И.Г. ЗАХАРОВ - доктор технических наук, профессор, контр-адмирал,
В.В. ЕМЕЛЬЯНОВ - кандидат технических наук, капитан 1 ранга,
В.П. ЩЕГОЛИХИН - доктор технических наук, капитан 1 ранга,
В.В. ЧУМАКОВ - доктор медицинских наук, профессор, полковник медицинской службы
Усиление вооруженности кораблей, их конструктивной защиты с одновременным повышением эксплуатационной скорости хода потребовали глубокого изучения внешних сил, действующих на корпус корабля, особенностей напряженно-деформированного состояния основных корпусных конструкций, нормирования общей и местной прочности, разработки новых конструкционных материалов и технологий строительства кораблей. Анализ и обобщение опыта боевого использования кораблей во второй мировой войне и задач, поставленных перед промышленностью по созданию нового отечественного флота, позволили разработать программу научных исследований, обеспечивающих запросы промышленности и ВМФ. В разработке и реализации этой программы активное участие принимали ЦНИИ им. А.Н. Крылова, 1-й ЦНИИ МО, ЦНИИ КМ "Прометей", конструкторские бюро, институты и заводы судостроительной отрасли. В интересах подводного кораблестроения в начале 50-х годов проводились углубленные исследования устойчивости и напряженного состояния оболочки корпуса с различными вариантами системы набора, прочных цистерн, рубок, сферических переборок. Большое внимание было уделено уточнению запасов прочности, норм допускаемых напряжений, оценке влияния начального прогиба на прочность корпуса, рационализации конструкций. На основе исследований созданы нормы прочности, отвечающие повышенным глубинам погружения проектируемых кораблей по сравнению с довоенными.
Материалы исследований вошли в монографии Ю.А. Шиманского "Строительная механика подводных лодок" (1948 г.), П.Ф. Папковича "Строительная механика корабля" (1947 г.), В.В. Новожилова "Теория тонких оболочек" (1951 г.), Н.С. Соломенко "Строительная механика подводных лодок".
Увеличение глубины погружения подводных лодок было невозможно без использования стали с повышенными прочностными свойствами. Работы по созданию такой стали велись в ЦНИИ-48 (ныне ЦНИИ КМ "Прометей") и завершились разработкой и промышленным освоением сталей типа АК. Однако освоение этих сталей встретило ряд существенных трудностей. Так, для исключения возможности хрупких разрушений шпангоутов пришлось предусматривать специальную их термообработку. Большое внимание уделялось сварке высокопрочных сталей с тем, чтобы избежать неблагоприятного влияния на прочность околошовных зон. Были внесены конструктивные изменения в ответственные узлы корпуса. При решении всех этих вопросов и проверке работоспособности сталей большую роль играли поставленные впервые в широком объеме испытания натурных опытных отсеков подводных лодок в специально созданных док-камерах (А.И. Кудрин, Л.М. Бунич, О.М. Палий, С.К. Родионова, Ю.П. Шишалов). Натурные испытания были дополнены систематическими испытаниями образцов и малых моделей конструкций.
Результаты испытаний по совокупности подтвердили корректность теоретических исследований и расчетных схем, позволили получить опытные данные по устройству и несущей способности оболочек, ввести поправочные коэффициенты к формулам критического давления, обосновать запасы прочности основных элементов корпусов. Путевка в жизнь была дана и новой стали АК-25. Испытания подтвердили ее достаточную работоспособность при принятой технологии постройки кораблей.
На основе обобщения результатов проведения теоретических и экспериментальных исследований, участием накопленного опыта проектирования, постройки и эксплуатации подводных лодок в 1954 г. ЦНИИ им. академика А.Н. Крылова, с участием предприятий и организаций промышленности и 1-го ЦНИИ МО, разработал новый нормативный документ "Правила выполнения расчетов прочности конструкций прочного корпуса подводных лодок" и типовые расчеты к ним (авторы В.В. Новожилов, В.Ф. Сегаль и др.). Наряду с совершенствованием аналитических методов расчета начали внедряться численные методы, создавались алгоритмы для получения более точных решений с помощью ЭВМ все усложняющихся задач теории оболочек (В.С. Чувиковский, В.Е. Спиро, В.М. Рябов, И.Л. Дикович, О.М. Палий). Расчетные проработки подтверждали эффективность предложенных алгоритмов.
