КОНСТРУКЦИЯ КОРПУСА судна (от лат. constructio — составление, построение)
Конструкция корпуса судна — строение корпуса, определяемое назначением судна и его архитектурно-конструктивным типом: размеры, форма и материал частей, их расположение и соединение; в статье — история от плотов и челнов до железных и стальных судов, особенности деревянных, лёгкосплавных, железобетонных и пластмассовых корпусов, а также значение термина как учебной дисциплины.
1. Строение корпуса. Конструкция корпуса судна — его строение (устройство), которое определяют назначение судна и соответствующий ему архитектурно-конструктивный тип. Её характеризуют размеры, форма и материал частей и деталей корпуса, их взаиморасположение и способы соединения. В совокупности они задают схему восприятия внешних нагрузок и их уравновешивания в корпусе без нарушения условий прочности, устойчивости и жёсткости.
История. Конструкция корпуса зависит от технических возможностей исторического этапа развития племён, народов и человечества в целом. Сначала плавучими средствами служили стволы деревьев, затем связанные из них плоты, а в ряде мест — плоты из камыша и папируса. В каменном веке появились челны-однодеревки, позднее — челны из коры и шкур, натянутых на каркас (прообразы наружной обшивки и набора). В Древнем Египте уже в III тысячелетии до н. э. суда собирали из отдельно изготовленных частей набора (киль, шпангоуты, штевни) и просмоленной обшивки. По справочнику, финикийцы иногда защищали подводную часть деревянной обшивки тонкими свинцовыми листами (в XVIII веке появились медные защитные листы). Эти элементы конструкций почти без принципиальных изменений сохранялись до появления в конце XVIII века железных корпусов. Первое железное судно построил англичанин Дж. Уилкинсон в 1787 году. Во второй половине XIX века железо вытеснила сталь. Благодаря этому заметно выросли главные размерения и водоизмещение судов, а это изменило конструкции: появились продольная система набора, водонепроницаемые переборки, второе дно, дополнительные палубы, платформы и т. п. Переход от клёпки к сварке значительно упростил судовые конструкции, а доля корпуса в массе судна уменьшилась.
В конце XIX века появились, а в первой половине XX века сильно усовершенствовались расчётные методы проверки прочности при выбранных размерах, форме, способах соединения и материале корпусных конструкций, в том числе в процессе постройки; до этого корпуса конструировали по прототипу. Развитию расчётных методов способствовало появление судов новых типов (на воздушной подушке, на подводных крыльях, контейнеровозов, лихтеровозов, ролкеров и т. п.), у которых особые соотношения главных размерений и часто увеличенные размеры перекрытий днища, палуб, бортов и переборок.
В конструкции корпуса современных стальных судов можно выделить типовые решения для отдельных частей: форштевень, ахтерштевень, надстройка, трюм и т. д. В качестве составных элементов используют листовую сталь, профильный прокат, стальное литьё и т. п.
Деревянные корпуса. Конструкция существенно зависит от материала. Для корпусов деревянных судов используют доски и брусья из сосны, ели, лиственницы, кедра, пихты; для отделки судовых помещений и корпусов катеров — ясень, бук, вяз, каштан, акацию, а также берёзовую фанеру. Каркас образуют балки продольного набора и поперечный набор — шпангоутные рамы. В зависимости от устройства рам различают корпуса:
- с футоксовым набором — шпангоут состоит из отдельных брусков-футоксов; такой корпус обычно у морских судов неограниченного района плавания с округлыми обводами и значительной килеватостью. Шпангоуты двухслойные, каждый слой — из футоксов; стыки одного ряда перекрывает целая часть футоксов другого ряда; оба ряда соединены деревянными нагелями и болтами. Для прочности часто ставят металлические шины по бортам и палубам под углом 45° к плоскостям шпангоутных рам, а на палубе вдоль бортов и кромок больших вырезов (люков) — продольные шины. Обшивка однослойная. Недостаток — увеличенная масса и большой расход леса;
- с натёсными шпангоутами (однорядными) — типичны для морских судов с V-образными (ломаными) обводами и малыми радиусами скулового закругления. Шпангоуты из прямослойного леса состоят из отдельных днищевых и бортовых ветвей, соединённых флорами и скуловыми кницами из досок, брусьев, бакелизированной фанеры и металла. Шпангоуты из криволинейного леса твёрдых пород соединяют с одной-двумя накладками или без них. Обшивка одно- или двухслойная;
- с гнутыми шпангоутами — в основном у судов, масса корпуса которых должна быть минимальной: шлюпок, ботов, катеров, спортивных судов. Обшивка однослойная вгладь, внакрой или фанерная;
- с продольно-монолитной системой набора, предложенной в 1951 году инженером Д. И. Николаевым: толщина монолитной оболочки в 1,2—1,3 раза больше толщины однослойной обшивки, пояса обшивки наклонены к диаметральной плоскости, стыки поясьев разнесены по длине, соседние пояса соединены нагелями или клеем.
