Введение. 
Теория и устройство судна: циклическая прочность судовых конструкций

Проектирование конкурентоспособных образцов техники требует постоянного совершенствования методов расчета прочности. Это в значительной мере относится и к области судостроения — одной из наиболее наукоемких и быстро развивающихся отраслей. Характерной чертой развития судостроения является постоянное усложнение или возрождение на новой основе традиционных фундаментальных проблем прочности.

Сказанное выше можно полностью отнести к усталости материалов судовых конструкций. Несмотря на почти столетнюю, начиная с работ И. Г. Бубнова, историю вопроса, до массового внедрения сварки в судостроение, когда конструкции были клепаными, проблемы усталости корпусных конструкций практически не существовало. Прочность корпусов судов оценивалась главным образом по отношению к однократным перегрузкам (предельная прочность). Возникновение проблемы усталости связано с массовым появлением усталостных трещин в сварных судовых конструкциях в 1940—1950;х гг., вызванных различными причинами: циклическим общим изгибом корпуса на волнении, общей (ходовой) и местной вибрациями. В связи с этим в 1960—1980;х гг. было опубликовано большое количество работ ведущих отечественных и зарубежных кораблестроителей, посвященных усталости. В конце концов полученные результаты нашли свое отражения в действующих Нормах и Правилах. В настоящее время работы в этом направлении продолжаются, однако решение задачи далеко от завершения, о чем говорит не уменьшающееся (если не увеличивающееся) количество усталостных повреждений судовых конструкций.

Одним из важных аспектов проблемы долговечности и надежности судовых конструкций является разработка физически обоснованных критериев циклической прочности при сложных видах напряженного состояния и изгибе. По мнению Г. В. Бойцова и О. М. Палия, «если обратиться к литературе, нетрудно заметить диспропорцию между объемами исследований по различным проблемам. Большинство из них направлены на изучение напряженности конструкций… Меньшее, но также довольно значительное внимание уделяется сейчас исследованию нагрузок, действующих на конструкции. В то же время работ, касающихся условий возникновения опасных состояний, процессов накопления повреждений и разрушения судовых конструкций и особенно выбора критериев прочности и соответствующих запасов прочности, явно недостаточно» (курсив наш).

Достижения физических методов исследования позволили в 1920;х гг. более глубоко проникнуть в сущность явлений, протекающих в процессе деформирования. В результате Я. И. Френкелем, Дж. Тейлором, Е. Орованом и др. были предложены элементы дислокационной теории прочности, в том числе усталостной. Одновременно с развитием теории дислокаций появилось научное направление, развивавшее энергетические представления о механизмах и закономерностях деформации и разрушения твердых тел.

Вопросам усталостной прочности судовых конструкций посвящены работы А. А. Курдюмова, В. А. Быкова, В. В. Козлякова, А. И. Максимаджи, С. В. Петинова, В. М. Волкова. Определяющая роль в формулировании подходов и методов расчета усталостной прочности судовых конструкций принадлежит ЦНИИ им. акад. А. Н. Крылова. Здесь были осуществлены уникальные экспериментальные исследования натурных и крупномасштабных узлов судового корпуса при близких к реальным режимах циклического нагружения. Широко известны работы Г. В. Бойцова, М. К. Глозмана, С. Д. Кноринга, Ю. Ф. Леппа, О. Е. Литонова, О. М. Палия, В. С. Чувиковского, Г. С. Чувиковского и др. Выполненные исследования легли в основу «Норм прочности морских судов» — главного нормативного документа, используемого при расчетном проектировании и оценке прочности, в том числе циклической, судовых конструкций.

Многочисленные разработанные критерии циклической прочности в большинстве своем оперируют размахами напряжений или деформаций. В то же время С. В. Петиновым отмечено, что «использование напряжения или деформации в качестве параметра, характеризующего усталостное повреждение, ведет к формулировке условных критериев разрушения».

Физически более совершенными являются энергетические критерии, в которых мерой повреждения служит работа, затрачиваемая на пластическое деформирование. В этом направлении известны работы А. Надаи, В. С. Ивановой, Д. Морроу, Ч. Фелтнера, А. Н. Романова, П. А. Павлова. Из энергетических подходов наиболее перспективным представляется метод исследования усталости, основанный на принципах термодинамики необратимых процессов, который, не изучая детально тонкие механизмы процесса разрушения, позволяет в то же время делать столь же достоверные выводы, как и фундаментальные законы, лежащие в основе термодинамики. В этой области известны исследования В. С. Ивановой и В. Т. Трощенко.

Принципиальное значение при формулировании энергетических критериев усталостного разрушения металлов имеет разработка методов разделения рассеянной в металле энергии на «опасную» с точки зрения усталостного разрушения и «неопасную», а также физическая интерпретация «опасной» части энергии. Здесь наиболее известны работы В. В. Федорова и его учеников.

Опубликованные до настоящего времени результаты исследований названных авторов распространяются только на случай одноосного циклического нагружения некоторых машиностроительных сталей. По судостроительным сталям, работающим в составе корпусных конструкций в условиях сложного напряженного состояния, работ этого направления практически нет. В то же время, как показывает анализ повреждений судовых конструкций, трещины усталости появляются в зонах повышенной концентрации напряжений именно в условиях сложного напряженного состояния.

В данной книге наряду с анализом вида и причин усталостных повреждений судовых конструкций и рассмотрением некоторых общих вопросов циклической прочности судовых конструкций и ее нормирования приведены методики и результаты оригинальных исследований авторов, в частности, в области термодинамических аспектов усталостной прочности судокорпусных сталей. На основе этих исследований разработаны критерии циклической прочности для плоского напряженного состояния и свойственного пластинам судового корпуса циклического изгиба. Книга посвящена принципиально важному, но достаточно узкому кругу вопросов и не претендует на исчерпывающее освещение вопросов усталости судовых конструкций.

Главы 1—5, 8 написаны авторами совместно, а гл. 6, 7 — А. П. Аносовым.

Авторы выражают признательность заведующему кафедрой механики деформируемого твердого тела Дальневосточного государственного технического университета д-ру техн. наук, профессору К. П. Горбачеву за помощь в редактировании книги.

Пособие «Вопросы циклической прочности судовых конструкций» предназначено для студентов старших курсов кораблестроительных вузов и аспирантов, специализирующихся в области прочности судовых конструкций, и является дополнительным материалом к базовым курсам «Конструкция корпуса судов», «Строительная механика и прочность корабля» и к курсу «Расчетное проектирование судовых конструкций». В результате освоения материала, изложенного в пособии «Вопросы циклической прочности судовых конструкций», у обучающегося должны сформироваться способность применять приобретенные знания, умения, успешно действовать на основе полученного опыта при решении частных задач по оценке циклической (усталостной) прочности отдельных корабельных конструкций, а также умение использовать полученные знания при изучении и выполнении расчетного проектирования судовых конструкций.

В результате освоения материала обучающийся должен:

знать

• • основные методы и критерии расчета циклической прочности;
• • принципы расчета элементов отдельных конструкций;

уметь

• решать практические задачи по расчету циклической прочности элементов, связей, набора, некоторых конструкций и перекрытий корпусов судов, а также общей прочности корпуса;

владеть

• • методиками оценки внешних сил;
• • основными методами расчетов циклической прочности.