В подводное кораблестроение внедрялись более прочные материалы, в том числе (наряду со сталями) титановые сплавы, обладающие рядом преимуществ (меньший удельный вес, коррозионная стойкость, немагнитность, не подверженность ползучести). Проведенные в течение ряда лет в ЦНИИ им. академика А.Н. Крылова многоплановые работы по анализу влияния на работоспособность разнообразных конструктивных и технологических факторов позволили установить общие положения, обеспечивающие надежность корпусов подводных лодок, и разработать "Требования к механическим свойствам корпусных материалов и их сварных соединений для подводного кораблестроения".
Внедрение титановых сплавов потребовало пересмотра части принципиальных положений, связанных с нормированием прочности корпусов (учет текучести материала, пониженная цикличная прочность, ограниченные пластические свойства). Был выполнен комплекс теоретических и экспериментальных работ, в которых обоснованы новые принципиальные подходы к обеспечению прочности и надежности конструкций из этих сплавов (О.М. Палий, В.С. Чувиковский, В.Е. Спиро, И.Г. Гуревич, А.И. Шитов). На основе исследований и испытаний крупномасштабных отсеков в 1977 г. изданы "Правила проектирования подводных лодок из титановых сплавов" (В.В. Новожилов, Н.С. Соломенко, А.И. Кудрин).
Внедрение новых методов расчета и высокопрочных материалов завершилось контрольными испытаниями натурных и опытных конструкций новых проектов подводных лодок. Эти испытания служили прямой экспериментальной проверкой принятых конструктивных решений и готовности заводов-строителей к реализации разработанной технологии сварки.
На рубеже 70-х годов, в расчете на перспективу создания глубоководных кораблей, ЦКБ МТ "Рубин" с участием ЦНИИ им. академика А.Н. Крылова и ЦНИИ КМ "Прометей" под руководством главных конструкторов В.Н. Перегудова, С.Н. Ковалева, Н.Н. Исанина, И.Д. Спасского, И.В. Горынина и члена-корреспондента РАН В.М. Пашина, Б.И. Купенского и Г.Н. Чернышева был спроектирован и построен на ПО "Севмашпредприятие" уникальный стенд с док-камерами, в котором прошли испытания натурных и опытных отсеков всех основных типов подводных лодок, включая ПЛ "Комсомолец".
В 70-е годы ЦНИИ им. академика А.Н. Крылова совместно с 1-м ЦНИИ МО исследовали проблемы циклической прочности конструкций корпусов подводных лодок. Постановка этих исследований была необходима, с одной стороны, для успешной разработки материалов еще большей удельной прочности (стали с пределом текучести до 100 кг/мм2, титановых сплавов с пределом текучести до 80 кг/мм2), предназначенных для глубоководных подводных лодок нового поколения. с другой стороны, в связи с ужесточением требований ВМФ к числу погружений корабля на большие глубины. Была выполнена экспериментальная оценка ресурса циклической прочности находящихся в строю подводных лодок, внесены ограничения по применению конструкций, в которых возникают растягивающие напряжения - основной источник циклических разрушений.
Ресурсные испытания были продолжены в 80-е годы, в ходе которых установлены основные закономерности развития повреждений, выявлены неудачные конструктивно-технологические решения, рекомендованы принципиально новые варианты корпусных узлов, повышающих их долговечность. Исследования циклической долговечности проводились на грани смежных научных направлений - физики твердого тела и механики разрушений. На их базе, ЦНИИ им. академика А.Н. Крылова и ЦНИИ КМ "Прометей", были выпущены документы, позволяющие дать расчетную оценку циклической прочности узлов прочного корпуса и оценить остаточный ресурс находящихся в эксплуатации и модернизируемых подводных лодок (1989 и 1993 гг.).
Работы по обеспечению прочности и рациональному конструированию корпусов глубоководных аппаратов (ГА) приобрели самостоятельное значение в 60-х годах.
