Views: 51

По статье Дэйва Герра “Элементы скэнтлин системы прочности лодок”.

Прошло более 10 лет с тех пор, как в 2000 году была опубликована книга «Элементы прочности лодок». За все это время и за все многие-многие лодки, построенные по этим правилам, я не узнал ни об одном случае разрушения конструкции.

Это очень хороший показатель. Поскольку “Элементы скэнтлин системы прочности лодок” имеет уже десятилетнюю историю успешного использования и она довольно проста в применении, сейчас самое время пересмотреть это правило. Как оно появилось, как его следует применять и как оно соотносится с некоторыми другими скэнтлин системами. Мы также рассмотрим некоторые моменты, которые я бы скорректировал в “Элементах скэнтлин системы прочности лодок”.

Поскольку почти все в этой системе ссылается на «скэнтлин-число» (Sn), я буду называть ее «скэнтлин система Sn», «система или правило Sn» или «процесс Sn». Также – как я объясню – я использовал аспекты этой базовой системы в течение многих лет до выхода этой книги.

Принятие системы Sn и вопросы

Многие морские архитекторы и морские инженеры считают систему Sn полезной и надежной. Книга «Элементы прочности лодок» также используется в качестве учебника в Военно-морской академии США, на факультете военно-морской архитектуры, океанографии и морской техники. Архитектура, океанотехника и морская техника. Один инженер сказал о системе Sn:

Будучи дипломированным аэрокосмическим инженером, я использовал формулы, приведенные в этой книге, чтобы легко рассчитать продольные связи для алюминиевых корпусов длиной от 14 до 30 футов, не прибегая к исчерпывающим структурным расчетам или использованию программного обеспечения для анализа методом конечных элементов. При правильном применении, вы можете построить свою лодку с уверенностью, что она будет безопасно работать в описанных эксплуатационных пределах. Существуют ли другие способы расчета продольных связей? Конечно! Но если вам нужны формулы «правила большого пальца», которые надежны при ограничениях в пределах эксплуатационной зоны, то этот способ – то, что вам нужно. Я ввёл уравнения и рабочие параметры в электронную таблицу Еxcel, которая дает мне все необходимые размеры, при вводе длины, ширины и осадки корпуса. Предыдущие рецензенты, утверждавшие, что тема книги «широка, но неглубока», не понимали что они читали. Если вы хотите спроектировать лодку с нуля и будете читать и усваивать материал, то эта книга – выгодное приобретение.

Это подводит нас к самым распространенным вопросам о системе Sn: как она может учитывать нагрузки, возникающие при изменении шпаций? Как можно просто увеличить толщину обшивки на некоторую произвольную величину для заданной скорости?

Ответ заключается в том, что пропорции и размеры конструкции, создаваемой для каждой лодки в процессе Sn, обеспечивают требуемые размеры и регулируют шпацию. Кроме того, правило Sn не просто увеличивает толщину листов корпуса с увеличением скорости. Оно также уменьшает расстояние между рамами и увеличивает их размеры, тем самым учитывая тот факт, что силы возрастают примерно как квадрат скорости. Более подробно мы рассмотрим фактические расчеты далее.

Расчеты продольной прочности

В мире маломерных судов многие даже не слышали о расчетах продольной прочности. Однако морские архитекторы, обучающиеся проектированию судов, сталкиваются с ними с самого начала обучения и должны определять достаточную продольную прочность для каждого судна, и на то есть веские причины.

Представьте себе корабль в море во время шторма. Его может на мгновение приподнять огромная волна и поддержать только в центре. В этом случае судно может переломиться пополам, и нос, и корма окажутся в пустых впадинах – экстремальный перегиб. В качестве альтернативы судно может опираться на нос и корму двумя огромными волнами, а середина судна останется без опоры. В этом случае нос и корма поднимутся, а центр судна провиснет вниз, разломив судно на две части – экстремальный прогиб. И в том, и в другом случае ваш день будет испорчен! Ни того, ни другого не произойдет, если судно имеет достаточную продольную прочность. В некоторых случаях – даже в состоянии покоя на спокойной воде – тяжелые грузы могут вызвать экстремальный перегиб или прогиб, что может привести к разрушению судна.

