купить катер тут.
Новости компании Вопросы и ответы
Галерея Статьи и публикации
Главная страница / Статьи и публикации / Технология судостроения - морские конструкторы раскрывают принципы выбора конструкции, оснастки и материалов для изготовления рыболовных моторных катеров

 Технология судостроения - морские конструкторы раскрывают принципы выбора конструкции, оснастки и материалов для изготовления рыболовных моторных катеров 

Статья из журнала "Composites Technology" октябрь 2004 года;
Автор: Sara Black;
Первод: Третьяков Павел

 

По информации Ассоциации Судостроителей, почти 300 000 малых моторных катеров было сделано в США в 2003 году, полной стоимостью 9 миллиардов долларов США. Подавляющее большинство этих судов были сделаны с применением композитных материалов, благодаря качеству композитов, долговечности и относительно низкой стоимости по сравнению с конкурентными материалами - алюминием и деревом. Но конструкции, методики и материалы при производстве лодок очень сильно различаются, начиная от ручной укладки усовершенствованных волокон для специальных гоночных моделей, до почти полностью автоматизированного процесса закрытого формования для крупносерийного судостроения, такого как технология  Genmar's VEC Technology.

 

Рыболовный моторный катер обладает специальными характеристиками корпуса и палубы, чтобы гарантировать эффективность на открытой воде. Источник: Cavileer Boatworks

 

Как судостроитель может определить какие материалы и схемы укладки ему использовать при судостроении? Что определяет конструкцию лодки, методы изготовления и оснастки? Что в реальности нужно принять во внимание и сделать композитное судно с особыми требованиями к характеристика для особого сегмента рынка? В настоящей статье журнал Composites Technology (CT) погрузится в конструкцию Cavileer 44, «рыболовного трансформируемого» моторного катера длиной 13 метров, сделанного  компанией Cavileer Boatworks (Lower Bank, N.J., U.S.A.). Судостроительная фирма по конструированию лодок Donald L. Blount and Assoc. (Chesapeake, Va., U.S.A.), конструктор оснастки фирма DLBA Robotics Ltd. (Chesapeake, Va., U.S.A.), и эксперты по композитному судостроению компании Cavileer раскроют важнейшие принципы изготовления лодок.

 

Основы - технология судостроения

«Самая первая вещь, которую необходимо определить - это как будет использоваться яхта», - говорит Крис Свонхарт (Chris Swanhart), конструктор из компании Donald L. Blount and Assoc. «Круизная яхта или быстроходная моторная лодка требуют различных конструкторских решений».

 

Корпус Cavileer 44 был сконструирован для минимальной осадки на мелководье, но для быстрого крейсирования в открытом море. Детальная оценка веса и конструкции ламината помогли оптимизировать вес корпуса. Источник: Cavileer Boatworks

 

Яхта для спортивной рыбалки обладает уникальными особенностями, которые отличают ее от других типов судов. Предназначенная для преследования призовой рыбы, такой как марлин или тунец, она имеет открытый кокпит, достаточно большой чтобы вместить нескольких членов команды и «боевое кресло», в котором сидит рыбак. Кресло требует дополнительной поддержки, потому как оно поддерживает большое удилище рыбака. Чтобы заметить рыбу на расстоянии, лодке также нужен высокий мостик. Также требуется достаточное количество мощности как для быстрого, но комфортабельного крейсирования в прибрежном морском регионе, так и для поддержания медленной постоянной тральной скорости. Дополнительные требования включают в себя каютные приспособления, которые комфортабельны, но не обязательно роскошные, и большое хранилище для снаряжения, льда и рыбы.

Идеальный размер кокпита берет в расчет как размер боевого кресла и расстояние, необходимое для маневрирования вокруг него, так и достаточное место для снаряжения. Это сказывается на полной ширине лодки, или бимсе. Так как обычное соотношение длин бимса к длине лодки около 33%, это также определяет полную длину лодки. «Отношение в 33% не является жестко закрепленным числом - оно варьируется в зависимости от требований заказчика», - объясняет Свонхарт. «Для малых лодок - длиной менее 13.7 м - отношение бимса к длине немного возросло в последние годы, для того чтобы обеспечить немного большее количество приспособлений в каюте».

После осознания оценки всех размеров и основной формы корпуса, следующим шагом конструктора судостроителя является всесторонняя оценка веса. Составляется классификационный лист всех компонентов судна  и их весов, включая двигатели, электрические системы и внутренние приспособления, такие как композитный корпус, палуба и остальная структура. Кажущаяся скучной, оценка необходима для гарантии того, что конструкция может достичь скоростных целей с приемлемой осадкой (глубиной корпуса в воде). Местонахождение веса также является ключевым фактором, потому как это оказывает влияние на продольный центр тяжести и характеристики корпуса, говорит Свонхарт.