Накопленный к концу 70-х - началу 80-х годов опыт создания глубоководных аппаратов, анализ проведенных теоретических и экспериментальных исследований в области прочности позволили разработать "Основные положения по методам расчета и нормам прочности прочных корпусов глубоководных аппаратов" (1981 г.). Исследования прочности, несущей способности и работоспособности корпусов объектов глубоководной техники, на базе уже имеющихся данных, продолжались на новом качественном уровне. Были решены задачи прочности, устойчивости и надежности корпусов, состоящих из цилиндрических и сферических оболочек с учетом фактической точности их изготовления, определены пределы снижения несущей способности корпусов в зависимости от принятых допусков, подтверждена эффективность обработки поверхности (В.Р. Ибнояминов, Ю.П. Шишалов, В.М. Греков).
Новое направление исследований в 90-е годы - обращение к малопластичным материалам с высокой удельной прочностью. Проблема их внедрения стала весьма актуальной, поскольку применяемые материалы исчерпали свою возможность, не позволяя рассчитывать на сколько-нибудь существенное снижение массы корпусов или увеличение глубины погружения. Выполненные в 1990-1993 гг. исследования подтвердили принципиальную возможность получения приемлемых показателей надежности изделий к конструкции корпусов и технологии их изготовления, выявили круг основных вопросов, требующих дальнейшего решения.
Особенностью надводного судостроения в 50-е годы были: переход полностью на сварные корпуса, широкое применение высокопрочных легированных сталей, повышение мощности и скорострельности артиллерийского вооружения, создание и опытная эксплуатация корабельного реактивного оружия и высокие эксплуатационные скорости кораблей малого и среднего водоизмещения. Появилась новая архитектура кораблей с удлиненным корпусом, развитыми надстройками, чисто продольной системой наборов корпуса. Для обеспечения проектирования кораблей нового поколения был проведен большой объем исследовательских работ.
Прежде всего, были рассмотрены особенности деформирования цельносварного корпуса корабля при действии статических и динамических нагрузок. Для этой цели выполнен комплекс теоретических исследований и проведены натурные статические испытания кораблей проектов 50 и 68 на прогиб и перегиб при нагрузке на опорах в доке. Были проведены натурные мореходные испытания этих кораблей с измерением деформаций основных продольных связей корпуса при движении с различными скоростями на волнении различной бальности.
Исследования показали, что при расчетах общей прочности корабля необходимо учитывать динамическую составляющую изгибающих моментов, которая при высоких скоростях движения может быть сопоставима со статической составляющей и даже превосходить ее. Необходимость более полного учета работы несущих связей корпуса корабля при его общих деформациях предопределила проведение тщательного изучения работы отдельных связей в составе перекрытия при различных видах нагрузки, устойчивости пластин и жестких связей в составе сложных конструкций. Это дало существенный толчок к развитию строительной механики корабля (Ю.А. Шиманский, Г.О. Таубин, А.А. Курдюмов, Н.С. Соломенко).
Переход к более прочным сталям и соответствующее уменьшение размеров несущих связей и повышение их нагружености потребовало более детального исследования влияния концентрации напряжений в районах вырезов и окончания прерывистых связей. На основе теории Ю.А. Шиманского ("Проектирование прерывистых связей судового корпуса", 1949 г.), а также большого количества теоретических и экспериментальных работ и успешного опыта проектирования были разработаны "Положения по конструированию корпусов надводных кораблей", 1957 г. (Ю.А. Шиманский, Г.С. Чувиковский, Г.О. Таубин, Б.П. Кузовенков, Н.Л. Сивере, В.П. Белкин, А.А. Карпов).
Появление на кораблях ракетного оружия поставило перед судостроением ряд новых, нетрадиционных задач. При старте ракет на близлежащие конструкции корпуса от газовой струи ракетного двигателя действуют большие внешние давления (до 30 кгс/см2) при одновременном интенсивном тепловом воздействии (температура газовой струи 2000-4000°С), что принципиально отличает этот вид нагрузок от традиционных гидродинамических. Те же нагрузки, только более продолжительные во времени, воздействуют на конструкции погребов хранилищ ракетного оружия при несанкционированном срабатывании ракетного двигателя.
