Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка конструктивных и технологических решений надстройки из полимерных композиционных материалов для скоростного пассажирского судна на подводных крыльях с повышенными технико-экономическими характеристиками

Номер контракта: 14.577.21.0103

Руководитель: Францев Михаил Эрнстович

Должность: ведущий инженер МИЦ КМ МГТУ им. Н.Э. Баумана

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана (национальный исследовательский университет)"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
пассажирское судно на подводных крыльях, надстройка скоростного пассажирского судна, конструкция из композиционных материалов, прочность и долговечность надстройки из композитов.

Цель проекта:
1. Задачи ПНИ: •Обоснование возможности сохранения или улучшения мореходных качеств пассажирских судов на подводных крыльях, в конструкции которого используются крупные элементы в виде многослойных оболочек на основе полимерных композитов, при одновременном обеспечении характеристик экономичности и конкурентоспособности судна; •Исследование особенностей образования форм, архитектурно-компоновочных схем, конструктивных элементов и гидродинамических комплексов пассажирских судов на подводных крыльях, для которых целесообразно создавать надстройки из композиционных материалов; •Выполнение проектного обоснования главных элементов, отдельных разделов нагрузки масс, рациональных сочетаний характеристик полной массы, мощности и скорости, а также других соотношений пассажирских судов на подводных крыльях с надстройкой из композитов; •Проектный анализ исходных связующих и армирующих материалов, а также материалов для легких средних слоев, их физико-химических и механических свойств, а также механических свойств готовой композиции для создания надстройки в виде многослойной оболочки; •Проектный анализ технологических процессов, которые могут применяться для изготовления надстройки из композитов пассажирского судна на подводных крыльях, а также способов ее защиты в процессе эксплуатации; •Изучение проектных аспектов механики композиционных материалов, позволяющих учесть доминирующие факторы эксплуатации, применительно к надстройке пассажирского судна на подводных крыльях из композитов; •Обоснование выбора конструктивных схем, взаимного расположения элементов надстройки пассажирского судна на подводных крыльях в виде многослойной оболочки на основе полимерных композиционных материалов, определение конструктивных мероприятий по минимизации отрицательных внешних воздействий на нее при эксплуатации судна, в том числе с использованием методов неразрушающего контроля; •Определение механических характеристик конструкции надстройки пассажирского судна на подводных крыльях в виде многослойной оболочки, на основе полимерных композитов, обоснование выбора расчетных схем для расчетов прочности и устойчивости всей конструкции, а также отдельных ее узлов и элементов; •Разработка технологии изготовления надстройки пассажирского судна на подводных крыльях в виде многослойной оболочки на основе полимерных композиционных материалов и отдельных ее элементов; •Разработка системы проектных обоснований подсистемы «Корпус» пассажирского судна на подводных крыльях с надстройкой из композиционных материалов; •Подготовка предложений в Правила отечественных классификационных обществ с целью соотнесения полученных проектных решений с требованиями Правил. 2. Цель реализуемого проекта Разработка принципов проектирования и научно-технических решений надстройки из полимерных композиционных материалов для скоростного пассажирского судна на подводных крыльях (далее СПК) с повышенными технико-экономическими характеристиками