Специалисты по проектированию судов выполняют трудоемкие расчеты, необходимые для определения свойств сечения (момента инерции и момента сопротивления сечения судна), а затем анализируют распределение веса по длине судна для создания эпюр изгибающих моментов и перерезывающих сил балки. На основании этих данных можно определить, достаточна ли прочность судна в поперечном сечении для обеспечения необходимой продольной прочности.

Все это не относится к маломерным судам. На самом деле, благодаря законам относительности и подобия, расчеты общей прочности не имеют значения для судов длиной менее 60 метров (196 футов). Выше этой длины продольная прочность становится все более важной, что является одной из причин того, что 60 метров – это одна из причин, по которой эти 60 метров являются границей между лодкой и кораблем.

В «Элементах прочности лодок» рассматриваются только суда длиной до 60 метров (120 футов). Расчеты продольной прочности не применяются.

Рождение системы Sn

Около двадцати лет назад я обсуждал статью о проектировании конструкций деревянных лодок с редакторами журнала WoodenBoat. Я проделал большую исследовательскую работу в этой области и считал, что она будет ценной. В WoodenBoat сказали: «Вперёд, напишите что-нибудь». К моему огорчению, когда редакторы получили первую часть, они решили, что она слишком сложна для их читателей, и отменили проект. Сейчас, когда я пишу эти строки, у меня опубликовано 417 статей за 26 лет. За все прошедшее время это единственная статья, которая не была опубликована. Я не был согласен с причиной отказа WoodenBoat от публикации, в результате они сказали, что думают, что из этой статьи получится отличная книга.

Книга? Это была мысль. После «Справочника по винтам» я написал «Природу лодок» и обсуждал новые проекты с International Marine/McGraw-Hill. Я предложил книгу о проектировании и конструировании корпусов лодок (не только деревянных) и отправил им свой первоначальный проект статьи о проектировании и конструировании деревянных лодок. Они были полны энтузиазма. Обратите внимание на предложенную тему: проектирование и конструирование лодок. Это не то же самое, что скэнтлин система. Я действительно хотел написать книгу о проектировании конструкции на основе первых принципов.

Дело в том, что я получаю большое удовольствие от расчетов. Когда я что-то проектирую, я проверяю и проверяю снова. Один из моих любимых авторов по строительной механике – профессор Дж. Э. Гордон. Он, помимо прочего, является пионером в области алюминиевых авиационных конструкций. Гордон говорил, что отсутствие отказов в спроектированных им конструкциях связано с беспокойством.

Любой, кто занимался проектированием ответственных конструкций, знает это чувство. Вы проверяете и перепроверяете. Я хорошо помню, как проектировал плавниковый киль для гонщика BOC Хольгера Данске. У этой лодки плавниковый киль глубиной 14 футов (4,27 м) с балластным торпедообразным бульбом весом 5500 фунтов в самом низу. Плавник полностью изготовлен из уни-ди S-стеклоткани, с помощью отверждения в вакуумном пакете. Я не только спроектировал его, но и помогал его строить, а также испытывал лодку. (Кстати, есть много людей, которые скажут, что из S-стеклоткани нельзя сделать плавниковый киль: слишком низкий модуль упругости, утверждают они. Это совсем не так, как вы можете видеть на фото, но это уже другая история).

К моим опасениям по поводу проектирования этого плавника следует добавить, что эта конструкция была разработана вскоре после того, как другая лодка BOC потеряла киль, в результате чего погиб шкипер. В то время было еще несколько случаев потери киля. Только по этой конструкции киля у меня было почти 60 страниц расчетов! Вот вам и беспокойство. И оно окупилось. Плавник никогда не давал ни малейшего намека на проблемы во время сильных атлантических штормов, посадок на мель, когда на киль наматывались водоросли или что-нибудь ещё, во время обычной работы и т. д.

В любом случае, книга, которую я изначально имел в виду, была бы посвящена тому, как делать подобные детальные инженерные расчёты конструкций лодок. Так что же произошло? Почему «Элементы прочности лодок» в итоге превратились в скэнтлин, а не инженерный трактат? Мой издатель, – вот почему. Думаю, они поняли то, чего сначала не понял я: что только скромное число технарей действительно воспользуется книгой для дипломированных инженеров. Они хотели что-то такое, что позволит быстро и просто получить надежные результаты.