Конструктор судостроитель Джей Майнер (Jay Miner) из компании судостроения Delta Marine Industries (Seattle, Wash., U.S.A.) говорит, что в яхтах, которые производит его компания, по крайней мере 20% веса судна приходится на корпус, так что наилучший путь для управления весом, чтобы гарантировать производительность, может быть найден в доработке композитного ламината корпуса. «Хороший предварительный инжинирг устраняет последующие догадки в процессе производства».

Процесс производства, который использует судостроитель, также играет роль в оценке веса, замечает конструктор судостроитель Андре Кокют (Andre Cocquyt) (GRPguru.com, Stuart, Fla., U.S.A.). В качестве примера он описывает судостроителя, который однажды взвесил несколько корпусов сделанных за неделю на своей фабрике, и обнаружил, что их вес отличается на величину около 10% - порядка 900 фунтов - в структуре весом 10000 фунтов. «Конструкция ламината должна быть очень индивидуальной и использование смолы должно быть контролируемым настолько, насколько это возможно, для достижения идеального соотношения стекла к смоле», - обращает внимание Андре.

 

Стальная опорная рама принимает форму вставки для корпуса Cavileer 44

 

Как только нужный вес определен, можно определять нагрузки на корпус. Это позволяет завершить «размерное» конструирование, или схему структуры лодки. Размечивание, которое включает в себя количество и положение стрингеров и переборок, а заодно и архитектуру композитных волокон и толщину ламината, увеличивается по сложности и важности с увеличением размеров лодки, скорости и требований к характеристикам, говорит Свонхарт. Документальные методы расчета и данные тестирования для разметки могут быть получены от классификационных обществ, таких как Американское Бюро Судоходства или Det Norske Veritas. Однако, замечает Свонхарт, большая часть находящихся в частной собственности небольших рыболовных катеров, таких как катера компании Cavileer, не классифицированы, поэтому эти методы не всегда используются в качестве основы для конструкции при судостроении, хотя обычно их рассматривают. Для своего дизайна, Свонхарт использует серии электронных таблиц собственной разработки для расчета нагрузок, отклонений и факторов безопасности для оптимизации конструкции структуры.

Свонхарт и президент Cavileer Джон ДиДонато (John DiDonato) согласились, что Cavileer 44, снабженная двумя надежными дизельными двигателями Caterpillar мощностью по 700 л.с., должна быть в состоянии крейсировать со скоростью 35 узлов (40 миль в час).Для поддержания такой скорости на открытой воде, лодке необходим структурно крепкий V-образный корпус, способный противостоять не только гидростатическим нагрузкам, вызванным вытеснением воды, которое он производит, но и значительным гидродинамическим силам, вызванным соударениями с тяжелыми волнами. «V-образная форма предлагает наиболее гладкое крейсирование в бурных волнах, потому как она хорошо курсирует и это помогает уменьшить вертикальное ускорение, когда лодка проваливается в воду», -объясняет Свонхарт.

 

Блоки из пены приклеиваются к стальной структуре вставки корпуса, перед обработкой. Источник: DLBA

 

Конструкция предполагала локальные нагрузки на корпус в 3G вертикального ускорения - считающиеся довольно высокими, но правдоподобными на скорости в открытой воде. Расположения перегородок и стрингеров были организованы в соответствии с оптимизацией используемого места под двигатели и жилые помещения без влияния на структурную интеграцию судна. Хотя крутящие нагрузки были, естественно, продуманы, Свонхарт объясняет, что на предполагаемой скорости, для лодок длиной менее 30,5 метров, они не настолько критические как локальные гидродинамические давления. Нагрузки, вызванные непредвиденно попавшей в кокпит водой, также были рассчитаны, и в стратегически важных местах были спроектированы шпигаты большого размера для гарантии хорошего слива воды.

Конечная форма корпуса была разработана с использованием пакета программ под названием MultiSurf от компании AeroHydro Inc. (Southwest Habor, Maine, U.S.A.). Для разработки частей палубы более сложной формы было использовано программное обеспечение Rhino от компании RoberMcNeel & Assoc. (Seattle, Wash., U.S.A.).

 

Судостроение - разработка ламината и выбор материалов

После утверждения составляющих конструкции, Свонхарт был готов к выбору материалов и программы укладки слоев. Находясь в группе конструкторов, которые предпочитают не использовать ламинаты с сердцевиной из дерева ниже ватерлинии, он применил цельный ламинат из стеклопластика для мокрой части корпуса, используя стандартный фактор безопасности около 2. Решение имеет практическое преимущество, отмечает Свонхарт, потому как цельный ламинат легче уложить в сильно рельефную V-образную килевую матрицу корпуса, чем ламинат с сердцевиной. Продольные стрингеры были предусмотрены в виде пены с закрытыми ячейками, с уложенными внахлест слоями корпуса для формирования цельной структуры корпуса.

