При проектировании судовых конструкций из композитных материалов (КМ; сейчас в основном стеклопластик в сочетании с другими материалами) допускаемые напряжения нормируются так, как это принято в
строительной механике – через назначаемые коэффициенты запаса, учитывающие разнообразные факторы снижения величины допустимых напряжений относительно предела прочности данного КМ по мере
выработки его рабочего ресурса.
Среди этих неблагоприятных факторов – особенности рассчитываемой конструкции (степень ответственности, наличие концентраторов напряжений, характер нагрузок), схема армирования пластика, его
неизбежное увлажнение и старение. Однако мы мало знаем о механизме действия этих факторов вследствие их многочисленности, трудностей учета и скудости статистических данных по ним.
Применение методов неразрушающего контроля (МНК) в процессе эксплуатации композитного судна позволяет достоверно учесть всю гамму влияющих на ресурс корпуса факторов. По данным о динамике
развития дефектов в конструкциях близких прототипов уже на стадии проектирования можно делать выводы о долговечности судна.
Наблюдение процессов усталостного развития внутренних дефектов (микротрещин, расслоений) с помощью различных МНК позволяет оценить изменения механических свойств КМ в процессе эксплуатации и
выдвинуть ряд теорий и критериев прочности, основанных на концепции накопления повреждений.
В 2007–2010 годах с помощью МНК было обследовано 118 корпусов судов из КМ длиной от 6 до 27 м (Францев М. Э., Эксплуатационные дефекты корпусов стеклопластиковых судов, «КиЯ» № 212, с. 90).
Обследованные корпуса имели ресурс использования в среднем не более 200 ч движения в навигацию или не более 1000 ч за 5 лет.
Дефекты эксплуатационной природы возникновения классифицированы с учетом причины возникновения, характера развития, а также способа устранения (табл. 1).
На основании обследований сделан вывод, что частой причиной возникновения дефектов типа расслоения 1 рода в корпусных конструкциях являются аварийные повреждения, даже при отсутствии нарушения
непроницаемости обшивки, а в некоторых случаях – и без повреждений декоративного слоя.
Наибольшее количество дефектов выявлено в районе пе ременной ватерлинии
(ПВЛ, рис. 1). Достаточно часто расслоения выявляются в районах постоянных сосредото ченных нагрузок – вблизи выступающих частей, особенно кронштейнов нижних опорных подшипников гребных валов, а
также дейдвудов, гельмпортов и водозаборников (рис. 2).
По всей видимости, их главная причина – избыточные касательные напряжения между слоями КМ, приводящие к нарушению адгезионных связей, что и является непосредственной причиной возникновения
дефектов типа расслоение 1-го рода.
Ослабленная дефектами конструкция хуже работает при действии штатных нагрузок, ее прочность понижена по сравнению с расчетной. Согласно новейшим научным исследованиям в области разрушения КМ, при
достижении предела прочности на растяжение сначала происходит продольное растрескивание материала, начинающееся с полимерной матрицы, которое затем инициирует разрыв более прочных армирующих
волокон. Продольная трещина проходит не строго вдоль волокон и перерезает часть из них.
Группы перерезанных волокон могут отслаиваться, в результате чего появляется вторичная продольная трещина и новые перерезанные волокна; как следствие, происходит лавинообразное разрушение
материала на мелкие фрагменты.
Считается, что отслоение развивается, когда растягивающее напряжение достигает некоего порогового значения бс При этом исходная трещина поворачивает на 90° и начинает расти вдоль
волокон. Таким образом, параллельно развиваются два конкурирующих процесса – рост трещины поперек и вдоль волокон (Баженов С. Л. и др., Полимерные композиционные материалы, Изд. дом «Интеллект»,
2010).
Принятая основная модель разрушения судовой корпусной конструкции из КМ, которая находит подтверждение в соответствующих источниках, обладает следующими чертами: ударные нагрузки вызывают
первичные микроповреждения КМ; образовавшиеся дефекты в окрестности разрушенных элементов структуры становятся зародышами макроскопических трещин;
скорость накопления микроповреждений зависит от величины действующих местных напряжений; характер роста макроскопического дефекта зависит от распределения микроповреждений в окрестности его
фронта; при изгибе пластины под действием рабочей нагрузки происходит ее постепенное продольное расслаивание с последующим снижением прочности;
уменьшенная изгибная жесткость в районе дефекта учитывается как суммарная жесткость независимо работающих слоев уменьшенной толщины, на которые разделяется ламинат;
отношение размеров дефекта типа расслоение к размерам пластины влияет на устойчивость пластины, при этом устойчивость пластины с дефектом зависит не только от площади расслоения, но и от его
линейных размеров и толщины отслоившейся части;
развитие расслоения имеет циклический характер, включающее стадию накопления микроповреждений на фронте формирования расслоения и затем скачкообразный рост за счет объединения микроповреждений на
фронте;
усталостное поведение конструкции из КМ, содержащей дефект типа расслоение, в большой степени зависит от типа и схемы армирования, при этом КМ на основе тканей демонстрируют повышенную
усталостную прочность по отношению к КМ на основе матов;
для описания поведения КМ при разрушении корректно применима трехкомпонентная схема его разрушения, учитывающая три моды разрушения: отрыв, продольный и поперечный сдвиги; при этом удельная
работа разрушения КМ не зависит от моды;
достижение напряжениями критических значений по любой из мод свидетельствует о достижении дефектом предельно допустимых размеров. Таким образом, оценка прочности и долговечности находящегося в
эксплуатации корпуса судна из КМ может производиться через учет количества и плотности возникших внутренних дефектов типа расслоение.