Дело в том, что, как бы мне ни нравились инженерно рассчитанные конструкции, я (как и большинство действующих конструкторов и строителей) в большинстве случаев использовал те или иные скэнтлин системы для создания конструкций своих лодок. Детальные инженерные расчёты применяются только для особых деталей (или особых лодок) таких, как, например, мой экстремальный плавниковый киль.

Есть еще одна причина, по которой скэнтлин системы имеют смысл, – это неопределенность в нагрузке лодки, которую мы обсудим далее.

В итоге компания International Marine предложила мне написать книгу в двух частях. Первая часть будет посвящена простой скэнтлин системе, которую легко применить на большинстве средних лодок для средних условий эксплуатации. Часть 2 будет инженерным текстом, который я планировал с самого начала.

В результате я получил то, что хотел. Наконец-то я мог написать свою книгу о конструкциях лодок. Будьте осторожны с желаниями!

Те из вас, кто следит за подобными вещами, знают, что вторая часть еще не увидела свет. Вместо того чтобы закончить рукопись первой части примерно за 18 месяцев, я пять лет (!) создавал, дорабатывал, оформлял и писал то, что изначально было частью 1, а теперь стало «Элементами прочности лодки». Хотя сейчас я опубликовал пять книг, ничто не может сравниться с той работой и исследованиями, которые были проведены в «Элементах прочности лодки», ни «Справочник по винтам», ни «Справочник по механическим системам лодок».

Когда-нибудь, может быть, я действительно займусь написанием книги по проектированию лодочных конструкций для инженеров, но до тех пор «Элементы прочности лодок» будут с пользой заменять её.

ABYC и необходимость в правилах скэнтлина

Есть еще одно соображение, касающееся скэнтлин систем. Не так много судов страдают от недостаточной прочности конструкции. Конечно, большинство из нас может вспомнить несколько таких случаев, но они являются исключением, а не правилом.

Действительно, чаще всего к авариям приводят некачественные детали или плохая строительная практика, а не отсутствие «мяса» в конструкции. Это основная причина, по которой Американский совет по катерам и яхтам (ABYC) не имеет скэнтлин правил. Просто не было достаточно примеров аварий конструкций чтобы ввести их.

Как конструктор, я считаю, что правила скэнтлина очень важны, но не забывайте о вышесказанном. Большинство лодок разумных пропорций и с хорошей общей конструкцией не ломаются.

Важность деталей конструкции и правильного использования материалов

Одна из важных особенностей «Элементов прочности лодки» заключается в том, что понимание природы материалов, правильные детали и методы строительства являются неотъемлемой частью книги и правила Sn. Дело в том, что не менее важно (возможно, даже более), чтобы такие соображения правильно учитывались при проектировании и строительстве.

Требования правил к наполнению сердечником стеклопластиковых панелей и соответствующие спецификации ламината, правильное вторичное соединение и склейка переборок, правильная обработка древесины в конструкциях лодок из стеклопластика – вот лишь три примера многочисленных деталей, которые рассматриваются как неотъемлемая часть системы Sn. В металлических конструкциях неотъемлемой частью является борьба с ржавчиной, контроль коррозии, изоляция, размеры катетов сварных швов, последовательность сварки и многое другое. Более того, каждому правилу работы со строительными материалами предшествуют главы, посвященные пониманию и использованию самого материала. Все это является неотъемлемой частью процесса Sn.

Нагрузка на конструкцию лодки?

Для всех нас, кто находит удовлетворение в обширных расчетах, важно помнить старую инженерную максиму: «мусор на входе — мусор на выходе». У вас может быть самая элегантная в мире система или программа, прекрасно задуманная и логически последовательная, но если исходные данные ошибочны, то и результат будет таким же.

Я могу вспомнить лишь несколько областей техники, в которых существует такая неопределенность, как нагрузки, испытываемые корпусом лодки в процессе эксплуатации.

– Каковы нагрузки на любую лодку и в любом данном состоянии?
– В каком направлении прикладываются нагрузки?
– Как долго длится нагрузка?
– Как часто они возникают?