 

Роботизированные головки завершили обработку вставки корпуса. Источник: DLBA

 

Из-за того, что в конструкции корпуса определяющим фактором была жесткость, потребовалось использовать дополнительное количество материала, чтобы обеспечить стойкость цельного ламината к деформации. «Размечивание конструкции по существу является спиральным процессом», - объясняет Дуг Блоунт (Doug Blount) из компании DLBA. «Входящими данными являются структурные формы и материалы, известны пределы веса, которые необходимо удовлетворить, и нагрузки, которым необходимо противостоять, и часто материалы и структурный каркас немного меняются, чтобы позволить подогнать все части друг к другу».

Выше ватерлинии композитные компоненты были сконструированы как сэндвич-панели с сердцевиной из бальзы. Для изготовления напольных панелей в кокпите и ниже палуб был определен термопластичный сотовый полиэтилен, сочетающий преимущества низкого веса и улучшенной звукоизоляции. Блоунт говорит, что хотя сэндвич-панели и являются более дорогими по материальным затратам и при возможном ремонте, они имеют несколько преимуществ при судостроении, включая более низкий вес по сравнению с цельным ламинатом такой же прочности. Сэндвич-панель также обладает отличной ударной стойкостью и дает лучшую звуковую и вибрационную изоляцию. Однако в процессе производства хорошая связь оболочки и сердцевины является критической для того, чтобы получить ожидаемую структурную эффективность.

Точка перехода между сторонами из сэндвич-панелей и цельным ламинатом корпуса, известная как «скуловая» область, представляет трудную конструкторскую задачу. «Скуловой стык стремится вести себя как шарнир, из-за того, что низ лодки прогибается внутрь и борта лодки прогибаются внутрь из-за внешних давлений», говорит Роб Шофилд (Rob Schofield), судостроитель из Мельбурна, США. «Вам не нужно здесь движение, и производителю приходится добавлять дополнительное количество ламината, чтобы противостоять крутящим напряжениям».

Чтобы воспрепятствовать эффекту «шарнира», конструкция Свонхарта предусматривает скос сэндвича с районе точки перехода, затем делается нахлест боковых слоев сэндвич-панели на нижний ламинат, чтобы сформировать клиновидную структуру перехода ламината с сердцевиной к цельному ламинату. Шофилд соглашается с методом Свонхарта, замечая, что эмпирически хороший размер клина составляет 25 мм на слой.

Чтобы присоединить части палубы к корпусу, компания Cavileer подготовила соединения, где подходящие друг к другу плоские краевые фланцы сделаны на палубе и на корпусе, заполнены водонепроницаемым адгезивом, затем скреплены зажимами на болтах. Альтернативным вариантом является соединение в виде подковы, с фланцем на палубе, подходящим  к корпусу как крышка короба. В обоих случаях, зажимы проходят только через фланцы, а не через ламинат с сердцевиной, говорит Свонхарт. Для сквозных палубных соединений, таких как поддерживающие высокую наблюдательную алюминиевую надстройку, Свонхарт добавил дополнительные усиления для поддержки и удерживания зажимов.

 

Корпусная вставка была покрыта пластиковой оболочкой и доставлена на фабрику Cavileer в Нью-Джерси. Источник: DLBA

 

Другие конструкторские решения включали в себя как армированные усиления вокруг стоек, которые поддерживают вал винта, так и резиновые соединения из-за высоких нагрузок в этих зонах. Хотя однонаправленное углеродное волокно может быть использовано в некоторых ключевых местах, таких как верхние поверхности стрингеров корпуса, для придания прочности при низком весе, конструкция Cavileer не требует этого. Жесткое арамидное волокно, часто в форме гибридной ткани арамидное/стеклянное волокно, используется в некоторых конструкциях для наружного ламината корпуса, чтобы улучшить стойкость к повреждениям, говорит Свонхарт. В случае Cavileer 44 в качестве первичного материала ламината была выбрана ткань, имеющая основу из стекломата.

«Много факторов влияют на выбор нужного материала», - говорит Свонхарт. «Доступность, цена и степень ознакомления судостроителя с продукцией также играют роль при выборе материала».

