Investigation of the durability of ship’s superstructures made from composite materials while connecting a steel hull

Abstract

Область применения легких судостроительных материалов значительно развивается в последние годы. Это связанно со стремлением к постройке судов с минимальным водоизмещением и, следовательно, с минимальным расходом топлива. Полимерные композитные материалы (ПКМ) являются качественным примером для достижения данной цели, при этом использование ПКМ для постройки корпуса судна в целом является нерентабельно с точки зрения стоимости изготовления, сложности и дорогостоящей технологии, в частности, для транспортных судов. Гибридные суда, где надстройка строится из ПКМ и основный корпус из металла является более эффективными и нашли применение в практике постройки судов. Для судов такого проекта важным вопросом служит метод соединения надстройки из ПКМ с основным металлическим корпусом. Узлы соединения надстройки из ПКМ с металлическим корпусом транспортных судов является объектом исследования. В данной работе рассмотрены основные методы, применяемые для соединения надстройки с корпусом. Проведен анализ главных нагрузок, воздействующих на узлы соединения надстройки с корпусом во время эксплуатации. Экспериментально изучено влияние методов соединения на циклическую долговечность надстроек из ПКМ. Испытания проводились на образцах, состоящих из двух частей: одна из ПКМ и другая из судостроительной стали, соединенных между собой разными методами – болтовым, заклепочным и клееболтовым. Результаты показывают, что метод соединения существенно влияет на циклическую долговечность материала надстройки, при этом лучшие показатели обнаружились у образцов с клееболтовым соединением, а во второй степени у болтовых и заклёпочных соединений. Установлены уравнения выносливости в виде зависимости напряжения от количества циклов до разрушения для каждой группы образцов, что является основанием для прогнозирования циклической долговечности легких судовых надстроек, изготовленных из ПКМ. The use of light shipbuilding materials has been developing significantly in recent years. It is connected with the intention to build ships with a minimum displacement and also, with a minimum fuel consumption. Polymer composite materials (PCM) can be a qualitative example for achieving this goal, while the use of PCM for the construction of a ship's hull is generally unprofitable in terms of manufacturing cost and complexity and expensive technology, in particular, for transport ships. Hybrid ships, where the superstructure is built of PCM and the main hull is made from metal are more efficient and are used in the practice of building ships. For ships of such a project, an important issue is the method of connecting the PCM superstructure with the main metal hull. The object of research is the joints of the PCM superstructure with the metal hull of transport ships. This paper discusses the main methods used to connect the superstructure to the hull. The analysis of the main loads acting on the joints of the superstructure with the hull during operation is carried out. The influence of joining methods on the cyclic durability of PCM superstructures has been studied experimentally. The tests were carried out on samples consisting of two parts: one made of PCM and the other made of shipbuilding steel, connected to each other by different methods - bolted, riveted and glue-bolted. The results show that the joining method significantly affects the cyclic durability of the superstructure material, with better performance for specimens with glue-bolted joints, and, to the second degree, for bolted and riveted joints. The equations of the strain endurance from the number of cycles to failure for each group of samples are established. It is the basis for predicting the cyclic durability of light ship superstructures made of PCM.