3.3. РАСЧЕТ ПРОЧНОСТИ ОБОЛОЧКИ И ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ
ПРОЧНОСТЬ ОБОЛОЧКИ. После выбора формы и уточнения главных размерений лодки производят расчет прочности ее оболочки. Для этого определяют внутреннее избыточное давление в камерах плавучести, возникающее при эксплуатации надувной лодки, и устанавливают максимальное натяжение материала камеры.
Внутреннее избыточное давление в оболочке лодки придает конструкции заданную форму и вызывает в материале изделия растягивающие продольные и поперечные натяжения. Для упрощения расчетов камеры бортов лодки рассматривают как камеры постоянного объема из-за незначительной способности к удлинению прорезиненных тканей вследствие присутствия в них армирующего слоя текстиля. В процессе эксплуатации лодки возможно увеличение избыточного давления за счет повышения температуры, случайных соударений и других факторов.
Из проведенных исследований известно, что максимальное увеличение внутреннего избыточного давления в оболочке происходит за счет изменения температуры окружающей среды, поэтому при расчете оболочки лодки на прочность первоначально определяют избыточное давление ризб вызванное возможным повышением температуры при различных условиях эксплуатации:
Ризб = Р2 — Р0
Здесь Р0 — атмосферное давление воздуха, равное 101 кПа (760 мм рт. ст.); Р2 — абсолютное давление воздуха в оболочке при предельных значениях абсолютной температуры Т2, К, окружающего воздуха, кПа, определяемое из известного уравнения
Р2 = Р1Т2\ Т1
где Р1 - абсолютное заданное рабочее давление воздуха в оболочке при средних значениях абсолютной температуры Т1 окружающего воздуха, кПа, равное р1 =р0 + р. Практически рабочее избыточное давление р для надувных лодок выбирается в зависимости от назначения, конструкции, применяемых материалов, способа газонаполнения и составляет обычно для гребных и парусных лодок 8—13,3 кПа (60—100 мм рт. ст.), для моторных лодок 9,3—18,6 кПа (70-140 мм рт. ст.).
Абсолютные температуры воздуха в оболочке при средних рабочих значениях температур t1 окружающего воздуха определяются как Т1 = 273 + t1, а при предельных значениях температур t2 окружающего воздуха как Т2 = 273 + t2. Температуры эксплуатации t1 и t2 выбирают исходя из макроклиматических условий, в которых будет использоваться лодка (табл. 3.4).
Таблица 3.4. Температура эксплуатации надувных лодок, °С
Таблица 3.5. Увеличение рабочей и предельной температур, °С
В связи с тем что надувные лодки эксплуатируются на открытом воздухе под воздействием солнечных лучей, средние значения рабочей температуры t1 и предельной температуры t2 уточняют (табл. 3.5). Дополнительно для изделий, у которых поверхности, нагреваемые солнцем, имеют цвет, отличный от белого или серебристо-белого, рабочие (а для изделий с неограниченным районом плавания также и предельные) температуры увеличивают на 5°С.
Для вывода зависимости между избыточным давлением внутри оболочки и возникающим в материале продольным и кольцевым натяжениями рассмотрим надувную лодку как сумму геометрических тел цилиндрической, конической и тороидальной форм. Примем, что давление воздуха внутри оболочки лодки распределено равномерно по ее поверхности; в материале оболочки под воздействием внутреннего давления возникают только растягивающие натяжения.
Приведем формулы для расчетов натяжений каждой части оболочки лодки.
Цилиндрическая пневмооболочка. У большинства надувных лодок борта в средней части являются цилиндрическими независимо от выбранной формы. Расчет натяжений цилиндрической пневмооболочки ведут по формулам
Тп = ризб• r Тк = ризб • r \ 2
где Тп и Тк — продольное и поперечное (кольцевое) натяжения соответственно, Н/см; r — радиус оболочки, см.
В цилиндрической пневмооболочке разрыв при превышении давления наиболее вероятен по образующей цилиндра в продольном направлении при условии, что материал имеет одинаковую прочность по обоим направлениям (рис. 3.2).
Коническая пневмооболочка. Конические пневмооболочки применяют как составные элементы в консольных оконечностях катамаранов и лодок U -образной формы, а также в некоторых конструкциях вертикальных перегородок. Натяжения в таких пневмооболочках равны
Тп = ризб r \ cos a ; Tк = ризб r \ (2cos a).
Здесь a — половина угла при вершине конуса, град; r -радиус сечения, перпендикулярного оси симметрии, см.
Натяжения в вершине конуса равны нулю, на контуре основания — максимальны.
Сферическая оболочка. Сферическую оболочку применяют в основном в тех же конструктивных элементах надувной лодки, что и коническую. Для сферической оболочки натяжения рассчитывают по формуле
Тп = Тк = ризб r /2,
где r — радиус сферической поверхности, см. Натяжения в сферической поверхности равны между собой и постоянны по значению по всей ее поверхности.
