Особенности импортозамещения заполнителей трехслойных конструкций из композитных материалов в судостроении

Введение

В настоящее время композитные материалы (КМ) широко применяются для постройки малых, высокоскоростных и промысловых судов; так, в сегменте прогулочного судостроения доля корпусов из КМ достигает 90%. КМ состоят из армирующих (ткани, волокна, маты) и связующих (смолы) элементов, а также для трехслойных конструкций — из среднего слоя легкого заполнителя. Трехслойные конструкции позволяют достичь существенного снижения массы и повышения жесткости, также использовать высокотехнологичные методы постройки судов [1] (рис. 1).

Рисунок 1. Моторная яхта проекта SB90 длиной 27 м из КМ с применением трехслойных конструкций

Однако, в связи с введением рядом стран против Российской Федерации санкций оказываются недоступными традиционно применяемые материалы заполнителей трёхслойных конструкций, главным образом производства европейских компаний. В настоящей работе поставлена цель обеспечить судостроителей РФ необходимыми техническими решениями для применения трехслойных конструкций из КМ в условиях санкционного давления.

В работе поставлены следующие задачи:

• Проанализировать физико-механические характеристики пенопластов, влияющие на их применимость в судостроении.
  
• Рассмотрена значимость характеристик заполнителя на общие результаты проектирования судовой конструкции.
  
• Выработаны подходы по применению доступных материалов.
  
• Подготовлены предложения для корректировки отечественных нормативных документов.
  

Особенности выбора заполнителя

При выборе материала заполнителя для судовой конструкции следует учитывать:

• Соответствие критериям минимальной прочности на сдвиг и/или сжатие для судостроительных конструкций — эти критерии обычно в явном виде присутствуют в правилах классификационных обществ (КО) и стандартах и характеризуют принципиальную возможность применения того или иного материала заполнителя.
  
• Удовлетворение расчетам прочности, в частности по напряжениям на сдвиг, потере устойчивости сжатых оболочек и т.д. — эти задачи решаются непосредственно в процессе расчета конструкции, когда осуществляется подбор армирования, толщины и марки заполнителя.
  
• Технологические требования, в частности наличие номенклатуры толщин, перфорации листов, адгезионные свойства, стойкость к связующим и т.д.
  
• Наличие сертификатов качества и/или КО, допускающего применение материала в судостроении (не является обязательным для судов рекреационного назначения).
  
• Достоверность и доступность документации — наличие необходимых сведений о реальных физико-механических характеристиках, и воспроизводимость этих характеристик в разных партиях материала. Следует отметить, что характеристики заполнителей в спецификациях производителей характеризуют средине значения и часто носят рекламный характер [2, 3]. Наиболее достоверными являются характеристики из сертификатов КО на заполнители, где обычно указываются их минимальные свойства [4].
  
• Специальные требования, в частности поглощение влаги, огнестойкость и токсичность при горении, радиопрозрачность и т.д.
  

На рис. 2 и 3 представлена систематизация данных по прочности на сдвиг τ и сжатии σс для пенопластов и сотовых заполнителей различных производителей.

Рисунок 2. Сравнение прочности на сдвиг распространенных типов заполнителей трехслойных конструкций

Рисунок 3. Сравнение прочности на сжатие распространенных типов заполнителей трехслойных конструкций

Требования нормативных документов к минимальным свойствам заполнителей

Старейшее классификационное общество Lloyd’s Register [5] отличают довольно консервативные подходы к конструкциям из КМ. При этом LR накладывает лишь общие минимальные ограничения на материал заполнителя, например для поливинилхлоридных пенопластов минимальная плотность составляет 60кг/м³, минимальная прочность на сдвиг и сжатие соответственно τ = 0.5 и σ_с = 0.6 МПа.

Норвежско-германское общество DNV [6] устанавливает требования к минимальной прочности на сдвиг и сжатие для заполнителей. Так, для днища и бортов установлены τ = 0.8 и σ_с = 0.9 МПа, для палуб и надстроек τ = 0.5 и σ_с = 0.6 МПа.

