях даже при отсутствии повреждений декоративного слоя. Корпуса судов, изготовленные из композиционных материалов, в процессе эксплуатации часто испытывают воздействия сосредоточенной нагрузки случайного характера на корпусные конструкции при швартовках, навалах на причальные сооружения, касаниях грунта, столкновениях с предметами и т.п. В ряде случаев воздействие сосредоточенной нагрузки не влечет нарушения герметичности, а в некоторых случаях отсутствуют даже повреждения декоративного слоя. В то же время динамическое воздействие сосредоточенной нагрузки на корпусную конструкцию, имеющую достаточно большую жесткость, сопровождается деформацией днищевого, бортового или кормового перекрытия в месте контакта, характеризующейся большой стрелкой прогиба в малом пролете (см. фиг.5, 6).

На фиг.5 изображено фотографическое изображение зоны контакта на корпусе судна при аварийном столкновении при отсутствии нарушений непроницаемости.

На фиг.6 изображена схема расположения зоны расслоений вокруг пятна контакта, изображенного на фиг.5, при аварийном столкновении при отсутствии нарушений непроницаемости.

При этом в каждом из слоев возникают деформации продольного растяжения волокон, деформации растяжения слоя в поперечном направлении и деформации сдвига в плоскости слоя. Волокна основного направления слоя деформируются практически линейно упруго вплоть до разрушения. В то же время предельные деформации при растяжении слоя в поперечном направлении и при сдвиге в плоскости слоя существенно меньше предельных деформаций материала в продольном направлении. Поэтому деформирование многослойных пакетов со сложной структурой укладки слоев, как правило, сопровождается процессами образования дефектов типа расслоение в связующем одного, нескольких или всех слоев пакета (см. Васильев В.В., Протасов В.Д., Болотин В.В. и др. Композиционные материалы: Справочник. - М.: Машиностроение, 1990. - 512 с.)

На фиг.7 изображена слоистая структура обшивки корпуса в виде многослойного композита. Изображение взято из книги (Васильев В.В., Протасов В.Д., Болотин В.В. и др. Композиционные материалы: Справочник - М.: Машиностроение, 1990. - 512 с.)

В судовой конструкции из композиционного материала, представляющего собой пакет слоев (см. рис.7) многослойного материала, уже при малых амплитудах деформации вокруг зоны действия сосредоточенной нагрузки возникают дефекты типа расслоение. В дальнейшем эти дефекты оказывают существенное влияние на снижение механических характеристик элемента конструкции, в котором они существуют.

Таким образом, дефекты типа расслоение в композиционном материале судовой конструкции могут вызываться температурными напряжениями или локальными нагрузками, например ударами по поверхности. Они могут происходить при сжатии, поверхностном нагреве или при растяжении из-за эффекта Пуассона.

Наибольший интерес с точки зрения определения предельно допустимых размеров макроскопических дефектов представляет рассмотрение варианта формирования их из микроповреждений. В соответствии с (Васильев В.В., Протасов В.Д., Болотин В.В. и др. Композиционные материалы: Справочник. - М.: Машиностроение, 1990. - 512 с.) оно происходит путем накопления микроповреждений на фронте формирования макроскопического дефекта: трещины или расслоения (см. фиг.8).

Скорость накопления микроповреждений зависит от локальных напряжений. Характер роста макроскопического дефекта зависит от распределения микроповреждений в окрестности его фронта (см. Васильев В.В., Протасов В.Д., Болотин В.В. и др. Композиционные материалы: Справочник. - М.: Машиностроение, 1990. - 512 с.). Условно существуют две типичные ситуации:

- макроскопический дефект растет непрерывно;

- макроскопический дефект растет скачкообразно.

Под непрерывным ростом понимается такой рост макроскопического дефекта, когда размеры скачков его роста малы по сравнению с технически значимыми размерами. Рост макроскопических дефектов в слоистых композитах при длительно действующих или циклических нагрузках происходит устойчиво, если параметры отслоения соответствуют определенным условиям (принадлежат области устойчивости по Гриффитсу). Одним из условий является достижение действующими в месте развития дефекта напряжениями определенных величин, считающихся критическими.

На фиг.8 приведены изображения различных стадий роста дефекта от микроповреждений к макродефектам, полученные методами неразрушающего контроля.

Согласно модели Леонова-Панасюка-Дагдейла у фронта дефекта существует тонкая концевая зона, где сосредоточены все неупругие эффекты. В пределах концевой зоны критическое напряжение считается постоянным. Это напряжение аналогично пределу текучести материала (см. фиг.9 и 10).

