Конструкция современного корпуса на базе древесины и эпоксидных смол Источник : книга "The Elements of Boat
Strength" , год издания 2000 От "переводчика" . Все приведенные в главе формулы имели графические номограммы , которые я исключил по причине трудностей с интернетом . Ссылки на большинство формул из других глав книги даны по тексту . Перевод делался поверх отсканированного из книги текста и несмотря на многие исправления ошибок распознавания знаков арифметики они могут присутствовать . За последние тридцать лет деревянное судостроение претерпело своего рода революцию . Как бы ни был прочен и надежен корпус классической конструкции с обшивкой по шпангоутам , он обладает несколькими серьезными недостатками :
Современные эпоксидные клеи настолько крепки , эластичны и непроницаемы для водяных паров , что они снимают все эти проблемы . Прочность лодки , элементы которой соединены на эпоксидной смоле , уже не ограничивается прочностью металлического крепежа . Клеевой шов обладает намного большей прочностью , чем отдельный элемент крепежа и вся структура при этом становится единым целым - монококовой конструкцией . Если окружить каждую отдельную деревянную деталь слоем эпоксидной смолы , влажность ее древесины как бы застывает на том уровне , которое было в момент покрытия . Ни водяные пары , ни кислород , уже не могут проходить свободно через этот барьер (хотя сама пленка в некоторой степени и проницаема , этого недостаточно для развития гнили) . Это не только исключает любую возможность гниения , но и избавляет всю конструкцию от периодического забухания , делая ее стабильной в размерах . И наконец , оклейка корпуса стеклотканью или другим подходящим материалом значительно повышает сопротивление ударным и абразивным нагрузкам . На ранних этапах корпуса пытались оклеивать на полиэфирной смоле , что обычно не имело успеха . Полиэфирная недостаточно эластична и обладает малой прочностью на отрыв . В отличие от нее эпоксидные смолы обладают тем и другим в достаточной степени и показывают себя очень хорошо . К тому же само тканевое покрытие не подвержено разбуханию на корпусе , конструкция которого пропитана эпоксидной смолой и стабильна . Характеристики древесины Полное облачение древесины в эпоксидную смолу и высокая прочность , достигаемая при помощи монококовой конструкции , позволяют для пропитанного смолой корпуса делать выбор из гораздо большего числа пород древесины . Более того , от древесины уже не требуется того высокого качества и не обязательно применение пород , которые от природы стойки к гниению . Как правило , годится практически любая древесина , удовлетворяющая следующим требованиям :
Методы постройки Применяя технологию пропитки древесины эпоксидной смолой , можно построить деревянное судно любой конструкции . Даже корпус с обшивкой из досок можно полностью пропитать смолой (но только в случае , когда он строится по этому методу с нуля) . Корпус с обшивкой вгладь будет иметь пропитанные смолой элементы - шпангоуты , флоры , киль , бимсы , привальный брус , стрингеры должны быть склеены и соединены крепежом . Фанерная палуба и рубка должны быть склеены воедино и покрыты смолой . Однако доски обшивки должны ставиться на обычный крепеж , а не на клей и герметизироваться набивкой . Если применяются традиционные материалы в виде хлопка и дегтя , доски обшивки не должны пропитываться эпоксидной смолой . Это требуется для того , чтобы они , забухнув , обеспечили водонепроницаемость соединения . Можно поступить и по другому , покрыв все доски обшивки по отдельности смолой и установив их на крепеж без клея . В данном случае в щели необходимо будет вклеить длинные узкие полосы клиновидной формы . Пользуясь технологией пропитки древесины эпоксидной смолой , можно построить такой корпус с обшивкой вгладь , однако процесс будет весьма трудоемким . Стандартными же методами постройки корпусов из древесины и эпоксидной смолы являются реечная , фанерная и диагональная (состоящая из многих