Санкт-Петербург:
+7 (812) 407-36-28

Вы можете задать свой вопрос по
телефону бесплатной горячей линии:

8 (800) 50-50-934
Прямое сравнение свойств композитных материалов FRP/PVC и сварочного алюминия применительно к конструкции корпуса СВП

Прямое сравнение свойств композитных материалов FRP/PVC и сварочного алюминия применительно к конструкции корпуса СВП

Сравнение особенностей корпусов судов на воздушной подушке на примере коммерческого СВП грузоподъемностью от 600 до 8000 кг.

Многослойная конструкционная система, собираемая из композитного пластика с армированным волокном (FRP) и поливинилхлоридной пены (PVC), может иметь множество разновидностей. В основу сравнения, приведенного ниже, положены структуры и конструкционные системы, обычные для современного серийного ховеркрафтостроения. Если попытаться соотнести конструкционные качества и вопросы практического производства, закрыв глаза на коммерческие соображения, то в итоге обсуждаемые материалы и конструкции немного проиграют тем ультрасовременным, что используются сегодня в аэрокосмической индустрии.

Для ясности сравнения проделаем следующее: присвоим обычному FRP-судну рейтинг 0, а самому высокотехнологичному композитному самолету рейтинг 100, и тогда окажется, что конструкционные характеристики ховеркрафтов, приведенные в данной статье, будут располагаться в районе 85 с фактором стоимости около 60. Таким образом, мы имеем хороший баланс между эксплуатационными качествами и износостойкостью в морской среде при использовании коммерчески оправданных технологий.

К сожалению, сейчас мы не можем однозначно оценить, какое положение в этой шкале занимали бы алюминиевые конструкционные системы. Последние алюминиевые корпуса ховеркрафтов, выполненные в авиационном стиле, закончились на серии Saunders Roe. Все те алюминиевые ховеркрафты, что выпускаются сегодня, используют продвинутую версию корабельного алюминиевого типа конструкции. Сравнение, которое проводится здесь, выявит, как соотносятся между собой различные свойства всех этих конструкционных систем в ховеркрафтах сегодняшнего дня и, в частности, коммерческих и военных ховеркрафтах указанного диапазона грузоподъемности.

Проследив за нашим сравнением, потенциальному клиенту будет легче понять, почему эти системы настолько различны, и в чем состоят преимущества композитной системы FRP/Sandwich перед алюминием в строительстве ховеркрафтов. Стоит подумать и над тем, что приверженность некоторых производителей к алюминию объясняется в большей степени привычкой, более легким контролем над подрядчиками и определенной успокоенностью рынка, нежели техническими соображениями, изложенными далее.