После некоторой относительно непродолжительной инкубационной стадии накопления микроповреждений на фронте формирования расслоения происходит его скачкообразный рост за счет объединения микроповреждений на фронте до перехода макроскопического дефекта в мало поврежденную область матричной прослойки. Продолжающееся воздействие нагрузки на композит способствует дальнейшему накоплению микроповреждений на фронте формирования макроскопического дефекта и последующим циклам его скачкообразного роста.

Ослабление или исчезновение связей между соседними слоями в зоне существования дефекта приводит к существенному изменению механических характеристик элемента конструкции в этом месте в сторону их ослабления. По данным экспериментальных исследований (см. Лизин В.Т., Пяткин В.А. Проектирование тонкостенных конструкций. М: Машиностроение, - 2003. - 447 с.) это ослабление может достигать 1,5…4,0 раз. Снижение механических характеристик конструкции, в свою очередь, приводит к росту действующих в зоне существования дефекта напряжений. Рост напряжений при перераспределении выше определенных величин порождает дальнейшее развитие дефекта. Со временем размеры дефекта достигают величин, существенно влияющих на прочность конструкции. Таким образом, по достижении определенных размеров макроскопический дефект начинает весьма заметным образом влиять на перераспределение в конструкции напряжений, вызываемых внешними нагрузками, в своей окрестности.

На фиг.9 приведена схема расположения зоны напряжений в районе фронта роста дефекта (по Гриффитсу). Изображение взято из книги (Васильев В.В., Протасов В.Д., Болотин В.В. и др. Композиционные материалы: Справочник. - М.: Машиностроение, 1990. - 512 с.).

На фиг.10 изображено распределение критических напряжений в концевой зоне согласно модели Леонова-Панасюка-Дагдейла у фронта дефекта. Изображение взято из книги (Васильев В.В., Протасов В.Д., Болотин В.В. и др. Композиционные материалы: Справочник. - М.: Машиностроение, 1990. - 512 с.).

Величина напряжения, при которой может начаться рост дефекта, называется критической. Согласно энергетической концепции Гриффитса дефект не растет, если значение потенциальной энергии системы, высвобождаемой при продвижении роста дефекта, меньше работы разрушения. Формула критического напряжения (по Гриффитсу) имеет вид:

где σ_C - критическое напряжение;

γ - удельная работа разрушения;

Е - модуль упругости;

v - коэффициент Пуассона;

L - размер дефекта.

На фиг.11 изображены графики зависимости критических напряжений от размера дефекта, реально существующих (сплошная линия) и вычисленных по формуле Гриффитса (штриховая линия). Изображение взято из книги (Васильев В.В., Протасов В.Д., Болотин В.В. и др. Композиционные материалы: Справочник. - М.: Машиностроение, 1990. - 512 с.).

Учитывая сложные конфигурации дефектов, с определенной степенью достоверности размер дефекта может быть представлен как:

где S_Д - площадь дефекта.

Тогда формула расчета критического напряжения примет вид:

Из формулы (8) видно, что величина критического напряжения обратно пропорциональна площади дефекта. Экспериментально показано [6], что снижение прочности композита происходит только в том случае, если имеет место развитие расслоения, т.е. если действующее напряжение превосходит критическое.

В графическом виде эти зависимости представлены на фиг.12. Под номером 1 изображен график изменения напряжений, вызванных действием внешней нагрузки. Под номером 2 изображен график зависимости между критическими напряжениями и размерами дефекта (по формуле Гриффитса). Точка пересечения графиков позволяет определить размер дефекта, соответствующий критическому напряжению при заданной внешней нагрузке. Зона, расположенная правее точки A (σ_С; L_C), ограниченная графиками 1 и 2, является зоной устойчивого роста дефектов, т.е. зоной разрушения.

На фиг.12 изображены графики изменения напряжений, вызванных эксплуатационными нагрузками (восходящая линия) и критических напряжений (нисходящая линия). Обозначена зона, расположенная между графиками, соответствующая условиям устойчивого роста дефектов.

Согласно формуле (7) размер дефекта, соответствующий критическому напряжению, может быть представлен как

где L_C - размер дефекта, соответствующий критическому напряжению;

S_C - площадь дефекта, соответствующая критическому напряжению.

Следовательно, с определенной степенью достоверности может быть определена площадь дефекта, соответствующая критическому напряжению, и, наоборот, по величине критического напряжения для конструкции может быть определена максимально допустимая площадь существующего дефекта.

