13 декабря 2014 года

 - 0.0 Логотип АКС


-01.7

-01.10

 

Вам нравится наш новый сайт?

Нет, не нравится
Глаза бы мои этот сайт не видели
Да, очень
Да, но есть недостатки

Видинеев В.В. "Формирование образа ОГС и условий выбора архитектуры прочного корпуса".

В.В. ВИДИНЕЕВ , кандидат  технических наук.      

Рассмотрены вопросы формирования многофункционального глубоководного подводного средства, условия компоновки прочных корпусов и взаимосвязи основных параметров прочного корпуса с вариантами архитектурной композиции, варианты выбора оптимальной конструкции прочного корпуса обитаемой глубоководной станции.

  Для выполнения масштабных работ на грунте на больших глубинах необходимо автономное, высокоманевренное и длительно действующее (от нескольких суток до месяцев) глубоководное средство. Необходимость решения узкоспецифических задач привело к вполне закономерному появлению подводных аппаратов. Эволюционный ход развития подводного аппаратостроения ставил новые технические задачи и проблемы. Перечень функциональных задач увеличивался, менялись и вырастали в отдельные направления подходы к их решению. Закономерным является то, что процесс развития подводных аппаратов привел к необходимости создания подводного средства, основная практическая деятельность которого связана с дном океана, с присутствием человека и обитаемого глубоководного средства на грунте длительное время.

Перечень функциональных задач, решаемых современным подводным средством достаточно велик:
- инспекции стационарных подводных объектов, кабельных трасс;
- подготовка и трассировка участков на грунте для прокладки линий связи, нефтепроводов, газопроводов;
- монтаж и демонтаж объектов на грунте - поиск и уничтожение объектов на грунте;
- выполнение аварийно-спасательных работ
- поиск и обнаружение затонувших подводных лодок, надводных кораблей, летательных аппаратов и т.д.;
- выполнение подъемных работ
- ведение фотодокументирования;
- спасение личного состава с затонувших подводных лодок;
- разведка и разработка полезных ископаемых;
- прокладка газопроводов и нефтепроводов, их инспекция, профилактические осмотры и ремонты;
- проведение поисково-разведочных работ в шельфовой зоне и глубоководных впадинах;
- выполнение гидрогеологических, геохимических, гидроакустических и гидрооптических исследований.

Многообразие задач, решение которых связано непосредственно с грунтом, с дном океана, с длительным присутствием человека и обитаемого глубоководного средства на грунте, определяет образ обитаемой глубоководной станции. Обитаемая глубоководная станция (ОГС) – это автономное подводное средство, способное к длительному самостоятельному нахождению на грунте и к самостоятельному движению над грунтом в условиях визуального контакта с ним, и к движению в свободной водной среде как подводное средство. Специфика выполняемых задач определяет требования, предъявленные к конструкции ОГС, которые условно можно дифференцировать следующим образом:
1)      Рациональная форма и состав компоновочных элементов прочного корпуса, обеспечивающих размещение оборудования и экипажа, и функционирования ОГС в пределах заданной автономности, глубины погружения;
2)      Выбор источника энергии, достаточного для нормального функционирования систем и экипажа в течение заданной автономности;
3)      Обеспечение гидростатической прочности, устойчивости и технологичности при оптимальных массогабаритных характеристиках;
4)      Маневренность, управляемость, несущая способность и живучесть в пределах функционального назначения ОГС.

Одним из основных компоновочных элементов ОГС является прочный корпус, от выбора характеристик которого в значительной степени зависят все остальные функциональные параметры. Основной проблемой при проектировании прочного корпуса ОГС является обоснование его рациональной формы и конструктивной схемы, выбор материала и обеспечение массогабаритных показателей необходимых для обеспечения длительной автономности нахождения на рабочей глубине, на грунте. Увеличение несущей способности корпуса для обеспечения условия длительной автономности (до нескольких месяцев) не может происходить за счет увеличения геометрических размеров корпуса, как это происходит и реализуется в подводном судостроении. Фактор грунта, необходимости плавания в условиях визуального контакта с грунтом и стоянки на нем, вносит ограничения в геометрические размеры ОГС Конструктивно прочный корпус может состоять из одного или нескольких корпусов цилиндрической, сферической или сфероцилиндрической формы. Рациональной формой прочного корпуса ОГС с рабочей глубиной 2000-2500 м является сфероцилиндрическая форма с внутренними шпангоутами на цилиндрической части, выполненная из титанового сплава (рис.1). Предпочтение отдается титановым сплавам ввиду их высоких механических свойств, они немагнитны и некоррозийны (таблица 1).

Таблица 1.