стоев шпона) обшивка . Мы рассмотрим все по очереди . Конструция реечной обшивки на эпоксидной смоле . Подобная конструкция является промежуточным звеном между корпусом с классической реечной обшивкой по шпангоутам и корпусом , полностью оклееным стеклотканью снаружи и изнутри и лишенным большей части традиционного набора . Последние являются фактически композитными корпусами с реечной обшивкой в качестве заполнителя и сродни скорее стеклопластиковому сэндвичу , нежели традиционному деревянному корпусу . Стандартная реечная обшивка на эпоксидной смоле похожа на классическую реечную обшивку. Разница между ними состоит в том , что все составляющие деревянной конструкции склеиваются между собой эпоксидным связующим судостроительного назначения . Дополнительно к этому каждый из элементов покрывается минимум тремя слоями эпоксидной смолы без наполнителя . При этом может достигаться значительная экономия трудозатрат :
Наружная оклейка корпуса с реечной обшивкой на эпоксидной смоле . Все корпуса и палубы подобной конструкции должны оклеиваться стеклотканью или иным похожим материалом (Dynel , Vectra) . Это улучшает абразивную стойкость и гарантирует более толстый наружный слой структуры из волокна и смолы , который еще более защитит древесину от разрушения . Минимальная толщина стеклоткани на корпусе и надстройках с натуральным видом древесины должна представлять собой один слой ткани весом 270-340 г/м2 на эпоксидной смоле . Самые маленькие лодки типа каноэ или скифов требуют ткани весом 170 г/м2 . Для тканей Dynel , Vectra или полиэфирной ткани Xynole минимальным весом будет 135 г/м2 вне зависимости от размеров корпуса . Палубы и крыши рубок покрываются стеклотканью согласно формулам 9-19 / 9-26 . Чем более толстым будет слой наружной оклейки корпуса , тем большей абразивной устойчивостью и прочностью на скручивание он будет обладать . Однако в этом случае корпус придется окрасить , т.к. такой ламинат будет слишком толстым , чтобы сквозь него было видно красивую текстуру дерева . Еще лучше то (что мы позже увидим) , что эти прочность и устойчивость , которые дает оклейка , позволяют снизить толщину реечной обшивки .
Считаем вес стекловолокна , необходимого для оклейки нашего примера : 1044 + (281.4 x 2.97) = 1879.7 , округляем до 1880 г/м2
При постройке нашего примера таким методом толщина реечной обшивки будет считаться так : 16.51 x 2.970.3 = 24.7 мм , округляем до 25 мм Это отличается от 28 мм , требуемых для обшивки рейкой или доской вгладь при отсутствии оклейки . Двойная диагональная обшивка шпоном поверх рейки Альтернативой толстому слою стеклопластика снаружи корпуса является укладка двух диагональных слоев шпона . При этом методе внешняя поверхность корпуса все равно требует оклейки стеклотканью весом 270-400 г/м2 . Для тканей Dynel и Vectra минимальный вес 135 г/м2 . Такая конструкция с формованием двух диагональных слоев шпона обеспечивает жесткость на скручивание , аналогичную толстому слою стеклопластика . Поскольку сам шпон добавляет обшивке ощутимую толщину , толщину рейки соответственно уменьшают . Корпуса с коэффициентом Sn менее двух при таком методе не имеют каких-либо преимуществ и тут лучше обратиться к обычной обшивке рейкой на смоле . У этого способа есть два минуса - процесс укладки шпона более трудоемок , нежели стеклопластика и толстый слой стеклоткани обладает более высокой ударной и абразивной прочностью . Тем не менее и этод метод обеспечивает отличную конструкцию корпуса . Заметим , что хоть в названии и указано "двойная" , нет никаких противопоказаний к тому , чтобы уложить четыре или шесть слоев , уменьшая соответственно толщину каждого для получения необходимой .
Таким образом , наш пример будет иметь такую толщину диагональных слоев : (10.92 x 2.970.2) - 8.13= 5.44 мм , берем два слоя по 3 мм , итого 6 мм Чтобы посчитать , насколько следует уменьшить толщину нижнего слоя рейки , необходимо знать толщину биаксиального ламината , рассчитанного по формуле 11-2 .
