Характерные повреждения корпусных конструкций, участвующих в общем изгибе корпуса, и их причины

Причиной усталостных повреждений от участия конструкции в общем изгибе являются переменные напряжения от циклического изгиба корпуса на волнении. Трещины усталости появляются в районе концентраторов напряжений, которыми являются прерывистые связи, жесткие точки, сварные швы. К источникам повышенных напряжений относятся грузовые и прочие люки, двери, иллюминаторы, вентиляционные проходы, отверстия для прохода трубопроводов, кабельных трасс, для перетока жидкостей, для прохода сварных швов в местах их пересечения, облегчающие вырезы, а также узлы пересечения и соединения различных связей, дефекты проката и сварных швов.

Приведенные ниже данные о повреждениях накоплены сотрудниками кафедры конструкции судов. Они получены при исследованиях прочности фальшбортов и конструкций крепления палубного груза на морских лесовозах, прочности и вибрации корпусных конструкций транспортных рефрижераторов типа «Камчатские горы», при исследованиях общей и местной прочности судов типа «река-море» Амурского речного пароходства в ходе их эксплуатации на морских линиях между портами Приморья и Японии, а также в процессе исследования вибрации корпусов контейнеровозов типа «Варнемюнде» во время испытательных рейсов в 1975 и 1976 гг. В последнем случае проводились комплексные исследования, включающие также исследования общей прочности, слеминга и ударов в развал бортов во время жестоких зимних штормов в северной части Тихого океана на переходах между портами Японии и портами Канады и США.

Типичными повреждениями прерывистых связей являются трещины в углах люков и других вырезов. Трещины возникают в зоне повышенных напряжений и беспрепятственно распространяются в сварных конструкциях по их изначально менее напряженным элементам, достигая часто опасных размеров. Опасность усугубляется тем, что при воздействии циклических нагрузок заметно снижается временное сопротивление разрыву при низких температурах и повышается критическая температура хрупкости. Известны многочисленные случаи, когда такие трещины приводили в конце концов к катастрофическим хрупким разрушениям судового корпуса во время шторма.

На теплоходе «Витя Челиков» (типа «Пионер») в 1975 г. обнаружили три трещины в углах люков. В 1978 г. на судне «Боря Цариков» того же типа возникла длинная опасная трещина в углу второго люка (рис. 2.1.1). На теплоходе «Маго» (типа «Росток») в 1978 г., а позже на других судах этой серии были обнаружены трещины у носового угла третьего люка, спровоцированные резким обрывом продольного комингса в этом районе. В 1978 г. были зафиксированы повреждения в районе концов продольных комингсов светлых люков на теплоходе «Леонид Соболев», вызванные отсутствием каких-либо подкреплений при резко обрывающихся продольных комингсах.

Во всех трех случаях очевидна конструктивная ошибка. Есть все основания предполагать, что причиной повреждения в углах люков является совместное воздействие двух прерывистых связей: резко обрывающегося продольного комингса на фоне области повышенных напряжений в районе угла выреза в палубе. В литературе описаны десятки аналогичных повреждений в районах прямоугольных и круглых вырезов разных размеров на судах различных типов.

Показательны повреждения непрерывного комингса грузовых люков на судах типа «Варнемюнде» в районе его соединения с надстройкой и повреждения прилегающих конструкций самой надстройки. В рассматриваемом районе суммируются переменные на волнении напряжения от общего изгиба корпуса в вертикальной и горизонтальной плоскостях, от кручения при косом курсе, а также напряжения, возникающие при колебаниях достаточно гибкой на этих судах надстройки после удара судна носом о воду и от ходовой вибрации. Все эти явления были зафиксированы на теплоходе «Пестово» этой серии во время натурных экспериментов в ноябре — декабре 1975 г.

Рис. 2.7.7. Повреждение в углах люков теплоходов (типа «Пионер») «Боря Цариков» (1 угол) и «Витя Челенко» (3 угла):

• 1 — трещина; 2 — ширстрек; 3 — палубный стрингер; 4 — бимс;
• 5 — карлингс; б, 7 — комингсы

Непрерывные продольные комингсы идут вдоль второго — четвертого трюмов и переходят в боковые стенки первого яруса надстройки (рубки). Этот переход при общем плавном характере имеет два района, где угол перехода одного элемента в другой составляет 90°. Это там (рис. 2.1.2), где верхняя часть комингса переходит в стенку надстройки, и там, где обрывается его поясок. Оба эти района расположены практически рядом, и именно здесь в первую очередь появляются трещины и в самом комингсе вдоль пояска и линии его примыкания к надстройке, и в стенке самой надстройки. Трещины в верхней части боковой стенки надстройки распространяются из углов дверного проема, вентиляционного и технологических вырезов для прохода бимсов. Трещина по боковой стенке на границе перехода первого яруса надстройки во второй (рис. 2.1.2, вид А) также свидетельствует о недопустимости устройства конструктивных переходов листов без закругления.