Композит PVC Sandwich

Алюминий

Впитывание энергии Повреждение при ударе панели, сделанной из пены PVC sandwich, приводит к локальному сминанию сердцевины и частичному отделению ламината, обычно только на внешнем слое обшивки. Даже очень сильные повреждения не влекут за собой общей деформации корпуса за пределами поврежденного участка. Ограниченное впитывание энергии. Случайный удар приводит к искривлению или пробою панели, а зачастую и к искривлению опорных рам (шпангоутов), требующему дорогостоящего и продолжительного ремонта. Сильный удар способен искривить всю структуру и тем самым нарушить балансировку машины и оборудования.
Подверженность разрушению Небольшие пробоины иногда могут привести к протечке вследствие разрушения пены. Когда проколот лишь внешний слой, сердцевина пены сминается и образует подушку, защищающую внутренний слой. Более того, если внешний слой разорван, и жесткость панели в этом месте нарушена, то внутренний слой начинает играть роль гибкой мембраны, которая с легкостью выгибается при внедрении инородного элемента и распрямляется обратно, когда инородное тело удалено. В случае, когда панель требует ремонта по причине структурного повреждения, ремонт этот редко бывает неотложным и обычно может быть осуществлен позже, при удобном случае. Подверженность разрушению Даже самые небольшие пробоины чреваты протечками, достаточными, чтобы подвергнуть ховеркрафт угрозе затопления. Повреждение алюминия гораздо чаще влечет за собой необходимость ремонта, чем деформация конструкционной системы FRPh /Sandwich.
Однородная (гомогенная) конструкция Все материалы, используемые при производстве корпуса из FRP sandwich, поставляются производителем в виде жидкой смолы и различных стекломатериалов, смотанных в рулоны. Поскольку в процессе формовки конструкция становится твердой и приобретает форму сразу вся целиком, обшивка практически не содержит в себе соединений и участков с большими напряжениями. Удачная конструкция делает возможным свести неизбежные стыки к минимуму и разместить их в участках с малыми, некритичными напряжениями. В отличие от металлов, используемые материалы не подвержены усталости, что исключает риск структурного повреждения вследствие дисбалансировки ходовой части или воздействия всякого рода циклической нагрузки. (Чему способствуют также и их энерговпитывающие свойства) Неоднородная конструкция Алюминий поставляется производителем в виде листов, полос и прессованных форм. Любая алюминиевая конструкция подразумевает наличие стыков, а также то, что в процессе образования формы материал будет искривлен (изогнут). А это, в свою очередь, приводит к появлению больших локализованных напряжений, которые в сочетании с циклической нагрузкой (вибрация ходовой части плюс обычные эксплуатационные нагрузки на корпус) чреваты разрушением от усталости или расстыковкой соединений. Применение сварных соединений влечет за собой локализацию высоких напряжений и в то же время потери в прочности. Этот факт следует иметь в виду конструктору, обычно компенсирующему данные недочеты введением дополнительного материала (и, соответственно, увеличением стоимости и веса). Большая часть конструкций является комбинацией скрученных листов и прессованных секций. А для прессованных секций, как известно, характерно малое сопротивление усталости, что определяется их химическим составом.
Ремонтопригодность Поврежденные структруры FRP Sandwich легко ремонтируются рабочими-полупрофессионалами и тренированным экипажем. Набор инструментов для мелкого ремонта можно держать на борту и использовать в походных условиях, не испытывая зависимости от электропитания или другого ремонтного оборудовании. Ремонтопригодность Ремонт алюминиевых структур осуществляется подготовленными специалистами и лишь изредка бывает эффективен в походных условиях. Крупное повреждение, ведущее к тотальной дисбалансировке конструкции, требует полного демонтажа ховеркрафта с последующим выпрямлением или заменой обшивки.
Высокая жесткость панели Благодаря большой толщине секций, сэндвич-структура предъявляет значительно меньшие требования к внутреннему каркасу корпуса. Как результат, внутренние поверхности становятся более чистыми и ровными, высвобождая дополнительное место и облегчая уборочные работы. Низкая жесткость панели. В силу небольшой толщины алюминиевого полотна, жесткость панели довольно низка и требует либо основательного подкрепления изнутри, либо локального увеличения жесткости. Это ведет к уменьшению свободного внутреннего пространства и увеличению внутреннего беспорядка. Техобслуживание затруднено как с точки зрения чистки, так и с точки зрения необходимости ремонта или замены укреплений в случае повреждения.
Коррозия Для материалов, используемых в ховеркрафтах Christy Hovercraft, коррозия не представляет проблемы. Ни один из материалов, используемых в обшивке, не подвержен коррозии. Все поверхности, имеющие соприкосновение с водой, производятся из смолы с эпоксидной или винилэстеровой основой, которая не подвержена просачиванию. К тому же внешние поверхности покрываются двумя слоями полиуретановой краски - самой плотной и стойкой из существующих красок. Коррозия Даже специальный морской алюминий подвержен коррозии, и потому в течение всего срока службы должен внимательнейшим образом проверяться на предмет ее признаков. В алюминиевых ховеркрафтах обычно используется довольно тонкое полотно, и потому за считанные недели коррозия в состоянии оказать ослабляющий эффект на весь ховеркрафт. Вот некоторые из самых распространенных проблем:
  • Будучи пришвартованным к стальному судну и непроизвольно электрически заряженным (соприкасаясь с металлом), ховеркрафт выступает в роли жертвенного анода для стального судна и страдает от ускоренного электролитического разрушения.
  • Инструменты, по неосторожности оставленные в трюмной воде, за несколько недель могут привести к сквозной коррозии днища; медная монета, оброненная в трюмную воду, также в состоянии быстро и насквозь корродировать алюминиевую пластину.
  • Взаимодействие с другими металлами, содержащимися в оборудовании ховеркрафта, увы, неизбежно и хоть как-то может контролироваться лишь путем тщательного ухода.
Высокотехнологичные ламинаты Существует возможность включения в базовую структуру ламината высокотехнологичных тканей с целью придания ему в отдельных зонах некоторых специальных свойств. Подобное усиление актуально там, где ожидаются необычные нагрузки - например, в панелях, которые могут быть подвергнуты большим нагрузкам (меcта расположения пассажиров, экипажа и машинное отделение). Для придания обшивке свойств брони целесообразно использовать такую ткань, как кевлар. В других участках, подверженных предельным нагрузкам, - например, в опорах для машин и оружия - применение подобных материалов оправдано тем, что львиная доля энергии впитывается гнущимся материалом вокруг зоны удара, освобождающим всю конструкцию от большей части ударной нагрузки. За счет этого могут быть достигнуты уменьшение веса и большая эластичность структуры, и, как следствие - увеличение полезной нагрузки и облегчение обслуживания. Низкотехнологичный метод Изготовленное в промышленных условиях алюминиевое полотно имеет фиксированную толщину, и его местное усиление невозможно без приваривания или приклепывания дублирующей пластины. Представляется чрезвычайно сложным включение специальных армирующих или энерговпитывающих материалов в алюминиевую структуру без существенного увеличения ее веса и стоимости. Проектирование опор для машины, оружия и т.п. должно быть ориентировано на их сохранность под воздействием ударной нагрузки, при этом их устойчивость и сопротивление усталости значительно ниже, чем у опор с композитной структурой. И здесь приходится вводить дополнительный вес и жертвовать полезной нагрузкой.
Стоимость постройки Композит FRP более дорог, чем алюминий. Конечно, можно строить и дешевые композитные корпуса, однако, материалы, отобранные по этому критерию, будут менее прочны и более тяжелы. Существует огромная разница между хорошими, качественными композитными проектами и дешевыми, серийными прогулочными катерами. Контроль за качеством осложняется тем, что сырой материал прибывает в скрученном или свернутом виде и превращается в конечный продукт рабочими, чья повседневная производственная этика может быть вопросом неоднозначным. Такая проблема обычно встает на фабриках, производящих дешевую, массовую продукцию. Все приличные фибергласовые цеха и, особенно, те, что работают с дорогими, высокотехнологичными композитами (используемыми и в наших ховеркрафтах), имеют действенную систему контроля качества на местах, что предотвращает появление подобных проблем. Стоимость постройки Стоимость материала меньше, чем у высококачественных композитов. Отпадает необходимость в тщательном контроле за качеством строительного процесса, поскольку качество алюминия контролируется производителем металла. Заметьте, что низкотехнологичные FRP-конструкции, часто используемые при производстве прогулочных лодок, несравнимы с хорошими алюминиевыми проектами, которые в целом превосходят подобные FRP-системы (например, те, что производятся путем хаотичного распыления из пульверизатора рубленного ровинга и смолы).
Звукоизоляция Еще раз вспомним о естественной упругости и энерговпитывающих характеристиках материалов FRP/Sandwich, минимизирующих передачу шума через корпус. Их структура фактически изолирует машинный шум. Плохая звукоизоляция Низкие энерговпитывыающие характеристики металлов (алюминия) способствуют отличной передаче всех шумов. Это приводит к дополнительной утомляемости экипажа. А любые меры по изоляции увеличивают общий вес конструкции и снижают полезную нагрузку. В тропических условиях изолирующие материалы могут впитывать влагу, что также приводит к увеличению веса, ускорению изнашиваемости демпфирующего материала и скрытой коррозии под ним.