Мы подсчитали , что вес стекломатериала наружной оклейки нашего примера должен быть 1,880 г/м2. Тогда толщина его составит (1,880 г/м2 -9.7) / 813 = 2.3 mm
Следовательно , в нашем примере толщина рейки при наличии диагональных слоев шпона может быть снижена до 22 мм . 24.7 мм рейки + 2.3 мм стеклопластика = 27 мм , 27 мм - 6 мм шпона = 21 ; берем 22 мм Таким образом , оболочка корпуса в нашем примере состоит из следующего :
Внутренняя конструкция реечного корпуса с диагональной оклейкой шпоном или стеклотканью . Добавление диагонального шпона или толстого биаксиального слоя ткани дает возможность уменьшить значительное количество поперечного набора . Внутренняя конструкция рассчитывается в этом случае аналогично корпусам из стеклопластика или сэндвичевым со следующими оговорками .
Примечание : Все ламинаты и тканевые покрытия требуют применения эпоксидной смолы , сами ткани должны быть совместимы с ней (т.е. не иметь связующих покрытий) , обычно в этой роли выступают стеганые ткани биаксиального типа (рис.) .
Корпус с реечной обшивкой с двусторонним стеклопластиковым покрытием . Еще одним вариантом конструкции реечной обшивки на эпоксидной смоле является использование толстого слоя биаксиальной ткани снаружи и изнутри корпуса с заполнителем в виде рейки и без диагонального шпона . При таком способе также возможно избавиться от традиционного поперечного набора и прочего конструктива . Опять же при этом следует ориентироваться на методику расчета внутреннего набора для сэндвичевых стеклопластиковых корпусов . (См. также примечания к предыдущей главе) .
Таким образом , наш пример с двусторонней оклейкой должен иметь толщину рейки 15.24 x 2.970.34 = 22 мм
Возвращаясь к нашему примеру . Вес материала внутренней оклейки : 0.66 x 1 880 г/м2 = 1,240 г/м2 Реечная конструкция с двусторонней оклейкой и стеклопластиковая сэндвичевая . В отличие от чрезвычайно непрочных (низкомодульных) заполнителей , традиционно используемых в конструкции стеклопластиковых сэндвичевых корпусов , конструкция заполнителя в виде рейки обладает значительной прочностью в продольном направлении , при сосредоточенном изгибе и ударе . Более того , заполнитель из рейки обладает намного большей прочностью на сдвиг , чем низкомодульные заполнители , применяемые в обычном стеклопластиковом судостроении . Помимо этого ламинат из биаксиальной ткани на эпоксидной смоле имеет куда более высокие механические свойства (прочность) , чем стандартный стеклопластик на основе стекломата с ровингом и полиэфирной смолы . Как следствие , хотя структура с заполнителем в виде рейки и стандартный сэндвич считаются аналогичным образом согласно правилам , приведенным в книге , в случае реечного заполнителя толщина наружного и внутреннего стеклопластика будет меньше , чем она была бы в случае обычного стеклопластикового сэндвича . Диагональная реечная обшивка ("елочка") на днище остроскулых корпусов . На корпусах с острой гранью скулы , в особенности тех , которые не рассчитаны на постройку из фанеры , бывает более удобно обшить днище рейкой диагонально , в виде "елочки" . Толщина обшивки считается по той же методике , что приводилась ранее , за исключением случая с минимальным днищевым набором . При этом толщину днищевой обшивки следует увеличить в 1.5 раза . Конструкция ультралегкого корпуса с реечной обшивкой и оклейкой по методу Линдсея Лорда . Мы до сих пор проектируем корпуса с жесткой оболочкой . Прочность в паре с нормами безопасности требуют значительной жесткости . Но есть и иной подход к этой проблеме : позволить оболочке корпуса небольшую гибкость . Возможно звучит это рискованно , тем не менее это не так . Конструктор Линдсей Лорд разработал , вероятно , самую облегченную технологию реечной обшивки (одну из самых легких за всю историю судостроения) в период после второй мировой войны . При том что Лорд спроектировал по своей методике и подверг обширным испытаниям несколько лодок в диапазоне от 7-метровых разъездных катеров до 25-метровых 40-узловых патрульных , по каким-то причинам в деталях она известна мало .Это довольно странно , потому что методика Лорда позволяет снизить материало - и трудоемкость конструкции и получить на удивление крепкие суда . Тем более что в свое время Лорд публиковал результаты . Корпус с реечной обшивкой по методу Лорда также является композитным сэндвичем . Заполнителем его служит рейка из древесины хвойных пород (сосна , ель , кедр и т.п.) . Он является именно настоящим заполнителем и может быть из достаточно низкосортной древесины . Рейки скреплены друг с другом посредством гвоздей (как в случае с реечной обшивкой на смоле) на временном болване . Затем корпус снаружи и изнутри оклеивается полипропиленовой тканью Vectra или модакриловой Dynel производства Union Carbide . Все клеевые соединения и оклейка производятся на эпоксидной смоле , предназначенной для эксплуатации в морских условиях (как и в случае обычной реечной обшивки на смоле) . Никакая другая смола не обладает достаточной эластичностью для работы в такой сфере . Важным моментом является то , что тут не используется обычный стеклопластик . Ткани типа Vectra и Dynel тянутся гораздо выше (т.е. допускают большее удлинение до момента разрыва ) , нежели стеклопластик . Когда эта ткань приклеена к сравнительно тонкому реечному заполнителю в виде оболочки , в результате получается композитная панель , которая может прогибаться , гася удары и гнуться и скручиваться при экстремальных нагрузках . Для вышеприведенных тканей такие изгибы совершенно безвредны . Находясь в эпоксидной смоле , оболочка и заполнитель гнутся вместе и разгибаются обратно без каких-либо повреждений . Это означает , что тонкая и легкая конструкция может гасить такую же энергию , как и более толстая и жесткая .
