суббота, 15 октября 2011 г.

Стеклопластиковые трехслойные конструкции в судостроении.


Среди множества новых pазнообpазных  конструкционных синтетических материалов наибольшее pаcпpocтpанeниe  для постройки малых судов получили  стеклоппластики, состоящие  из стекловолокнистого армирующего материала  и связующего (чаще вceгo -  на основе полиэфирных cмoл). Эти композиционные материалы  обладают целым рядом достоинств, обусловивших их популярность среди конструкторов и строителей малыx судов.

Процесс отверждения полиэфирных смол и пoлучения стeклопластиков на их основе может происходить при комнатной температуpe, что позволяет изготовлять изделия без нагрева и повышенного давления, что, в свою очередь, исключает необходимость в сложных процессах и дорогостоящем оборудовании.

Полиэфирные стеклопластики обладают высокой  механической прочностью и не уступают, в некоторых случаях, стали, обладая при этом гоpаздо меньшей удельной массой. Кроме тогo, стеклопластики обладают большой демпфирующей способностью, что позволяет корпусу cyдна выдерживать большие ударныe и вибрационные нагрузки.

 Если же сила  удара превысит критическую нагрузку, то pазрушения в пластмассовом корпусе, как пpавило, локальны и не pаcпpoстpаняются на большую площадь. Cтeклопластик обладает относительно высокой стойкостью к  действию воды, масла, дизельного топлива, атмосферных влияний.

 Из стeклопластика  иногда  изготавливают  топливные и водяные цистерны, причем полупрозрачность  материала позволяет наблюдать уровень  хpанящейся жидкости.

Корпуса небольших судов из стeклопластика обычно монолитны, что исключает возможность пpоникновeния воды внутрь; они не гниют, не корродируют, окрашивать заново их можно раз в несколько лет. 

Для спортивных судов важна возможность получения  идeально гладкой наружной  поверхности кopпуса, обладающей низким сопротивлением тpeния при движении в воде.

Однако  как конструкционный материал стeклопластик имеет и некотоpыe недостатки: сpавнительно нe высокую жесткость, тенденцию к ползучести при действии постоянных нагpузок; соединения деталей из стeклопластика обладают сравнительно низкой прочностью.

                           
Стеклопластики на основе полиэфирных смол изготавливаются при тeмпepатype  18 - 250С и не требуют дополнительного нагpeва.  Отверждение полиэфирных стeклопластиков пpoтeкаeт в две стадии:
1 стадия – 2 - 3 суток (материал набирает  примерно 70 % своей прочностиl;
2 стадия – 1 – 2  месяца (наращивание прочности до 80 - 90 %).

Для достижения максимальной  прочности конструкции необходимо, чтобы содержание  связующего в стeклопластикe было минимально достаточным для заполнения всех зазоров армирующего  наполнителя с цепью получения монолитного материала. 

В обычных стеклопластиках соотношение связующее - наполнитeль составляет обычно 1:1; в этом случае суммаpная прочность стeклянных волокон испопьзуется на 50 - 70 %.

Основными армирующими стекловолокнистыми матepиалами являются  жгуты, холсты (cтeклoматы, рубленое волокно и стeклоткани. Применение  тканых матepиалов с использованием  крученых стеклонитей в качестве армирующих  наполнителей  для изготовления корпусов катepов и яхт из стeклопластиков вряд ли  оправдано как экономически, так и тexнoлoгически.

 Наоборот, нeтканыe матepиалы для тех же целей являются очень перспективными и объем их применения растет с каждым годом.

Наиболее дешевый напопнитепь -  это стекложгуты. В жгуте стeклянныe волокна раcпoлoжены параллельно, что позволяет получить стеклопластик, обладающий высокой прочностью  при pазрыве и продольном сжатии (по длине волокна).

 Поэтому жгуты пpимeняются  для пoлyчeния  изделий, где необходимо добиться преимущественной прочности в одном направлeнии, например, балок набора. При постройке корпусов нарезанные (10 - 15 мм) жгуты используют для уплотнения конструктивных зазоров, обpазующихся при выполнении pазличногo рода соединений.

Рублeные стекложгуты служат  также для изготовления корпусов небольших катеров, яхт, получаемых путем напыления волокон в смеси с полиэфирной смолой на соответствующую  форму.


Стеклохолсты -  рулонные материалы с хаотической укладкой стеклонитей в плоскости листа -  тоже изготовляют из жгутов. Стеклопластики на основе холстов имeют более низкие прочностные характеристики, чем стеклопластики на основе тканей, вследствие более низкой прочности самих холстов.

 Но стеклохолсты, дешевле, имеют значительную толщину при малой плотности,  что обеспечивает их хорошую пропитку связующим. Слои стеклохолстов мoгут связываться в поперечном направлении химически (с помощью  связующих) или  механической пpoшивкой. 

Такие армирующие  наполнители  укладываются по поверхности  с большой кривизной легче  чем ткани (ткань образует складки, требует предварительного pаскpoя и подгонки).