Свобода дизайна Свойство однородности FRP/Sandwich-системы оставляют большой простор для конструктора - как с точки зрения формы, так и с точки зрения размещения усиливающих материалов. На практике это означает, что одна панель может иметь переменные прочность и жесткость, рассчитанные так, чтобы в точности соответствовать предполагаемым условиям нагрузки. Это позволяет сделать конструкцию значительно более рациональной, исключив бесполезный материал и обеспечив наилучшие конструкционные характеристики при минимуме веса и, следовательно, максимизировав полезную нагрузку и общие характеристики ховеркрафта. Ограничения в дизайне Поскольку поставляемый алюминий имеет стандартные, фиксированные размеры, каждая отдельная панель должна иметь толщину, соответствующую требованиям прочности для самой нагруженной ее части, из чего следует, что в менее нагруженных частях будет присутствовать лишняя толщина. Вдобавок, требования общей жесткости панели могут диктовать толщину, большую, чем та, что требуется для удовлетворения требований прочности. Это снова приводит к необходимости компромисса между дизайном и общей эффективностью сооружения. Вообще говоря, хорошо спроектированная алюминиевая конструкция (особенно с большими панелями, как это часто бывает у ховеркрафтов) не может соперничать в жесткости с удачно спроектированными FRP/ Sandwich - конструкциями, в частности теми, что используются в ховеркрафтах Christy Hovercraft.
Теплопроводность PVC sandwich - по сути своей изолятор. Как следствие, теплопередача по сравнению с алюминием значительно меньше. Что очень хорошо для корпуса ховеркрафта, поскольку показатели нагревания и охлаждения кабины существенно уменьшаются. Соответственно, требуется меньший кондиционер. Меньший вес и меньшая потребляемая от машин энергия вкупе улучшают общие характеристики ховеркрафта. Теплопроводность Алюминий - один из лучших проводников тепла. Применительно к корпусу ховеркрафта это означает, что потребуются дополнительные теплоизолирующие материалы либо более мощный кондиционер, способный покрыть дополнительное тепло, поступающее через крышу кабины и из машинного отделения. Все это увеличивает вес и уменьшает полезную мощность машины, затрачиваемую на движение ховеркрафта. Что негативно сказывается как на самом ховеркрафте, так и на комфорте пассажиров.
Обзор Создателям морских и воздушных транспортных средств давно изветны многочисленные преимущества конструкционных систем типа FRP/Sandwich. И хотя эта система постепенно набирает популярность, ее принятие происходит медленно, что обусловлено необходимостью тщательного контроля качества продукции, а также медленным внедрением новых технологий серийными производителями. Многие из преимуществ этой системы незаметны в демонстрационном зале, и потому в них не так просто убедить заказчика, имеющего отдаленное представление обо всем, кроме внешнего лоска. С другой стороны, достаточно только взглянуть на любое высокотехнологичное гоночное судно или яхту, чтобы понять что эта система является предпочительной с точки зрения характеристик и износостойкости. Стоимость материала, работы и контроля качества для этой системы довольно высоки, однако, если рассчитать общую стоимость продукта в течение всего его жизненного цикла, то окажется, что по части экономии веса и износостойкости данная система значительно превосходят многие другие. Для ховеркрафта особенно важно, что увеличение полезной нагрузки и уменьшение требуемой мощности машины отражаются и на капитальных затратах, и на стоимости эксплуатации, и на общих ходовых характеристиках. Сэкономленный килограмм конструкции - это килограмм полезной нагрузки, который может быть продан снова и снова. Мы создаем подобные конструкции с 1979 года, и до сих пор не имеем ни единой конструкционной поломки за многие тысячи эксплуатационных часов, накопленных с того времени, часто в весьма тяжелых условиях и при интенсивной коммерческой работе Обзор Алюминий - хороший материал, и его использование в коммерческом судостроении имеет массу преимуществ, недостижимых для других материалов. Однако, каждый материал и каждая конструкционная система имеет свое место, и, если уж создатель ховеркрафта не готов использовать полностью высокотехнологичные авиационные материалы и технологии, то, выбирая из оставшегося, ему придется признать, что алюминий не может состязаться с системами FRP/Sandwich ни по конструкционным характеристикам, ни по рентабельности, ни по экономии веса. К сожалению, авиационные типы конструкционных систем не отличаются коррозионной устойчивостью в морской среде, и поэтому стоимость их технического обслуживания довольно высока. В производстве пассажирских паромов используются улучшенные среднетехнологичные алюминиевые системы, и созданные из них высококачественные паромы отличаются от устаревших тяжелых стальных судов большей прочностью и скоростью. Всем известно, что британцы, будучи пионерами ховеркрафта, предпочитают использовать алюминиевые конструкционные системы. В ховеркрафтах Griffon и BHC AP1-88 задействованы среднетехнологичные алюминиевые конструкционные системы. Не секрет, что эти ховеркрафты имеют невысокие характеристики, и это - следствие как большого веса обшивки, так и наличия добавочного веса, обусловленного спецификой этих конструкционных систем. Более старые ховеркрафты SRN 4 и SRN6 были построены, исходя из авиационного подхода к структуре. Вес у них небольшой, но стоимость постройки и эксплуатации довольно высока. Интересно, что новый и независимый британский проект - ховеркрафт ABS-M10 - в настоящее время использует систему FRP/Sandwich. Этот ховеркрафт в своем классе является одним из лучших.
Звоните