Вид материала Марка материала Свойства и характеристика материала Критерии оценки эффективности
Предел текучести,σ, мН/м2 Модуль упругости Е, тН/м2 Плотность материалаΡм ×10-3 , кт/м √ЕΡм × 103 √ЕΡм × 103
 Стали (никель-хроммолибденовые) HV = 140MAP – 200YV - 300 112512201620 0.210.210.21 7.907.907.90 0.160.160.16 0.180.180.18
Титановые сплавы 5% Al, 2;5% Sn6% Al; 4% V 950 1050 0.12 0.115 4.5 4.5 0.23 0.23 0.24 0.24
Алюминиевые сплавы 6061 – T66061 – T6 264506 0.0740.074 2.72.8 0.340.34 0.320.32
 Стеклопластик 5-Mil-EАкриловый 1301400(сжатие) 0,240,24 2,01,1 -- --
 Стекло Органическое Силикатное 110(сжатие)500-2000 (сжатие) 0,0670,05-0,1 1,182,2-6,5 -- --
Сплавы берилия 6-6000 420 0,28 1,82 0,72 0,93

 

Основные требования, предъявляемые к прочным корпусам - обеспечение гидростатической прочности и технологичности, и достижение при этом минимальной массы, которая в большей степени зависит от характеристик принятого конструкционного материала, но и от принятой компоновки прочного корпуса.

Анализ современного состояния проблемы разработки и эксплуатации глубоководных аппаратов позволяет предложить ряд требований и рекомендаций, взаимосвязанных при рассмотрении возможности увеличения несущей способности при заданной рабочей глубине, т.е. постоянном гидростатическом давлении. Если рассматривать сферу и цилиндр как элементы компоновки прочного корпуса, то выводом будет то, что прочный корпус, выполненный в виде сферы, будет иметь меньшую массу по сравнению с цилиндрической оболочкой.

Однако чисто сферические корпуса имеют более низкие компоновочные и эксплуатационные характеристики, и более сложны в технологии изготовления. Одним из главных условий практической деятельности обитаемой глубоководной станции является обеспечение нормальных условий жизнедеятельности экипажа при длительном пребывании на грунте. Данное условие может быть реализовано только при наличии источника энергии, который обеспечивает автономность станции от нескольких суток до месяцев без всплытия с грунта в надводное положение. Наличие такого источника будет существенно влиять на массогабаритные характеристики глубоководной станции, а условия его эксплуатации – на варианты компоновки прочного корпуса. На начальной стадии, пока не спроектирован корпус и неизвестны его динамические характеристики, нельзя точно определить мощность энергетической установки, а, следовательно, оценить ее массогабаритные характеристики. Источники энергии составляют до 50 – 60% массы электроэнергетической установки и достигают до 25 – 30% общей массы подводного средства, Выбор источника энергии определяет энергетическую установку, а значит во многом и тактическую эффективность использования. Автономность плавания в несколько часов успешно обеспечивают электрохимические аккумуляторы. Электрохимические генераторы с топливными элементами обеспечивают продолжительность работы ЭУ от десятков до сотен часов.[1]. Большие возможности автономной работы ЭУ связываются с использованием в них физических источников тока - термоэмиссионных   и термоэлектрических генераторов, представляющих собой малогабаритные ядерные реакторы с термоэмиссионным преобразователем тепловой энергии в электрическую. [2]. Практика и опыт эксплуатации водоводяных реакторов (ВВР) на атомных подводных лодках привели к созданию малогабаритных ВВР, с энергетической мощностью, достаточной для обеспечения ЭЭУ обитаемой глубоководной станции. Условия размещения ЭУ в прочном модуле, в то время как значительная часть ЭЭУ – электродвигатели, кабельные магистрали и вводы, насосное оборудование изготовлены в погружном исполнении, показали их жизнеспособность и эффективность. Схемы компоновки прочного корпуса или прочных корпусов должны учитывать фактор размещения оборудования для обеспечения длительной автономности. (Рис.1) Применение сферических модулей имеет и преимущества, и недостатки. Существенно увеличивается глубины погружения при той же толщине корпуса. Недостатком является то, что в сферической капсуле из-за формы происходит потеря водоизмещения по сравнению с цилиндрическими корпусами на 30-33%. Данная потеря может быть компенсирована уменьшением толщины оболочки, или увеличением внутреннего диаметра сферы при той же толщине оболочки. Но условие сохранения прежних возможностей по размещению оборудования (компоновочных характеристик) диктует необходимость снижения внутреннего диаметра для цилиндрической части корпуса, т.е. для сохранения рабочей глубины погружения. Становится необходимым увеличение длины прочного корпуса для сохранения объема. Но увеличение длины прочного корпуса ограничено условиями плавания над грунтом, маневренными характеристиками при управлении в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Увеличение длины корпуса приводит к ухудшению маневренности и управляемости. Возможным выходом является использование вариантов катамаранного, тримаранного и т.д. размещения прочных корпусов. (рис.1).

08-91 Виденеев -02.2

Соотношение B/L =1/4 является оптимальным для управляемости, и это позволяет определить границы компоновочных характеристик. Используя упрощенную методику предварительного выбора параметров прочного корпуса [1], можно оценить взаимосвязь основных параметров прочного корпуса при заданной рабочей глубине, и исходя из условия максимальной несущей способности, сделать выбор схемы компоновки прочных корпусов.