Основные планируемые результаты проекта:
1. Основные планируемые результаты
•Система проектных обоснований подсистемы «Корпус» пассажирского судна на подводных крыльях с надстройкой из композиционных материалов;
•Методика проектирования надстройки из композитов для пассажирского судна на подводных крыльях.
•Научные и научно-технические основы для создания надстройки из композитов для пассажирского судна на подводных крыльях и производства этого вида продукции.
•Комплекс технических и технологических решений по созданию надстройки из композитов для пассажирского судна на подводных крыльях.
•Предложения в Правила отечественных классификационных обществ по нормативным требованиям, используемым при создании пассажирских судов на подводных крыльях с надстройкой из композиционных материалов.
•Рекомендации по внедрению метода создания надстроек из композиционных материалов пассажирских скоростных судов в практику отечественного судостроения.
2. Основные характеристики планируемых результатов
Использование для изготовления надстройки пассажирского судна на подводных крыльях полимерных композиционных материалов позволяет обеспечить аэродинамическое совершенство формы надводной части судна в сочетании с необходимой экономией веса конструкции.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Результаты работы могут быть использованы в практике создания отечественных пассажирских скоростных судов, в первую очередь, пассажирских судов на подводных крыльях. Результаты работы могут быть использованы следующими способами:
1.Внедрением системы проектных обоснований, разработанных при создании опытного образца надстройки из композитов пассажирского судна на подводных крыльях, в практику работы конструкторских бюро, проектирующих скоростные суда.
2.Внедрением технологий, разработанных при создании опытного образца надстройки из композитов пассажирского судна на подводных крыльях, в практику работы судостроительных предприятий.
3.Внесением изменений в нормативные документы отечественных Классификационных обществ, позволяющих сертифицировать пассажирские скоростные суда, имеющие надстройки из композиционных материалов.
Применение данного технического решения позволит снизить удельный расход топлива, затрачиваемый на перевозку 1 пассажира на 1 км от 8 до 20% и более, в зависимости от типа пассажирского скоростного судна. Это обеспечит общую экономию топлива на скоростных пассажирских перевозках по всем бассейнам рек Сибири и Дальнего Востока в размере, примерно, 20,9% или 3800 т в течение одной навигации, что при действующем уровне цен на топливо составит от 152,7 до 181,9 млн. руб. При этом на 3,54% или на 59,9 тыс. чел. увеличивается в течение
одной навигации количество перевозимых скоростными судами пассажиров при сохраняющейся частоте
обращения судов, с пропорциональным повышением доходности.
Использование результатов работы позволит обеспечить конкурентное преимущество отечественных пассажирских скоростных судов, в первую очередь, пассажирских судов на подводных крыльях, предназначенных для эксплуатации на внутренних водных путях, перед зарубежными аналогами и за счет этого сформирует экспортный потенциал отечественных скоростных судов.
Хорошо разработанные методы механики тел с трещинами, в частности, линейной механики разрушения, можно лишь ограниченно применять к композитам, т.к. при разрушении армирующего элемента композита или повреждения границы раздела между ним и матрицей, происходит перераспределение напряжений таким образом, что повреждение локализуется в относительно малом объеме. В ряде случаев локализация повреждений происходит за счет высокой деформативности армирующих элементов. Финальному разрушению композита, как правило, предшествует накопление повреждений на уровне структуры, т.е. на уровне волокна и т.п.
Для решения проблемы с учетом всех факторов, оказывающих влияние на работоспособность судовых корпусных конструкций из композиционных материалов, необходимо в прогнозную расчетную схему внести предположения о накоплении повреждений в материале конструкций в процессе эксплуатации. Необходимо исследовать зависимости процесса накопления повреждений от уровня, длительности и характера изменения во времени силовых и климатических (прежде всего, температурных) эксплуатационных воздействий.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Ожидаемые результаты исследований могут использоваться в отечественной судостроительной промышленности (конкретными крупными потребителями могут являться ОАО ЦМКБ «Алмаз», ОАО «Зеленодольское ПКБ», ОАО КБ «Вымпел», ОАО ЦКБ по СПК им. Р.Е. Алексеева, ОАО Средне-Невский судостроительный завод, ОАО Зеленодольский судостроительный завод им. А.М. Горького, СФ «Алмаз», ЗАО «Акс-Инвест», ООО «Аэроход», ЗАО «Псковская лодочная верфь и другие.)
Потенциальными потребителями готовой продукции, созданной с использованием результатов исследований являются судоходные компании, являющиеся операторами скоростных пассажирских перевозок в Сибири и на Дальнем Востоке (конкретными крупными потребителями могут являться ОАО «Северречфлот», ОАО «ПассажирРечТранс», ОАО «Якутский речной порт», ОАО «Восточно-Сибирское
речное пароходство» и другие).
Социально-экономический эффект от использования продукции, созданной на основе результатов данного исследования может быть оценен, в том числе, в виде:
•создания принципиально новой продукции в виде надстройки пассажирского скоростного судна на подводных крыльях из композиционных материалов;
•создания принципиально нового композиционного материала для надстройки пассажирского скоростного судна на подводных крыльях;
•создания принципиально новой технологии изготовления композиционного материала для надстройки пассажирского скоростного судна на подводных крыльях;
•улучшение потребительских свойств пассажирских судов на подводных крыльях, которое выражается в виде повышения характеристик экономичности судна за счет применения в конструкции надстройки из композитов.
Вновь создаваемая интеллектуальная собственность является перспективной в части
патентоспособности будущих результатов исследований, так как до настоящего времени не известны примеры создания пассажирских судов на подводных крыльях, имеющих надстройки из композитов, что определяет перспективность их лицензионных возможностей.
Экономические, производственные и другие условия и факторы, необходимые для обеспечения социально-экономических эффектов от использования продукции, созданной на основе результатов данного исследования, связаны, в первую очередь, с развитием Российской Федерации своих регионов, расположенных в Сибири и на Дальнем Востоке. Развитие инфраструктуры, обусловленное дальнейшим освоением природных ресурсов этих территорий создает благоприятные условия для коммерциализации результатов исследований в объемах перспективных судостроительных программ.