Тороидальная оболочка. Для упрощения расчетов условно принимают носовую оконечность лодки U -образной формы, а также носовую и кормовую оконечности лодки О-образной формы тороидальными. Поперечное натяжение, возникающее в такой оболочке, определяют по формуле
Тк = ризб r /2,
где r — радиус окружности тора, см. Продольное натяжение на внешней поверхности тороидальной оболочки равно
Тп = ризб r (2R + r)/[2(R + r)],
а на внутренней поверхности
Тп =ризб r (2R-r)/[2(R-r)].
Здесь R — радиус вращения сечения вокруг вертикальной оси (радиус тора), см.
Поперечные натяжения тороидальной оболочки повсюду имеют равное значение, а продольные на внутренней области больше, чем на внешней.
В многочисленных работах по расчету напряжений надувных лодок установлено, что наиболее слабым местом в конструкции надувной лодки U -образной и О -образной форм является внутренняя поверхность тороидальных частей оболочки. Вероятность разрыва оболочки от превышения рабочего давления в этом месте наибольшая. Поэтому расчет натяжений, возникающих в лодке, необходимо делать для внутренних частей элементов лодки тороидальной формы. Для катамаранов и тримаранов расчет натяжений, возникающих в поплавке, следует вести по натяжениям, возникающим в цилиндрической оболочке.
Конечной целью расчетов является выбор наибольших значений Тп и Tk, которые могут возникнуть в конструкции корпуса надувной лодки от действия на него различных эксплуатационных нагрузок. Выбранные наибольшие значения натяжений обычно умножают на запас прочности конструкции. Для надувных парусных, гребных лодок и лодок с моторами малой мощности запас прочности должен быть не менее трех, для лодок с моторами средней и большой мощности и лодок специального назначения — не менее пяти. Запас прочности учитывает и напряжения в материале, возникающие от изгибающих моментов в бортах при полной загрузке, различных динамических нагрузок и усилий, появляющихся вследствие действия местных напряжений в отдельных узлах.
МАТЕРИАЛ И ТИП ШВА. Прорезиненные ткани для оболочки подбирают по справочникам исходя из максимальных продольных и поперечных натяжений с учетом запаса прочности. После выбора прорезиненной ткани обратным расчетом определяют действительный запас прочности. Необходимо принимать во внимание, что запас прочности должен компенсировать уменьшение прочности прорезиненной ткани, происходящее с течением времени эксплуатации в результате ее старения. Ткань днища должна выдерживать максимальную нагрузку, действующую на днище.
Особенностями ткани для днища являются ее увеличенная каркасность и минимальное удлинение под нагрузкой. При выборе прорезиненной ткани следует учитывать экономические факторы, влияющие на стоимость готовой лодки.
Тип шва, соединяющего отдельные элементы лодки, зависит от конструкции бортов лодки и предполагаемой технологии изготовления, а также материала оболочки. Применяют швы трех типов: сварной, клееный или клеепрошитый. По характеру соединения элементов лодок швы подразделяют на несколько видов (рис. 3.3). Наибольшее распространение нашли нахлесточный, стыковой, рантовый (гребешковый) швы и их различные модификации. Конструкция швов должна обеспечивать герметичность и прочность, близкую к прочности выбранного материала.
Клееные и клеепрошитые швы имеют ширину, как правило, 20 — 40 мм в зависимости от прочности соединения, выбранных материалов и технологии изготовления изделия. Данные экспериментальных работ по установлению влияния ширины шва на его прочность показывают, что увеличение ширины шва более 40 мм ведет лишь к незначительному повышению прочности соединения.
Прочность прошитого шва всегда ниже прочности ткани, что объясняется ослаблением материала при прошивке и возникновением концентрации напряжений в местах прокола ткани иглой. Прочность шва определяется прочностью ткани и ниток, параметрами строчек и количеством их, расстоянием между строчками. Исходя из опыта проектирования длина стежка для нахлесточных швов должна быть равной 5 — 6 мм, расстояние между строчками 10—15 мм, прочность применяемых ниток 100—150 Н.
Для испытаний прочности шва образец шириной 5 см, соединенный швом выбранной конструкции с зоной склейки аналогичных размеров, подвергают действию статической нагрузки в течение 4 ч при температуре 60 °С. Нагрузку вычисляют по формуле
H =3,68d (1,16p+ 0,14),
где d — максимальный диаметр борта, см; р — рабочее избыточное давление при 20 °С, Па. Образец считают выдержавшим испытания, если на всем соединении не появилось трещин и сдвигов.
Приведенные формулы позволяют спроектировать надувную лодку с элементами, имеющими достаточную прочность. Подробные расчеты таких элементов, как днище, транец, елань, кильсон и т. п., на практике не требуются, однако в каждом конкретном случае они могут быть выполнены наряду с другими расчетами, например, расчетами остойчивости, усилия для возвращения перевернутой лодки в исходное положение, напряжения в материале борта в зависимости от изгибающих моментов. Результаты расчетов сверяют с результатами практических испытаний опытных образцов.