Следующим типичным источником концентрации напряжений являются жесткие точки — районы высокой местной жесткости в конструктивных элементах. Исследованиям жестких точек посвящен ряд работ Н. А. Иванова. Различают жесткие точки двух типов. Жесткие точки первого типа (рис. 2.1.3) образуются в районе опирания концов связей более жестких (кницы, балки) на связи со значительно меньшей жесткостью (пластины). Для них характерно то, что в поле пластины оказывается линейный участок с повышенной жесткостью на изгиб. У свободного конца участка создается сложное напряженное состояние при высоких значениях компонентов напряжений. Характерным примером повреждения в районе жесткой точки первого типа являются трещины в наружной обшивке днища судов типа «Камчатские горы» (рис. 2.1.3), которые вызваны циклически изменяющимися при плавании на волнении внешним давлением и внецентренным растяжениемсжатием в плоскости пластины при общем изгибе корпуса.

Рис. 2.1.2. Расположение трещин в районе перехода продольных комингсов в надстройку на контейнеровозе «Пестово» (тип «Варнемюнде»):

1 — трещины; 2 — палуба; 3 — продольный комингс люков; 4 — надстройка; 5 — дверной проем; 6 — вентиляционный вырез; 7 — бимс палубы второго яруса надстройки.

Рис. 2.1.3. Трещины в наружной обшивке днища судов типа «Камчатские горы» (жесткая точка первого типа):

1 — трещина; 2 — обшивка днища; 3 — флор; 4 — продольное ребро жесткости Жесткие точки второго типа (ножевые опоры) образуются в районе пересечения плоскостных конструкций разного направления. Ситуация усугубляется пересечением сварных швов разных направлений, что приводит к появлению трехосного напряженного состояния. Трещины возникают в элементах, передающих основную нагрузку. Повреждение узла пересечения продольной и поперечной переборок с платформой показано на рис. 2.1.4. Здесь усилие от общего изгиба корпуса передается от продольной переборки к платформе или наоборот, и поэтому трещина возникает либо в платформе, либо в продольной переборке, либо в обеих сразу. Отметим, что появление трещины сначала в одном из элементов «смягчает» эффект жесткой точки и трещина в другом несущем элементе может не появиться вовсе. Другим характерным примером повреждения в районе жесткой точки второго типа является район опирания стенки рубки теплохода «Восточный» (типа «Выборг») на палубу при пересечении линии опирания с поперечной переборкой и карлингсом (рис. 2.1.5). Здесь трещины появляются в палубе, участвующей в общем изгибе корпуса. Многочисленные аналогичные повреждения зафиксированы в 1965—1986 гг. на теплоходах разных типов: «Леонид Соболев», «Художник Кустодиев», «Росток», «Светлогорск», «Уссурийск», «Академик Королев» и ряде других.

Рис. 2.1.4. Узел пересечения продольной и поперечной переборок и платформы (жесткая точка второго типа):

1 — трещина; 2,3 — поперечная и продольная переборки; 4 — платформа.

Рис. 2.1.5. Повреждения в районе жестких точек на теплоходе «Восточный» (тип «Выборг»):

1 — трещины; 2 — палуба; 3 — стенка рубки; 4 — ширстрек; 5 — переборка; 6 — карлингс; 7 — бимс; 8 — район повреждения Отметим еще одну разновидность такого рода повреждений. Это повреждения элементов фальшбортов от их участия в общем изгибе корпуса на волнении. При этом в стойках фальшбортов в районе подвижных соединений возникают срезывающие и изгибные усилия, которые уменьшаются по мере удаления от подвижного соединения. Этому соответствуют характерные повреждения поясков стоек фальшборта и районы распространения этих повреждений (рис. 2.1.6). В ряде случаев при неправильном проектировании сопряженных подпалубных конструкций трещины появлялись в палубном стрингере возле углов пояска; в этом случае проявлялся эффект жесткой точки. Аналогичные повреждения наблюдаются на целом ряде судов других типов: на теплоходах «Рудный», «Рязань», «Маго», «Хасан» (тип «Росток») и на контейнеровозах типа «Варнемюнде».

Рис. 2.1.6. Повреждение стоек фальшборта при общем продольном изгибе корпуса:

а, в — суда типа «Беломорсклес»; б, г — суда типа «Сибирьлес»; 1 — трещина; 2 — район повреждения; 3 — стойка фальшборта Устранить причину этих повреждений достаточно просто, увеличив число подвижных соединений, но при этом резко снижается поперечная прочность фальшборта, что неприемлемо, например, на лесовозах, где фальшборт, являясь элементом крепления палубного груза леса, должен воспринимать большие поперечные нагрузки. Успеха здесь можно достичь только при разработке адекватной расчетной модели, учитывающей все особенности работы этой конструкции.