Текущие результаты проекта:
Проведен анализ влияния эксплуатационных факторов на механизмы разрушения полимерных композиционных материалов, применительно к надстройке судна на подводных крыльях. Получено, что рассмотренные дефекты являются важным фактором, ухудшающим эксплуатационные качества судовых корпусных конструкций из композитов, снижающим их стойкость к различным эксплуатационным воздействиям. По достижении внутренним дефектом типа расслоение определенных размеров, напряжения, действующие в судовой конструкции в районе его расположения, превышают пределы прочности, установленные проектантом и изготовителем судна, в качестве предельно допустимых, что может привести, как к разрушению конструкции при расчетных режимах движения, так и к непропорциональному увеличению зоны аварийных разрушений при нештатных эксплуатационных ситуациях.
Выполнено обоснование выбора материалов, применимых для изготовления оснастки первого порядка, предназначенной для создания надстройки из композиционных материалов пассажирских судов на подводных крыльях.
Показано, что выбор материалов для оснастки первого порядка определяется рациональным сочетанием конструктивных, технологических и экономических аспектов. В наибольшей степени это важно для оснастки первого порядка, предназначенной для единичного съема матрицы (оснастки второго порядка). Крупногабаритная оснастка первого порядка представляет собой сложное сочетание различных материалов, технологий, элементов и изделий.
Разработана эскизная конструкторская документация оснастки первого порядка и оснастки второго порядка, предназначенных для создания надстройки из композиционных материалов пассажирских судов на подводных крыльях, удовлетворяющая требованиям технического задания, и передана ЗАО «Псковская лодочная верфь» для изготовления оснасток.
Выполнено обоснование выбора материалов, применимых для изготовления оснастки второго порядка, предназначенной для создания надстройки из композиционных материалов пассажирских судов на подводных крыльях.
Показано, что значительные эксплуатационные и технологические преимущества в производстве и ремонте полимерных оснасток второго порядка для контактного формования изделий из слоистых композитов предоставляют высокореактивные двухкомпонентные системы на основе полиуретанов и полимочевин холодного отверждения. Для их нанесения применяют современные реакторы-дозаторы высокого давления или пневмо-шнековые машины.
Выполнено обоснование выбора материалов, необходимых для установки закладных деталей надстройки пассажирского судна на подводных крыльях из композиционных материалов. В рамках прочностного анализа конструкции был проведен расчет методом конечных элементов. Прочность конструкции проверена методом конечных элементов.
Изготовлена оснастка первого порядка для создания надстройки из композиционных материалов пассажирских судов на подводных крыльях.
Разработана эскизная конструкторская документация экспериментального образца надстройки пассажирского судна на подводных крыльях из полимерных композиционных материалов и образцов ее фрагментов.