Для несамоходных, буксируемых и стояночных судов, выходящих в предустьевые районы моря, изредка применяют деревянные баржевые конструкции: обводы в средней части прямоугольные, шпангоутные рамы состоят из одной днищевой, двух бортовых и одной палубной ветви, обшивка однослойная. У широко распространённых на Дальнем Востоке мелкосидящих кунгасов и кавасаки киль широкий, набран из нескольких брусьев и загнут в кормовой части вверх на 300—400 мм, что позволяет быстро вытаскивать судно на берег прямо на киле кормой вперёд. При постройке современных деревянных судов широко применяют склеивание.
Лёгкие сплавы. Лёгкие сплавы применяют в корпусах из-за более высокой, чем у стали, удельной прочности (отношение предела текучести к плотности) и коррозионной стойкости в морской воде; корпуса получаются значительно легче. Типичные материалы — алюминиевые и (в меньшей степени и лишь в последние годы) титановые сплавы. Корпуса из лёгких сплавов особенно характерны для судов с динамическими принципами поддержания и небольших скоростных водоизмещающих судов. Чтобы уменьшить общую массу, надстройки стальных судов (например, пассажирских) тоже часто делают из лёгких сплавов. Конструкция в целом аналогична стальной, но есть особенности: большой объём клёпаных и клееклёпаных соединений (из-за тонколистовых элементов толщиной 0,5—2 мм и несвариваемых сплавов, например дуралюмина Д16), применение прессованных панелей для обшивки днища, бортов, настилов палуб и платформ, навесное соединение поперечных рамных балок (флоров, бортовых стоек шпангоутов, бимсов) с продольными панельными балками.
Характерный элемент корпусов судов с динамическими принципами поддержания — трёхслойные панели: тонкие (1—1,5 мм) наружные несущие слои склеены или спаяны со средним слоем-заполнителем в виде сот (из алюминиевой фольги толщиной 0,03—0,1 мм). Такие панели очень лёгкие, прочные при изгибе и очень устойчивые при сжатии в своей плоскости, но малоустойчивы при поперечном сжатии, поэтому в узлах соединений и в местах установки судового оборудования нужны местные подкрепления: вкладыши между несущими слоями из алюминиевого сплава, дерева или синтетических материалов и силовые окантовки панелей (торцевые усиления).
Железобетонные корпуса в основном имеют дебаркадеры, плавучие мастерские, несамоходные паромы, баржи, плавучие доки. Железобетон экономит сталь и расходы на ремонт корпуса. Основные элементы — железобетонные плиты и подкрепляющие их балки. Плиты идут на наружную обшивку (обычно упрощённых обводов), настилы палуб и переборок; балки ставят согласно выбранной системе набора. Плиты и балки можно изготовлять до или в процессе постройки судна или секции. Плиты армируют одной-двумя сварными сетками из стержней диаметром 6—10 мм; толщина плит наружной обшивки — 60—100 мм. Сечение балок, как правило, прямоугольное, толщина не меньше толщины плиты, высота не меньше девяти толщин. Арматурные стержни в растянутых зонах параллельны оси балки, а в зонах максимальных перерезывающих сил составляют с ней угол 30—60°. Вдоль балок с шагом не более 250 мм ставят поперечные стальные хомуты. Опорные сечения балок и плит имеют армированные усиления — вуты. Протяжённость секционных стыков (не менее 100—150 мм) должна позволять сваривать выпуски арматуры и закладные детали и затем бетонировать места соединения. Максимальная унификация элементов и секций существенно снижает трудоёмкость изготовления корпуса. См. также железобетонное судостроение.
Пластмассовые корпуса. Пластмассовый корпус намного легче стального такого же размера, немагнитен и совершенно не подвержен коррозии. Благодаря этому корпуса не очень больших судов (длиной до 50 м) с 1960-х годов часто делают пластмассовыми. Как правило, применяют конструкционные стеклопластики — композиции стекломатериалов (армирующие наполнители) и полимерных смол (связующие); для высоконагруженных конструкций могут использоваться графито- и бороволоконные наполнители. Корпуса малых судов (длиной до 5—6 м: шлюпки, разъездные катера, яхты) часто выполняют как неподкреплённую цельноформованную оболочку; жёсткость обеспечивают криволинейной формой обшивки, килевыми и планширными балками, конструкцией встроенных банок и воздушных ящиков. У больших или высокоскоростных судов оболочка может иметь подкрепления в виде продольных гофров-реданов и одного-двух флоров. Иногда корпус состоит из внешней и внутренней монолитных оболочек, соединённых внутренним набором, а пространство между ними заполняют пенопластом. Более крупные суда имеют корпуса, аналогичные стальным: листовые элементы наружной обшивки, палуб и переборок подкреплены приформованным балочным набором, образующим продольную, поперечную или смешанную систему. Балки набора имеют Т-образный или (в отличие от стальных) П-образный профиль. Надстройки, рубки, переборки и платформы пластмассовых и стальных судов могут быть трёхслойными (внешние несущие слои из стеклотканей, внутренние — из пенопласта или текстолитовых сот). См. также пластмассовое судостроение.
2. Учебная дисциплина, выделившаяся в начале XX века из корабельной архитектуры — более общей дисциплины, которая до сих пор сохранилась в ряде стран и включает теорию корабля, строительную механику, проектирование судна и т. п.