Вы можете увидеть здесь несколько фотографий лодок на волне. Знаете ли вы, каковы нагрузки? Можете ли вы ответить хотя бы на один из этих вопросов, хотя бы с малой степенью уверенности?

На высокоскоростных судах, например, критическим фактором, определяющим нагрузку, является ускорение испытываемое судном. Сравнение группы различных стандартных скэнтлин методов показывает различие в ускорениях в 3 и более раз на одной и той же лодке при использовании различных методов! При этом даже не учитываются различия в преобразовании ускорения (g) в нагрузку на конструкцию, или в определении размеров конструкции чтобы соответствовать этим нагрузкам.

Меня иногда забавляют те инженеры, которые настаивают на том, что конструкции лодок должны быть рассчитаны из первых принципов (то есть, на основе инженерных расчётов), или из полного применения правил классификационных обществ. Интересно, знают ли эти инженеры о том, насколько велика неопределенность в предполагаемых нагрузках. Также интересно, слышали ли они слышали ли они о правилах Херрешоффа или Невинса, а также о других правилах.

Как я уже говорил, я большой сторонник тщательных и подробных расчетов, но я также имею понимание пределов этих расчетов. В данном случае данные о нагрузке весьма сомнительны.

Преимущества и недостатки скэнтлин системы

Учитывая все вышесказанное, простой подход к скэнтлину имеет смысл для большинства средних лодок.

Есть ли у него недостатки? Да:

– Конструкция может оказаться несколько тяжелее, чем требуется;
– Расположение и пропорции компонентов не могут быть легко изменены для удовлетворения особых требований;
– Правила работают только для лодок того размера и типа, на которые оно распространяется.

Для лодок больших размеров и более сложных лодок или для лодок, которые предназначены для достижения экстремальных характеристик, необходимо провести более детальный анализ, чтобы оптимизировать конструкцию.

Для средних лодок подход, основанный на использовании скэнтлин системы, имеет следующие преимущества:

– Простота применения и понимания;
– Быстрое преобразование между различными строительными материалами и методами; 
– Стандартизированная и последовательная структура.

Цели скэнтлин метода Sn

Учитывая все это, целью скэнтлин метода Sn было создание надежных и последовательных конструкций, разумных с точки зрения прочности, веса и стоимости и легко воспроизводимых с помощью стандартных методов строительства.

Целью никогда не было точное соответствие результатов ABS, или Lloyds, или любым другим конкретным правилам класса или любой другой конкретной системы. Это было бы невозможно. Такие правила слишком обширны и сложны, чтобы их можно было продублировать в какой-то последовательной, более простой форме. Кроме того, результаты, полученные по правилам одного класса, не совпадают с результатами, полученными по правилам другого класса или различным методам проектирования на основе первых принципов. Таким образом, даже не нежелательно пытаться сопоставить результаты с каким-то конкретным правилом.

Кроме всего прочего, нет никаких оснований утверждать, что какая-либо из многочисленных скэнтлин систем является единственно правильной, особенно учитывая неизвестность относительно нагрузок. Нам нужна скэнтлин система, которая дает разумные, последовательные результаты, но не такая, которая специально имитирует результаты другого подхода.

Имейте в виду, что удивительно простые правила скэнтлина могут работать очень хорошо. Иногда мне даже кажется, что система Sn слишком сложна. Хорошим примером может служить старое эмпирическое правило для однокорпусных стеклопластиковых лодок, которое гласит:

Основная толщина оболочки равна LOA, деленной на 1,000;
Днище на 15% толще;
Для глиссирующих корпусов увеличьте толщину днища еще на 10%;
Палуба на 10% тоньше основной толщины;
Обязательны два стрингера на днище;
Обязателен один стрингер на скуле (не нужен, если скула острая);
Обязательны два стрингера на верхней части корпуса;
Обязательны 5 стрингеров на палубе.

Вот и все. Я могу сказать, что это будет довольно надежный корпус для многих средних лодок. На самом деле, добавьте некоторые правила для стрингеров, переборок, флоров и так далее, и вы получите скэнтлин правило. (Вы можете найти некоторые из них в книге «Природа лодок»).