Требования, методы расчетов прочности, конструирования, а также защиты конструкций, расположенных в зоне действия газовых струй ракетных двигателей, были разработаны на основе исследования газо- и термодинамических особенностей таких струй и обобщения результатов систематических модельных и натурных испытаний (В.А. Никитин, Ю.А. Зимницкий, В.Г. Бессонов, А.А. Карпов).
В конце 50-х годов определилась необходимость создания кораблей противоминной обороны (тральщиков) водоизмещением 300-600 т с корпусами из немагнитных материалов, что привело к идее использования стеклопластика. Этот материал является нетрадиционным для судостроения и обладает рядом специфических особенностей. Он создается одновременно с изготовлением конструкции, отличается существенной анизотропией механических свойств, относительно низким модулем упругости, склонностью к ползучести даже при нормальной температуре и т.д. В связи с этим необходимо было заново разрабатывать методы определения напряженно-деформированного состояния корпуса, нормы опасных и допустимых напряжений, принципы конструирования.
Первый в мире тральщик из стеклопластика водоизмещением 280 т был спущен на воду в 1964 г. и вступил в строй в 1965 г. Корабль находился в строю до конца 80-х годов.
В 90-е годы велись исследования по оценке ресурса кораблей, находящихся в эксплуатации более 15-20 лет, разрабатывались концепция обеспечения прочности кораблей нетрадиционной архитектуры (катамараны, корабли с малой площадью ватерлинии, корабли с усиленной ледовой защитой), комплексный подход к оценке прочности корпуса корабля по результатам мореходных испытаний и др.
Опыт создания первых отечественных КПК и экранопланов показывает, что для КДПП характерно многообразие архитектурных форм, компоновочных, конструктивных и технологических решений. Они до настоящего времени еще окончательно не установились и претерпевают значительные изменения от проекта к проекту. Расчетные методы, используемые для проверки прочности конструкций, в значительной мере носят сопоставительный характер и поэтому не могут гарантировать безопасность и ресурс конструкций при наличии нетрадиционных конструктивных и технологических решений и изменений условий эксплуатации. По этим причинам НИИ и КБ вынуждены были по примеру авиастроителей обратиться к широкому проведению экспериментальных работ для обеспечения прочности КДПП. Такой подход нашел отражение в требованиях к конструкции и прочности корпусов, разработанных под руководством Б.П. Кузовенкова в положениях по расчетно-экспериментальной проверке прочности конструкций КПК, СВП и кораблей-экранопланов (1976 г.).
В 80-х годах акцент в развитии КДПП делался на создании кораблей большого водоизмещения (СВП "Зубр", "Сивуч"). Для этого потребовалось использование новых высокопрочных материалов и решение проблем обеспечения прочности конструкций, испытывающих в эксплуатации высокие уровни напряжений.
В частности, были уточнены способы расчетного определения внешних сил, действующих на конструкции, с учетом динамики упругого пространственного деформирования конструкций (Ю.В. Бельгов, Г.Б. Крыжевич); созданы пакеты прикладных программ для расчета напряженно-деформированного состояния сложных конструкций (Е.Я. Вороненок, А.Ю. Бабурин, Е.А. Шишенин и др.); предложены новые нормы прочности и расчета конструкций, базирующиеся на теории надежности и механике разрушения (Ю.В. Головешкин, С.Д. Кноринг, Г.Б. Крыжевич, Н.И. Тузлукова); изучены особенности работы резинотканевых конструкций в эксплуатационных условиях и предложены на основе экспериментальной отработки рациональные конструктивные решения для узлов гибких ограждений больших КВП (М.В. Филиппео, М.Е. Алешин, Ю.Г. Ефимов, Д.С. Комиссаров и др.). Испытания этих кораблей и их эксплуатация подтвердили высокую надежность конструкций. По критерию весового совершенства они не уступают лучшим зарубежным, а по водоизмещению и некоторым другим параметрам превосходят их.
Важное