Предварительную оценку параметров прочного корпуса, исходя из условия нахождения станции на заданной глубине можно сделать из формулы Папковича [1] и формулы расчета цилиндрической оболочки, предложенной Американским опытовым бассейном [4]    

  08-91 Виденеев -02.3                                                (1)  

R – Внутренний радиус прочного корпуса
t – Толщина корпуса
l – Длина шпации
EM – модуль упругости материала 
08-91 Виденеев -02.4 - учитывает влияние больших толщин и малых шпаций 
08-91 Виденеев -02.5   - учитывает материал, имеющий модуль упругости для стали Е = 0,21 Н/м

Шпация l – может быть выбрана в пределах (0,15 – 0,2) D (D – наружный диаметр корпуса)

Уточнение материала и параметров прочного корпуса, выбор профиля и размеров сечения шпангоутов прочного корпуса цилиндрической формы определяется по формуле критического давления:

Ркр = (3Е*Jk/R2l)*η1*η2          (2),

где Jk = 1.2 p* R3l/3*Eη1η2                 (3)

Jk  - момент инерции
η1 η2 – поправочные коэффициенты
1,2 – запас прочности
Р - рабочее давление   для сферической оболочки: 

Исходя из (3) – значение Jk  для прочных корпусов для больших глубин получается большим и зависит от Do – внутреннего диаметра прочного корпуса, а Do – зависит от массы и конфигурации размещаемого оборудования.

Оценить варианты изменения толщины прочного корпуса можно по формулам [3; 1]  
t1 = n p R K2o/ σt – для цилиндрической оболочки (4)  
t2 = n p R K2o/2σt - для сферической оболочки       (5)  

Из (4) и (5) видно, что параметры прочного корпуса и значение его массы зависит от характеристик принятого конструкционного материала.

К2о = 0,85 ÷ 0,5 - коэффициент, учитывающий влияние шпангоутов на прочность для больших глубин погружения. Соответственно, для одного и того же материала значение относительных масс  

σ= тnk/ тогс = 2tρm/Rρo  будут иметь вид: для цилиндрической оболочки:

08-91 Виденеев -02.6  (6)

для сферической оболочки:

08-91 Виденеев -02.7 (7)

kсф = 0,47 ÷ 0,3 – коэффициент, рекомендованный по данным натурных испытаний [1]. Критическое давление для сферических оболочек можно определить по формуле, рекомендованной Американским опытовым бассейном:  

Ркр = 0,84 Е (t/R)2 ;                                                    (8)  

Из сравнения (6) и (7) видно, что прочный корпус, выполненный в виде неподкрепленной сферы, будет иметь меньшую массу по сравнению с неподкрепленной цилиндрической оболочкой, и еще более меньшую с подкрепленной для той же глубины погружения. Размещение оборудования в погружном исполнении позволяет влиять на компоновочные характеристики, т.е. уменьшать внутренний диаметр корпуса, что увеличивает Ркр, что видно из (1), (2) и (8).

Таким образом, за счет компоновки оборудования, и сохраняя ту же толщину оболочки можно добиться увеличения рабочей глубины погружения за счет уменьшения радиуса оболочки. Но для сохранения прежней несущей способности корпуса необходимо увеличить его длину. Увеличение длины корпуса приводит к ухудшению управляемости и маневренности.  

Заключение.  

Увеличение несущей способности ОГС за счет увеличения длины корпуса приводит к значительному снижению эффективности управления движением над грунтом и резкому снижению условий безопасности плавания. Таким образом, вариантом решения задачи увеличения несущей способности прочного корпуса ОГС является увеличение суммарного объема нескольких прочных корпусов при уменьшении величины их внутреннего диаметра Do и t- толщины корпуса. Так как снижение Do и Rприводит к увеличению Ркр, то при сохранении Ркр можно снижать величину t. Не увеличивая длины корпуса, увеличение несущей способности корпуса возможно за счет использования вариантов катамаранного, тримаранного, последовательного – поперечного размещения прочных корпусов. (рис.1). Способы размещения прочных корпусов не влияют на гидродинамику легкого корпуса ОГС, а значит и на мощность энергетической установки. Увеличение несущей способности корпуса может происходить за счет снижения внутреннего диаметра сфероцилиндрических капсул, уменьшения толщины оболочки при одновременном увеличении числа прочных корпусов.  

Список используемой литературы:

1. Самоходные необитаемые подводные аппараты И.Б.Иконников, Л..Судостроение,1986
2. Проектирование подводных аппаратов Дмитриев А.Н., Л.Судостроение, 1978.
3. Изгиб и устойчивость пластин и круговых цилиндрических оболочек Короткин Я.И., Локшин А.З., Сиверс Н.Л., Л.Судпромгиз. 1955
4. Необитаемые подводные аппараты. Под редакцией А.В.Сытина, М.Воениздат,1975


Copyright © 2012