Для выполнения расчета предельно допустимой площади дефекта элементы корпусных конструкций рассматриваются в качестве расчетных моделей, для которых имеются подтвержденные практикой способы расчетов. Расчетные модели разработаны на основании (см. Лизин В.Т., Пяткин В.А. Проектирование тонкостенных конструкций. М: Машиностроение, - 2003 - 447 с., ОСТ5.1068-75 «Корпуса и корпусные конструкции из стеклопластика. Расчеты прочности». ЦНИИТС, Л., 1975) с учетом конструктивных узлов, схем армирования и примененных технологических процессов формования корпусных конструкций катера по технической документации ГНПРКЦ «ЦСКБ «Прогресс»:

- килевая зона (200 мм на каждый борт от линии киля) - абсолютно жесткая пластина двухслойной конструкции;

- скуловая зона (250 мм выше и ниже от линии скулы) - абсолютно жесткая пластина двухслойной конструкции;

- обшивка днища между реданами - абсолютно жесткая пластина двухслойной конструкции;

- борт без подкреплений - абсолютно жесткая пластина двухслойной конструкции;

- палуба без подкреплений - абсолютно жесткая пластина двухслойной конструкции;

- примыкание днища к транцу (500 мм в нос от линии примыкания) - абсолютно жесткая пластина двухслойной конструкции;

- борт в районе подкреплений - абсолютно жесткая пластина трехслойной конструкции с легким заполнителем;

- палуба в районе подкреплений - абсолютно жесткая пластина трехслойной конструкции с легким заполнителем;

- транец - абсолютно жесткая пластина трехслойной конструкции с жестким на растяжение средним слоем.

Учитывается анизотропия материала. Слой конструкции, полученный методом напыления, рассматривается как изотропный. Поверхности обшивки корпуса рассматриваются как пластины, жестко заделанные на опорном контуре (линия киля, линии слома борта, линии сочленения борта и палубы, линия примыкания транца) и свободно опертые на открытых зигах (реданы, декоративные зиги бортов и т.п.).

По результатам проведенных исследований (см. Гершберг М.В., Илюшин С.В., Смирнов В.И. Неразрушающие методы контроля судостроительных стеклопластиков. Л.: Судостроение, 1971. 199 с.) максимальное раскрытие расслоений не превышает 0,3 мм. По сравнению с толщиной обшивки стеклопластикового корпуса, составляющей 10-50 мм, этой величиной можно пренебречь при выполнении расчетов изменения жесткости расслоившейся конструкции.

Изгибающие моменты в соответствии с (Давыдов В.В., Маттес Н.В., Сиверцев И.Н., Трянин И.И. Прочность судов внутреннего плавания. Справочник. М.: Транспорт, 1978. 580 с., Киреев В.А., Толстобров Е.П. Анализ напряженно-деформированного состояния трехслойных сотовых панелей при поперечном изгибе. Труды ЦАГИ, вып. 1872. М., 1977, с.3-17 (ЦАГИ)) определяются, как:

где Мⁱ _изгизг - изгибающий момент в центре пластины или в опорном сечении;

q - интенсивность распределенной нагрузки;

b - меньший размер стороны пластины;

k_i - коэффициент (табличный).

Напряжения в абсолютно жесткой пластине в соответствии с (Давыдов В.В., Маттес Н.В., Сиверцев И.Н., Трянин И.И. Прочность судов внутреннего плавания. Справочник. М.: Транспорт, 1978. 580 с., Киреев В.А., Толстобров Е.П. Анализ напряженно-деформированного состояния трехслойных сотовых панелей при поперечном изгибе. Труды ЦАГИ, вып. 1872. М., 1977, с.3-17 (ЦАГИ)) определяются как:

где M_изг - изгибающий момент в центре пластины или в опорном сечении;

E_пр - приведенный модуль упругости;

z - половина расстояния между срединными поверхностями слоев;

z₀ - смещение нейтральной поверхности от срединной;

D - цилиндрическая жесткость на изгиб.

Приведенный модуль упругости определяется как

где E_B, E_H - модули упругости соответственно верхнего и нижнего слоев.

Цилиндрическая жесткость на изгиб для двухслойной пластины в соответствии с (см. Лизин В.Т., Пяткин В.А. Проектирование тонкостенных конструкций. М.: Машиностроение, - 2003. - 447 с.) определяется как:

где δ_B, δ_H - толщина соответственно верхнего и нижнего слоев;

v_B, v_H - коэффициенты Пуассона соответственно верхнего и нижнего слоев.

Для ортотропной панели коэффициенты Пуассона определяются как:

где v_1B, v_2B, v_1H, v_2H - коэффициенты Пуассона по направлениям соответственно для верхнего и нижнего слоев.