При расчетах нашего примера по методике Лорда мы получим следующее : Заполнитель : Толщина рейки = 8.63 x 2.970.44 = 13.9 , округляем до 14 мм Вес материала оклейки Снаружи : 376 x 2.970.43 = 600 г/м2 ; принимаем равным четырем слоям Vectra или Dynel Внутри :249 x 2.970.36 = 368 г/м2 ; прuнимаем равным двум слоям Vectra или Dynel Внутренняя конструкция Лорд не использует ни шпангоутов , ни многих других традиционных элементов конструктива , однако у него имеются многочисленные переборки - "на расстоянии 8-10 футов , плюс неполные переборки - для 80-футового судна" ("Проектирование глиссирующих судов") . Также он использует встроенные цистерны и полы внутренних помещений в качестве дополнительных элементов жесткости корпуса . За основу в большинстве случаев можно взять стандартную внутреннюю конструкцию стеклопластикового сэндвичевого корпуса , рассмотренную ранее с учетом замечаний и оговорок в описании внутреннего конструктива корпуса с реечным заполнителем . Киль / Закладка Для киля , форштевня , дейдвуда и ахтерштевня Лорд использует ламинат из фанеры , который выпилен по боковому профилю и склеен вместе до получения нужной толщины . Торцевые стыки соседних слоев следует разносить на значительные расстояния . Обшивка-заполнитель шпунтового пояса ложится на небольшие подкладные рейки , приклеенные смолой к боковым сторонам киля так , чтобы получилась четверть . Требуется минимальная малковка и практически никакой подгонки реек . Любые получившиеся щели и пустоты заполняются эпоксидной шпатлевкой или пенопластом (большие полости) . Все крепится по месту небольшими гвоздями на клее , стыкам с помощью смолы и пенистых наполнителей придается солидный радиус . Затем вся фанерная конструкция закладки и реечного заполнителя оклеивается определенным пластиком снаружи и изнутри . Реально подобная конструкция киля может считаться заполнителем .
Таким образом , 80-футовый корпус будет иметь шесть слоев 18 мм фанеры , что в сумме даст 108 мм .