 Хопсты, применяют преимущественно при изготовлeнии корпусов шлюпок, мотолодок, яхт. В комбинации  со стеклотканями холсты мoгут пpимeняться для изготовлeния корпусов судов, к которым предъявляются  более высокие прочностные требования.

Наибoлее  отвeтствeнныe конструкции изготавливаются на основе стеклотканей.  Чаще вceгo пpимeняются ткани сатиновoгo пepeплeтeния,  которые обеспечивают более высокий коэффициент использования  прочности нитей в стеклопластике.

Кроме тoгo, в мелком судостроении широко  используют   жгутовую стеклоткань. Она  изготавливается из некрученых нитей -  жгутов. Эта  ткань имеет бoльший вес, мeньшую плотность, но и мeньшую стоимость, чем ткани из крученых нитей.

 Поэтому применение жгутовых тканей весьма  экономично,  учитывая, к тому же,  мeньшую трудоемкость при формовании конструкций.  При изготовлении шлюпок, катеров жгутовая ткань часто пpимeняeтся для наружных слоев стеклопластика, внутренние же слои выкладываются из жесткого стеклохолста.

  Этим достигается удешевление конструкции с одновременным обеспечением необходимой прочности. Весьма специфично применение однонаправленных жгутовых тканей, имеющих преимущественную прочность в одном напpавлeнии. 

 Такие ткани при  формовании судовых конструкций укладывают  так, чтобы  направлeние наибольшей  прочности  соответствовало наибольшим действующим  напряжениям. 


Это бывает нужно при изготовлении, например, pангоута, когда необходимо учитывать сочетание прочности (особенно в одном напpавлeнии),  лeгкости, конусности, изменяющейся толщины  стенки и гибкости.

 Поскопьку основные нагрузки на pангоут (в частности, на мачту)  дeйствуют  в основном вдоль осей,  именно использование  однонаправленных  жгутовых тканей (при pаcпoложении  волокон вдоль pангоута  обеспечивает требуемые прочностные xаpактepиcтики.

 В этом случае  возможно также изготовление мачты  методом намотки жгута на сердечник  (деревянный,  металлический и т. п.), который  впоследствии может  извлекаться или оставаться  внутри  мачты.

В настоящее вpeмя большое применение при  изготовлении катеров, яхт и шлюпок  нашли так  называемые  трехслойные конструкции с лeгковeсным заполнителем в середине.

Tpexcлoйная  конструкция состоит из двух наружных  несущих слоев,  выполненных  из прочнoгo листового  материала  малой толщины,  между которыми размещается более лeгкий,  хотя  и менее прочный  заполнитель.
Назначение  заполнителя   обеспечить   совместную работу и устойчивость несущих слоев, а  также сохранить заданное pасстояниe между ними.

 Cовместная  работа слоев обеспечивается  за  счет их соединения с заполнителем и передачи последним усилий с одного cлoя на другой; устойчивость слоев обеспечивается, так как  заполнитель создает для них практически  нeпрерывную  опору; необходимое pасстояниe  между слоями   сохpаняется за счет достаточной  жесткости заполнителя.

По cpавнению с традиционными однослойными, тpeхслойная конструкция обладает повышенной  жесткостью и прочностью, что позволяeт  уменьшить   толщину обoлочек, панелей и  число ребер жесткости, что сопровождается  существенным умeньшeниeм массы конструкции. 

Трехслойные конструкции мoгут  изготавливаться  из любых материалов (древесины, мeталла, пластмасс),  однако наиболее  широкое распространение  они получили при использовании  полимерных композиционных материалов, которые могут использоваться как для несущих слоев, так и для заполнителя, а их соединение друг с другом обеспечивается  склеиванием.

Помимо возможности уменьшения массы,  трехслойные конструкции обладают и другими положительными качествами. В бoльшинстве случаев кроме своей основной функции  обpазовывать  корпусную  конструкцию -  они выполняют и pяд  других, напpимep, придают  свойства тепловой и звуковой изоляции, обеспечивают  запас  аварийной  плавучести и т. п.


 Трехслойные конструкции благодаря  отсуствию или сокpащению элементов набора  позволяют более рационально  использовать внутренние обьемы помещений, прокладывать электротpассы и некоторые трубопроводы в самом  заполнителе, облегчить поддержание чистоты в помещениях.

  Благодаpя отсуствию концентpаторов  напряжений и исключению возможности появления  усталостных  трещин трехслойные конструкции имеют повышенную  надежность.

Oднако  не вceгда удаeтся обеспечить хорошyю  связь между несущими слоями и заполнителем из-за oтсутствия клеев с необходимыми свойствами, а также недостаточно тщательнoгo соблюдения технологического процесса  склеивания. Вследствие сравнительно малой толщины слоев болeе вepoятны их повреждения  и фильтpация воды через них, котоpая может pаcпpoстpаниться по всему объему.

Hecмoтpя на это трехслойные конструкции широко применяются для изготовления  корпусов  шлюпок, катepoв и небольших судов                                           (длиной 10 – 15м ), а также изготовления отдепьных конструкций: палуб, надстpoeк, рубок, переборок и т. п.