Российский морской регистр судоходства [7] нормирует минимальные характеристики (в том числе прочность на сдвиг и сжатие) в зависимости от плотности , т.е. τ(ρ) и σ_с(ρ). В результате, характеристики пенопластов τ по оказываются в верхнем диапазоне достижимых значений (см. рис. 2), что не позволяет применять большинство доступных материалов с учетом импортозамещения.

Очевидно, политика РМРС в части заполнителей должна быть пересмотрена, т.к. нормировать следует лишь минимальные прочностные характеристики пенопластов без жесткой привязки их к плотности материала. Из опыта проектирования, при использовании некоторых типов пенопластов с пониженными физико-механическими характеристиками проектировщик применяет пенопласт с большей плотностью; такой возможности при использовании подхода РМРС не существует. Например, по DNV пенопласт Gurit G-PET или китайский пенопласт типа F плотностью 80…100 кг/м³ можно использовать для конструкций палубы и надстройки; по РМРС такое использование будем невозможно (рис. 2). В подходе РМРС заложено лишь применение пенопластов от Airex и DIAB, наиболее дорогостоящих, на импорт которых в РФ наложены санкционные ограничения.

В практике проектирования судов рекреационного назначения широкое применение находит стандарт ISO12215-5. Действующая редакция стандарта [8] предъявляет требования к материалу заполнителя трехслойных конструкций в виде допускаемых напряжений при сдвиге τ_dco и сжатии и σ_dcco:

где L_WL — длина по ватерлинии, м;
P_BASE — базовое расчетное давление на днище, кПа.

Заметим, что соотношение между допускаемыми и предельными напряжениями для пенопластов по [8, 9] составляет 0.50…0.65; для рассматриваемых типов пенопластов 0.55 и для сотовых заполнителей 0.50. По мнению автора, формула (1) некорректна, т.к. подразумевает снижение прочностных характеристик при увеличении длины судна L_WL, что не соответствует практике.

Более ранняя редакцияISO12215-5 [9] включает более работоспособный подход для минимальной прочности на сдвиг:

Таким образом, для судов рекреационного назначения устанавливается диапазон допускаемых касательных напряжений в заполнителе 0.25…0.40 МПа, что примерно соответствует пределу прочности на сдвиг заполнителя τ = 0.4…0.8 МПа, где меньшие значения соответствуют судам меньшей длины. Получаемый диапазон τ позволяет использовать в конструкциях малых рекреационных судов как пенопласты типа G-PET, F, так и заполнители на основе полипропиленовых сот. У автора статьи имеется обширный положительный опыт применения таких материалов. Так, на рис. 1 показана моторная яхта проекта SB90, судно построено с использованием сотовых заполнителей Hexacor HP8 с τ = 0.8 МПа на бортах, палубе и переборках и находится в эксплуатации с 2010 года. На рис.5 представлен рекреационный катамаран проекта AR980, спущенный на воду в 2010 и построенный использованием пенопластов Navicell китайского производства.

Значимость свойств заполнителя для расчетов прочности конструкций

Влияние замены пенопластов рассмотрим на примере малого высокоскоростного катамарана длиной 12м. На рис. 4 и 5 представлены результаты расчетов панелей обшивки борта (расчетное давление на пластину p = 24 кПа) и палубы (p = 5 кПа), размер панели в обоих случаях 750×1500 мм. Рассмотрены пенопласты двух производителей:

• DIAB Divinycell H80 плотностью 80кг/м³;
  
• Пенопласты типа F80 и F100 (производство Китай) плотностью соответственно 80 и 100 кг/м³, имеющие меньшую прочность на сдвиг.
  

Рисунок 4. Результат расчетов пластины палубы с использованием различных пенопластов

Рисунок 5. Результат расчетов пластины борта с использованием различных пенопластов

Армирование панелей палубы принято одинаковым и полагается не зависящим от марки пенопласта; такое же допущение сделано для панелей борта.

Расчеты выполнены по критериям (указаны по горизонтальной оси рис. 4 и 5) из ISO12215-5:2019 [8] и представлены в виде диаграммы удовлетворения критериев прочности CF (compliance factor), показывающих превышение расчетных напряжений, жесткости, массы арматуры и т.д. над допускаемыми. При величинах CF > 1 обеспечивается удовлетворение критерия.