Несмотря на то, что в положениях действующей нормативной документации осмотические изменения поверхностей корпуса из КМ не рассматриваются, возникновение внутренних дефектов типа расслоение 2-го
рода также существенно влияет на характеристики прочности корпусной конструкции.
При этом необходимо помнить, что межнавигационный поверхностный ремонт корпусных конструкций, ликвидирующий внешние проявления осмоса, не устраняет образовавшиеся расслоения и, повидимому, не
прерывает дальнейшего развития процесса осмотических изменений. Последние в виде расслоений 2-го рода встречаются на судах, находящихся в эксплуатации 8 и более лет («КиЯ» №212).
Исследования типов и размеров дефектов, статистическая обработка полученных данных открывают путь к разработке количественных методов определения связи концентрации дефектов с основными факторами
эксплуатации – ее продолжительностью и интенсивностью.
В связи с тем, что обследованные суда невозможно сгруппировать по конструктивным и технологическим признакам, полученные количественные зависимости непригодны для полноценного математического
анализа, однако качественные зависимости концентрации внутренних дефектов типа расслоение 1 рода от основных эксплуатационных характеристик судна из КМ проследить можно, что тоже немаловажно.
Критерий ресурса должен учитывать возраст судна (фактор старения и деградации материала в результате воздействия внешней среды) и интенсивность нагрузок в процессе эксплуатации, оцениваемую через
удельную энерговооруженность судна (кВт/т).
Произведение энерговооруженности на время эксплуатации дает комплексный ресурсный параметр, который легко вычислить для исследуемых судов. Анализ размерности критерия ресурса [N·t/D] = кВт·ч/кг
показывает, что, поскольку энерговооруженность с точностью до общего пропульсивного коэффициента (примерно стабильного для глиссирующих судов) определяет достижимую судном абсолютную скорость, то
N/D, умноженное на время эксплуатации, даст оценку пройденного за это время расстояния.
Нет сомнений, что степень концентрации дефектов напрямую связана с ним, как это отмечается, например, в дорожной технике. С другой стороны, размерность критерия ресурса допускает его
энергетическую интерпретацию – как отношение работы внешних сил, деформирующих конструкции (и напрямую зависящих от энерговооруженности) к массе этих конструкций.
Очевидно, что количество накапливающихся дефек тов будет расти вследствие работы переменных нагрузкок пропорционально числу циклов нагружения. На основании данных по исследованным судам выполнен
расчет концентрации внутренних дефектов типа расслоение в соответствии со статистическим критерием Бейли (Францев М. Э.,
Проектная оценка эксплуатационных нагрузок и характеристик долговечности корпусов судов из композиционных материалов, Морской вестник, 2007, № 28). Для анализа выбирались расслоения 1 рода,
расположенные на поверхности корпуса в районе ПВЛ пятном, напоминающим по своей конфигурации ленту.
Средней линией этой ленты приближенно является действующая статическая ватерлиния. Для каждого из корпусов подсчитывались суммарное количество и площадь дефектов.
Выполненный расчет подтверждает принципиальную возможность применения для КМ гипотезы линейного суммирования повреждений в варианте Бейли при анализе и прогнозировании изменения характеристик
долговечности корпусов под действием эксплуатационных нагрузок.
Он также подтверждает предположение о наличии зависимости между концентрацией дефектов и эксплуатационными характеристиками судна (рис. 3). Как видно, корреляция концентрации дефектов с ресурсом
(N/D) t не слишком явная, связь здесь носит скорее качественный характер.
Для получения более достоверного результата необходимо обследование и сопоставление данных по судам, конструктивно и технологически схожим между собой. На состояние конструкций, особенно в таком
проблемном районе наружной обшивки как ПВЛ, влияют не только их возраст и претерпеваемые ими нагрузки, но также технологии изготовления конструкций, схемы армирования, качество материалов,
история межсезонного хранения корпусов и т. п.
Все это факторы, усложняющие картину явления и усиливающие разброс результатов исследования. Тем не менее, выявленные зависимости позволяют сделать некоторые важные выводы, ко торыми следует
руководствоваться при проектировании новых судов из КМ: при разработке конструкции корпуса проектанту необходимо учитывать картину эксплуатационных дефектов типа расслоение, выявленных на близком
прототипе;
при выборе материалов, схем армирования, толщин отдельных элементов конструкции – предусматривать меры против возникновения внутренних дефектов типа расслоение в наружной обшивке корпуса, палубе,
элементах верхних строений и местах их соединений;
предпринимать меры, направленные на уменьшение фильтрации воды сквозь декоративный слой с целью минимизации осмотических явлений в процессе эксплуатации; предпринимать меры по снижению
вероятности возникновения внутренних дефектов типа расслоение в местах соединения с наружной обшивкой закладных деталей, обеспечивающих крепление дейдвудов, опорных подшипников и других элементов
ДРК;
при выборе цветовых решений учитывать воздействие солнечного излучения на конструкции надводного борта и верхних строений. Большинство приведенных выводов очевидны и хорошо известны специалистам,
тем не менее, вновь получаемые экспериментальные данные снова и снова требуют внимания конструкторов, технологов и эксплуатационников, занятых в сфере стеклопластикового судостроения.
Михаил Францев, к. т. н., Москва.
Алексей Даняев.
Источник: «Катера и Яхты», №235.