При длине менее 40 футов -
один слой
Формованная диагональная обшивка из нескольких слоев шпона До сих пор мы вели речь о диагональной шпоновой обшивке как части оболочки корпуса (если она вообще имела место) . Однако при изготовлении корпуса можно применить и только один диагональный способ . Такая технология также известна под названием холодного формования , в отличие от ранних способов получения ламинированных корпусов в матрице с применением давления и температуры . Естественно , большинство полученных при помощи автоклава корпусов являются вариантами диагональной конструкции обшивки . Поэтому , когда на сцену вышли клеи , отверждаемые при комнатной температуре , появился и термин "холодное формование" , подразумевающий изготовление корпуса при помощи диагональных полос шпона . У большинства диагональных корпусов снаружи присутствует лишь тонкий слой наружной оклейки стеклотканью . Он не несет на себе конструкционной нагрузки и предназначен лишь для противостояния абразивным и ударным воздействиям . Изнутри корпус с диагональной обшивкой должен быть , однако , усилен продольным набором . Он обеспечивает необходимую продольную прочность , кроме того он служит в качестве формы , на которую и укладываются полосы шпона . Установленные на большом расстоянии друг от друга шпангоуты вместе с переборками дополняют конструкцию. Они добавляют ей прочность в поперечном направлении . Диагональный способ обшивки позволяет получить самый легкий корпус , который только можно построить с применением древесины , за исключением методики Лорда и способа DuraKore . Диагональная конструкция имеет множество сторонников , однако на мой взгляд трудоемкость этого процесса себя не оправдывает . Хотя корпус получается и более легким , чем обычный реечный или реечно-диагональный с оклейкой , требуется гораздо более высокий уровень строителя и времени , необходимого на подгонку , приклеивание , забивание скоб для большого числа полос шпона . Для большой лодки размерами свыше 15 м слоев может быть очень много . Я знаком с несколькими опытными специалистами , которые пробовали этот метод и нашли его настолько трудоемким , что вообще отказались от применения древесины и эпоксидной смолы . Вместо этого эти верфи при постройке крупных корпусов переключились на алюминий . Что весьма жаль - хотя алюминий явно обладает массой отличных свойств - в отличие от диагонального метода , многие другие способы реечной обшивки очень экономичны в отношении материалов и трудоемкости . Мой опыт говорит о том , что при правильных методах реечная обшивка на эпоксидной смоле являет собой наиболее экономичный способ постройки круглоскулого корпуса в единственном экземпляре . Если же мы отбросим соображения трудоемкости в сторону , то корпус с диагональной обшивкой является великолепной конструкцией - легкой , прочной и долговечной . Если речь идет о быстроходных судах - гоночных катерах и яхтах , быстроходных моторных яхтах и патрульных катерах - излишние трудозатраты вполне могут себя и окупить с учетом некоторого улучшения скоростных характеристик .
Таким образом , наш пример будет иметь такую толщину оболочки корпуса : 13.97 x 2.970.38 = 21.1 мм ; округляем до 22 мм Мы будем формовать ее из четырех диагональных слоев шпона по 5.5 мм каждый .
Возвращаясь к нашему старому примеру , считаем : Сечение стрингеров = 31 х 2.970.38 = 46.8 мм , принимаем равным 48 мм , квадратное Шаг стрингеров на миделе = 279.4 х 2.970.38 = 422.5 мм , принимаем равным 420 мм Если бы он ходил со скоростью 35 узлов , мы должны были бы уменьшить шаг стрингеров до 380 мм . 35 узлов - 25 узлов = 10 . Следовательно , шаг уменьшается на 10 процентов . 422.5 мм х 0.9 = 380.2 мм
Обычные и водонепроницаемые переборки считаются по формулам 5-5 и 9-29 , однако правило их размещения тут не применимо по причине наличия стандартных шпангоутов . Там , где переборка оказывается рядом с местом расчетного шпангоута и где она являет собой неразрывное кольцо с минимальным соотношением толщины к высоте 6.75 - шпангоут не требуется . Если имеется такое число переборок , какое требует формула 5-5 , то зачастую от многих шпангоутов можно избавиться . Опять же , переборки обычно крепятся только к внутренней поверхности стрингеров , не требуется их контакт с оболочкой корпуса . Тем не менее это возможно , в случае требования водо- и газонепроницаемых переборок .