Цилиндрическая жесткость на изгиб для расслоившейся двухслойной пластины в соответствии с (см. Лизин В.Т., Пяткин В.А. Проектирование тонкостенных конструкций. М: Машиностроение, - 2003. - 447 с.) определяется как:

Цилиндрическая жесткость на изгиб для трехслойной несимметричной пластины с легким заполнителем определяется как:

где Н - высота сечения пластины.

Цилиндрическая жесткость на изгиб для расслоившейся трехслойной несимметричной пластины с легким заполнителем в соответствии с (см. Лизин В.Т., Пяткин В.А. Проектирование тонкостенных конструкций. М.: Машиностроение, - 2003. - 447 с.) определяется как:

Цилиндрическая жесткость на изгиб для трехслойной несимметричной пластины с жестким на растяжение средним слоем в соответствии с (см. Лизин В.Т., Пяткин В.А. Проектирование тонкостенных конструкций. М.: Машиностроение, - 2003. - 447 с.) определяется как:

где E_ср - модуль упругости среднего слоя;

δ_ср - толщина среднего слоя;

v_cp - коэффициент Пуассона среднего слоя.

Цилиндрическая жесткость на изгиб для расслоившейся трехслойной несимметричной пластины с жестким на растяжение средним слоем в соответствии с (см. Лизин В.Т., Пяткин В.А. Проектирование тонкостенных конструкций. М.: Машиностроение, - 2003. - 447 с.,) определяется как:

Степень влияния дефекта типа расслоение на изменение механических характеристик элемента корпуса судна, изготовленного из композиционных материалов, при изгибе оценивается ростом напряжений, вызванных действием изгибающего момента, в зоне расслоения по отношению к целому участку за счет снижения цилиндрической жесткости на изгиб.

Напряжение от изгиба в зоне расслоения может быть определено как:

Величина Eⁱ _пр определяется в случае анизотропии материала для пластины двухслойной конструкции или трехслойной конструкции с легким заполнителем по формуле

где Е_1BЕ_2BЕ_1HЕ_2H - модули упругости по направлениям соответственно для верхнего и нижнего слоев.

Условие обеспечения прочности для целой конструкции может быть записано как:

где σⁱ - действующие в целой конструкции напряжения;

σ₀ - предел прочности.

Тогда условие обеспечения прочности конструкции в зоне расслоения может быть записано как:

где σⁱ _рас - действующие в зоне расслоения конструкции напряжения.

В случае невыполнения условия (22) можно говорить о нарушении прочностных характеристик конструкции в зоне дефекта.

Условие нераспространения дефекта может быть записано как:

Или в развернутом виде:

Из условий (23, 25) для i-го элемента судовой конструкции, изготовленной из композиционных материалов, может быть определена предельно допустимая площадь отдельного дефекта, соответствующая началу его роста в условиях заданной нагрузки.

Итак, в предлагаемом решении предложен способ определения технического состояния корпуса судна, изготовленного из композиционных материалов, находящегося в эксплуатации, путем обнаружения в нем методами неразрушающего контроля внутренних дефектов, возникших в процессе эксплуатации, измерения их площади и сравнения ее величины с предельно допустимым значением, рассчитанным из условия возникновения в зоне дефекта напряжений, превышающих предел прочности и способствующих устойчивому росту в композите дефектов типа расслоение.

Отличительные признаки предлагаемого способа неизвестны из источников информации.

Эти признаки приводят к новому результату - повышению безопасности технической эксплуатации судов с корпусами из композиционных материалов за счет своевременного и достоверного выявления в них внутренних дефектов, имеющих недопустимые размеры, что подтверждает изобретательский уровень заявки.

Использование: для определения технического состояния корпуса судна, изготовленного из композиционных материалов. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют обнаружение в корпусе судна методами неразрушающего контроля внутренних дефектов типа расслоение, возникших в процессе эксплуатации, измеряют их площади и сравнивают величину данных площадей с предельно допустимым значением, рассчитанным из условия возникновения в зоне дефекта напряжений, превышающих предел прочности и способствующих устойчивому росту в композите дефектов типа расслоение. Технический результат: обеспечение достоверной оценки технического состояния корпуса судна, изготовленного из композиционных материалов. 12 ил., 4 табл.

Способ определения технического состояния корпуса судна, изготовленного из композиционных материалов, находящегося в эксплуатации, путем обнаружения в нем методами неразрушающего контроля внутренних дефектов типа расслоение, возникших в процессе эксплуатации, измерения их площади и сравнения ее величины с предельно допустимым значением, рассчитанным из условия возникновения в зоне дефекта напряжений, превышающих предел прочности и способствующих устойчивому росту в композите дефектов типа расслоение.