Из результатов расчетов можно сделать следующие выводы:

Для малонагруженных панелей палубы, замена пенопласта на материал с меньшей прочностью на сдвиг не имеет критического значения. Армирование оболочек трехслойной конструкции определяется практическими соображениями (стойкость к сосредоточенным нагрузкам, технологические соображения, внешний вид поверхности и т.д.). Увеличение массы конструкции из-за замены пенопласта не происходит.

Для более нагруженных панелей борта, замена пенопласта H80 на материал такой же плотности F80 невозможна из-за не удовлетворения критерия прочности заполнителя на сдвиг. В этом случае возможна замена на пенопласт марки F100 большей плотности с более высокими прочностными характеристиками, увеличение массы панели при этом составит всего 4%.

Для высоконагруженных днищевых панелей, использование пенопластов типа F невозможно из-за высокого расчетного давления на днище [10]; обшивка выполняется однослойной с армированием балкинг-матами. Тем не менее, как показывает опыт, в ряде проектов тихоходных судов возможно применение заполнителей с пониженной прочностью на сдвиг при одновременном увеличении толщины слоя заполнителя, что приводит к снижению расчетных касательных напряжений в панели.

Выводы

В условиях санкций, строителям судов из КМ скорее всего придется ориентироваться на пенопласты и сотовые материалы «не брэндовых» производителей. Эти материалы, при сравнении по равной плотности, как правило, обладают более низкими прочностными характеристиками, в частности прочностью на сдвиг.

Тем не менее, опыт автора в части проектирования и сервисная история построенных судов показывает из материалов азиатских производителей (рис.1 и 6), что подобные материалы могут быть с успехом применены для бортовых, палубных и интерьерных элементов большинства судов из КМ, а также днищевых конструкций судов небольшой длины. В этом случае, конечно же, приходится использовать пенопласты и сотовые заполнители более высокой плотности, что приводит к незначительному росту массы конструкций. Однако и в этом случае удается обеспечить существенные весовые преимущества конструкций из КМ над алюминиевыми и стальными судами. В тяжело нагруженных участках для повышения прочности на сдвиг могут быть использованы противосдвиговые перемычки, хотя это и снижает технологичность производства.

В свете реалий доступности компонентов КМ технические нормативные документы РФ нуждаются в адаптации. Они должны позволять использование материалов-заменителей в обоснованных случаях. В частности, требования РМРС в части минимальных свойств заполнителей нуждаются в пересмотре.

При этом важно отметить, что с учетом усталостных явлений, подверженности воздействию температур и влажности, рисков деламинации и т.д. применение новых материалов заполнителей должно сочетаться с тестированием и тщательным анализом опыта эксплуатации таких конструкций.

Список литературы

1. Nazarov A. Composite High Speed Craft: Practical Design Approaches// 4nd Chesapeake Power Boat Symposium - Annapolis, USA, 2014.
   
2. Pemberton P., Summerscales J., Graham-Jones J. Marine Composites – Design and Performance. Woodhead Publishing. 2019
   
3. Shenoi R.A., Wellicome J.F. Composite materials in maritime structures. Vol. 1-2. Ocean technology series, Cambridge University Press, 1993.
   
4. Nazarov A., Tapee S., Prapset P., Chattawan S. Small Craft Design for Drop Test: Case Study // SURV 10 - Surveillance, Search and Rescue Craft, 13-14 January 2021, RINA, London
   
5. Rules and Regulations for the Classification of Special Service Craft. Lloyd’s Register, 2020.
   
6. Rules for Classification of High Speed and Light Craft. DNV– 2020.
   
7. Правила классификации и постройки морских судов. Российский Морской Регистр Судоходства, 2022.
   
8. ISO-12215 - 5:2019 Small craft - Hull construction and scantlings - Part 5 design pressures, design stresses, scantling determination.
   
9. ISO-12215 - 5:2008 Small craft - Hull construction and scantlings - Part 5 design pressures, design stresses, scantling determination.
   
10. Nazarov A. Suebyiw P., Piamalung A. Experimental assessment of Impact Loads on Catamaran Structures // Design & Operation of Wind Farm Support Vessels, 28-29 January 2015, London, UK - p.75-84.