Закрепите деревянные вкладыши под полосой на равной высоте или немного выше верхней части киля . Ширина вкладышей должна быть равна ширине полосы . Полоса кладется поверх вкладышей и является одной неразрывной деталью от одного до другого борта . На парусных яхтах в районе киля и степса вкладыши должны достигать третьего стрингера или далее . Высота вкладышей за вторым стрингером должна быть равной их высоте , а металлическая полоса простираться и над третим стрингером . Если бы наш пример имел флоры этой конструкции , они были бы такими : Ширина = 60.9 х 2.970.36 = 90.1 , принимаем равным 90 мм Толщина = 12 мм Конструкция фанерного корпуса на эпоксидной смоле и клеевые швы (С.Б. Здесь и далее имеется в виду конструкция типа stitch and glue) Фанерный корпус сам по себе уже предрасположен к изготовлению в виде пропитанной и клееной эпоксидной смолой конструкции . Большой лист фанеры будет стабильней в размерах , нежели обычная доска обшивки (хотя прочность на растяжение у фанеры в два раза меньше) . Листы фанеры проще покрыть и установить на место . Толщина фанерной обшивки корпуса с применением древесины и эпоксидной смолы должна считаться согласно формуле 9-1 (Толщина=18.79 х Sn0.4, мм). Будучи подвергаемой многократному изгибу , слоеная конструкция фанеры имеет склонность к образованию внутренних дефектов , поэтому не стоит уменьшать эту величину . Палубы и рубки рассчитываются согласно формул 9-19 / 9-26 . Эпоксидная скула (Конструкция с оклейкой швов корпуса стеклолентой) Фанера очень хорошо подходит для таких типов конструкции . Однако оклейка лентой швов может с успехом применяться и на реечных корпусах со скулой , при этом достигается значительная экономия трудозатрат . При формировании узла стыка днища с бортом для начала требуется , чтобы кромки обшивки того и другого касались друг друга . Обычно обшивка днища укладывается и обрезается заподлицо с бортовой . Поскольку эпоксидная смола хорошо заполняет полости , требуется минимальная малковка (причем достаточно грубая) , стык может быть довольно небрежным . Снаружи грань скулы скругляется , а изнутри ровным гладким слоем по всей длине скулы на угловой стык наносится эпоксидный состав в виде радиуса . Все впадины и отверстия снаружи корпуса заполняются эпоксидной шпатлевкой , после чего корпус снаружи и изнутри покрывается слоем эпоксидной смолы без наполнителей . После этого на внутреннюю и внешнюю стороны скулы укладывается несколько слоев стеклоткани на эпоксидной смоле . Получившаяся в результате скула гладкая , ровная , водонепроницаемая и достаточно прочная . Что еще лучше , она проста в изготовлении , не требует высокой квалификации и точности измерений . Для сравнения , обычные скуловые стрингеры из древесины требуют точной малковки , подгонки кромок , гибки и кручения . Соединения обшивки на клее Хотя речь идет о скуле , те же самые принципы могут применены (со здравым смыслом) и в прочих местах , где требуется получить прочный угловой стык , к примеру , стык обшивки днища с килем , швертовый колодец , крыша и стены рубки , соединения палубы с бортом (вместо привального бруса) . В тех местах , где достаточно легко можно установить элементы из древесины (те же привальные брусья) , эти методы не гарантируют снижения время- и трудозатрат . Тем не менее скулы и аналогичные продольные стыки сложной формы значительно легче выполнить по описанной выше методике . Другими областями применения этих методов является изготовление встроенных в деревянный корпус топливных и водяных цистерн (топливо только дизельное) , встроенных холодильных камер , душевых кабин и даже фанерных раковин для камбуза . Дополнительно к проклейке угловых стыков фанеры топливные баки должны быть изнутри дополнительно оклеены стеклотканью весом 270-400 г/м2 или Vectra/Dynel весом 135 г/м2 . При емкости баков свыше 450 л это покрытие как минимум удваивается . Ламинированный фанерный киль Корпус , изготовленный с применением соединений обшивки стеклолентой , может иметь киль , рассчитанный по правилу Лорда (формула 11-9С). В этом случае изнутри стыку его с обшивкой следует придать солидный радиус и оклеить стеклотканью . Дополнительно он оклеивается стеклотканью и в поперечном направлении .
Если бы наш пример был из фанеры с острой скулой , толщина обшивки борта должна была бы быть 25 мм (Формула 9-1) . Тогда для скулы требуется следующее : Вес ткани = (1.345 + [25 мм/220])20 = 1,900 г/м2 Мы выбираем три слоя биаксиальной ленты весом 400 г/м2 изнутри и два слоя такой же ленты снаружи . В сумме это дает 2,000 г/м2 , хотя такая точность и не нужна .
Толщина галтели неизбежно уменьшается с увеличением угла между листами обшивки . Когда он достигает 180 градусов , стык можно считать торцевым соединением и считать толщину галтели нулевой .
|
||||||||||||||||||
|