Те, кто знаком с скэнтлин правилом Sn, увидят сходство с этим простым подходом, заложенном в нем. Вы можете вычислить все, что только можно, но довольно часто при использовании вышеописанного метода полученные результаты будут примерно так же вполне приемлемыми.

При этом я хотел, чтобы система Sn была более систематизированной, полной и подробной и охватывала все стандартные материалы для строительства лодок: композитный стеклопластик, однослойный и многослойный; дерево в традиционном виде и клееное на эпоксидной смоле; а также сталь и алюминий. Такой базовый подход, как простое правило для стеклопластика не будет достаточным.

Скэнтлин число (Sn)

Другая цель заключалась в том, чтобы выработать подход, дающий последовательную ссылку или базовое число, а также последовательный подход, который применялся бы к одной и той же конструкции лодки, независимо от материала и независимо от системы единиц измерения (английской или метрической). Так возникло скэнтлин число (Sn).

Я хотел, чтобы пользователи могли взять несколько легкодоступных значений и быстро получить эталон, который можно было бы можно применить, скажем, к сэндвич-стеклопластику, алюминию и деревянным полосам-планкам, склеенным на эпоксидной смоле. Это дает дизайнеру или строителю возможность легко сравнивать потенциальные конструкции лодки в любое время, даже на самых ранних стадиях.

Первоначально я собирался использовать водоизмещение в тоннах в качестве основного справочного числа. Это хорошо работает, но у него есть два недостатка. Один из них заключается в том, что существует небольшая разница между американскими и метрическими тоннами. Более важным является то, что вы часто не знаете, сколько будет весить лодка или сколько она весит на самом деле. Конструктору или строителю приходится прикидывать водоизмещение. Я не хотел начинать расчеты с предположения. Это потребовало бы предварительных расчетов на основе предполагаемого водоизмещения и последующих пересчётов для получения окончательного проектного или действующего водоизмещения.

Отсюда я понял, что могу использовать кубическое число, основанное на длине, ширине и глубине корпуса, чтобы определить объем лодки, о которой идет речь. Эти числа известны на ранних этапах проектирования их легко измерить на любой лодке или на любом чертеже, и они не меняются при загрузке. В некоторых скэнтлин правилах используется кубическое число, и это логически последовательный подход.

Что бы я изменил в расчете числа Sn

При создании скэнтлин системы Sn я исходил из простоты использования. При расчете Sn я не совсем правильно подошел к расчету. Формула 1-2 гласит, что нужно усреднить длины LOA и WL, чтобы получить L, если свесы превышают 108%. Аналогично, в формуле 1-3 говорится, что нужно усреднить BOA и BWL, если развал превышает 112%. На самом деле, это работает достаточно хорошо. На большинстве лодок можно просто использовать LOA и BOA, чтобы получить L и B для расчета скэнтлин числа (Sn), согласно формуле 1-1.

На самом деле, я использую усреднение LOA и WL, BOA и BWL на всех лодках, чтобы получить L и B для нахождения Sn. На средних и больших лодках с небольшими свесами разница незначительна, и мне не нужно беспокоиться об определении процента свеса или развала.

Однако для небольших лодок важно меньшее скэнтлин число:

На нашей 29-футовой лодке (см. таблицу ниже) вы получите Sn, равное 1,33, если вы усредните длины и ширины, а если не усреднять, то Sn будет 1,49. Если бы вы выбирали, скажем, верхний фанерный настил, каждое число Sn дает 0,75˝ и 0,76˝ соответственно и округляется до той же 3/4-дюймовой толщины планки.

Однако если уменьшить нашу лодку до маленького 13-футового скифа, то среднее значение Sn составит 0,119˝ и 0,14˝ в усредненном и не усредненном вариантах. В этом случае верхний фанерный настил составил бы 0,28˝ и 0,30˝. Значение 0,28˝ будет округлено до 1/4˝, а 0,30˝ может быть округлено до 5/16˝- больше, чем необходимо.
Я бы рекомендовал округлить все длины и ширины, чтобы получить L и B, а затем не забудьте округлить вниз до стандартной толщины материалов, применяемых на небольших лодках.

(Продолжение следует)