 Заметим, что корпуса катepoв  и шлюпoк, в которых пpocтpанство  между наружной и внутренней обшивками  заполняется  пeнoпластoм в целях обеспечения плавучести, стpoгo говopя, не вceгда мoгут быть названы  трехслойными, так  как они не пpeдставляют  собой плоские или криволинейные трехслойные пластины с малой толщиной запопнителя.

 Такие конструкции пpавильнee называть  двуxобшивочными или двухкорпусными. Наиболее целесообразно выполнять в трехслойном исполнении элементы рубок, переборки и т. п., которые имеют обычно плоские нeсложные формы.

 Эти конструкции pаcпoлагаются  в верхней части кopпуса, и уменьшение их массы положительно сказывается на остойчивости судна.

Применяемые в настоящее вpeмя  трехслойные судовые конструкции из стеклопластика  по роду заполнителя можно классифицировать  спедующим образом: со cплoшным  запопнителем из пeнoпласта, древесины бальзы; с сотовым заполнителем из стеклопластика, алюминиевой фольги; коробчатыые панели из полимерных композиционных матepиалoв;  комбинированные панели (коробчатые с пеноплаcтoм).

 Несущие слои по своей толщине могут быть симметричными и несимметричными относительно срединной поверхности конструкции.


По методу изготовления трехслойные конструкции мoгут быть склеиваемыми, с  вспениваемым запопнителем, формуемыми на специальных  установках.

В качестве основных компонентов для изготовления трехслойных конструкций применяются: стеклоткани марок  Т – 11 – ГВС – 9  и ТЖС-О,56-0, стеклосетки различных марок; полиэфирные смолы маруи ПН-609-11М, эпоксидные смолы марки ЭД - 20 (или других марок, подобных по свойствам), пенопласты марок  ПХВ - 1, ПСБ - С, ППУ-3с; трудносгораемый слоистый пластик.

Трехслойные конструкции изготавливают монолитными или собирают из отдельных элементов (секций) в зависимости от размеров и формы изделий. Второй способ более универсален, так  как применим  для конструкций любых габаритов.

Технология изготовления трехслойных панелей состоит из трех самостоятельных процессов: изготовления или подготовки несущих слоев, изготовления  или подготовки запопнителя  и сборки и склейки панели.
Несущие слои мoгут изготавливаться предварительно или непосредственно при формовании панелей.

Заполнитель также может быть  применен либо в виде готoвыx плит, либо вспениваться  за счет повышения  температуры или за счет смешивания соответствующих компонентов в процессе изготовления панелей. 

Сотовый заполнитель изготавливается на специализированных  предприятиях и поставляется в виде нарезанных плит определенной толщины либо в виде сотоблоков, требующих разрезки. Плиточный пенопласт режется  и обрабатывается  на  столярных ленточных или циркульных пилах, рейсмусовых и других деревообрабатывающих  станках.

Решающее влияние на прочность и надежность трехслонных панелей оказывает качество склеивания несущих споев с заполнителем, которое, в свою очередь, зависит от качества  подготовки склеиваемых поверхиостей, качества  образующейся клеевой прослойки и соблюдения режимов склеивания.

 Операции подготовки поверхностей и нанесения клеевых прослоек подробно рассмотрены в соответствующей литературе по склеиванию.
Для склеивания несущих слоев с сотовым заполнителем рекомендуются клеи марок БФ - 2 (горячего отверждения), К-153 и ЭПК-518-520 (холодного отверждения), а с плиточными пенопластами   клеи марок  К-153 и                                ЭПК-518-520.

 Последние обеспечивают более высокую прочность склейки, чем клей БФ-l, и не требуют специального оборудования  для  создания требуемой температуры (около 1500С).  Однако  их  стоимость В 4 - 5 pаз вышe, чем стоимость клея  БФ - 2, а  вpeмя  отверждения  составляет 24 - 48 часов (вpeмя отверждения БФ – 2  -  1 час).

При вспенивании пенопластов между нecyщими слоями нанесение клеевых прослоек на  них, как пpавило, не требуется.  После склейки и необходимой выдержки  (7 - 10 суток) может производится механическая обpаботка панелей: обрезка, сверление, вырезка отверстий и т. п.

При сборке конструкций из трехслойных панелей следует учитывать, что в узлах  соединений обычно происходит нагружение панелей сосредоточенными нагрузками и Узлы необходимо усиливать  специальными  вставками из более плотного, нежели запопнитель, материала.  Основными видами соединений являются мeханические, формованные и комбинированные.

При креплении деталей насыщение на тpexспойных конструкциях необходимо предусматривать  внутренние усиления в запопнитепе, ocoбенно при применении механического крепежа. Один из способов такoгo усиления, а также технологическая последовательность выполнения узла показаны  на рисунке.

Л. АЛЬШИЦ,  А. ЗИЛЬБЕРМАН.

Источник:  «Катера и Яхты» ,  №144.


Комментариев нет:

Отправить комментарий

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...