Новые комбинированные ткани и мультиаксиальные материалы, типично стекловолокно, постоянно рассматриваются для конструкций компании. Они могут быть предусмотрены для ламинатов, в зависимости от цены, потому что в многих случаях они могут дать прочность при  низком весе, путем увеличения отношения стекло/смола. Но Шофилд предостерегает, что замена новыми материалами с высокими характеристиками, такими как мультиаксиальные, может привлечь конструкторов судостроителей к уменьшению толщины ламината до той степени, когда излишняя гибкость может привести к трещинам. «На крайние слои приходится самая тяжелая нагрузка, и они должны иметь высочайшую прочность», - объясняем Шофилд. «Внутренние слои менее напряжены и могут быть такими материалами как мат или менее дорогими балкерными слоями».

 

Судостроение - рассмотрение оснастки

С подготовленной конструкцией и материалами, оснастка Cavileer 44 была недавно завершена. DLBA Robotics последовала традиции о создала выпуклые вставки для корпуса и палубы (тип «папа»), с которых в настоящее время компанией Cavileer производятся вогнутые (типа «мама») стеклопластиковые матрицы. Блоунт замечает, что пока корпуса представляется возможным делать прямо в процессе холодного формования, стеклопластиковая матрица имеет более продолжительный срок службы и гораздо лучше подходит для крупносерийного производства.

 

Палубная вставка после механической обработки, но перед нанесением покрытия. Источник: DLBA

 

«Для прототипа или судна в единственном экземпляре, вы можете воспользоваться стапельной рамой или непосредственно вырезанной вогнутой матрицей (типа «мама»). Для Cavileer 44, лодки, которая является серийной моделью, несомненно, нужны и вставка и матрица».

Конструкционные данные MultiSurf и Rhino были заложены в программное обеспечение SURFCAM от Surfware Inc. (Westlake Village, Calif., U.S.A.), для разработки программы ЧПУ, которая контролирует две роботизированные 7-осевые обрезные машины. Роботизированный обрабатывающий центр DLBA имеет рабочие величины 25х4.6х3.2 метра, и роботы движутся по напольным направляющим для максимальной маневренности.

Чтобы создать корпусные, палубные и мостовые вставки Cavileer 44, DLBA использовал жесткую полиизоциануратную пену, с низкой плотностью и закрытыми ячейками, приклеенную при помощи адгезива к внутренней стальной опорной конструкции. Полиизоциануратная пена физически и химически совместима с разбавленными стиролом смолами. Легко обрабатываемая, пена также выдерживает экзотермическое тепло, возникающее при отверждении композита при производстве матрицы. Но как замечает Блоунт, нет такого материала, который бы годился для всех случаев, и некоторым судостроителям понадобятся другие материалы, такие как шпатлевки, которые можно напылять или наносить шпателем. Выбор материалов непосредственно зависит от конечного процесса производства  и количества будущих частей. Стоимость, долговечность, условия хранения (внутри под покрытием или снаружи под воздействием окружающей среды) или даже колебания влажности на фабрике судостроения также могут играть роль в выборе материала вставки.

После обработки пена была покрыта одним слоем рубленного стекломата, чтобы защитить пену и форму вставки. Мат также создает поверхность склейки для последующего покрытия наполненной полиэфирной шпатлевкой. Отвержденная поверхность шпатлевки затем была механически обработана до нужных размеров. Финишное покрытие было сделано при помощи праймера. Полностью упакованные в пластиковую оболочку вставки были доставлены на верфь судостроителя.

 

Судостроение - кульминация скрупулезного процесса

Cavileer сейчас производит матрицы на вставках, используя комбинацию 0/90 ткани из Е-стекла, усиленной рубленным стекломатом. От 8 до 10 слоев создадут конечный ламинат, полной толщиной около 1 дюйма. Вспомогательная структура для матрицы корпуса примерным весом 10000 фунтов будет состоять из деревянных и стальных опорных салазок, чтобы иметь возможность транспортировки по верфи судостроителя.

 

Специалисты Cavileer укладывают матрицу корпуса Cavileer 44 на вставку, используя предварительно раскроенные материалы на видных местах. Источник: Cavileer Boatworks

 

ДиДонато из компании судостроения Cavileer говорит, что матрицы должны быть закончены в конце года и изготовление первых лодок будет начато сразу после этого. Он полагает, что от 6 до 12 лодок стоимость $750,000 будут изготавливаться каждый год и что модель будет существовать на рынке в течение 10 лет.

Части будут изготовлены с использованием гелькоута с низкой эмиссией стирола и скинкоута, состоящего из рубленного стекломата, для предотвращения любого отпечатка тканого стекловолокна. Специалисты обучены процедурам укладки, что гарантирует полное смачивание скинкоута, что предотвратит возможный доступ воды и последующие вздутия на поверхности корпуса. Приблизительно 8 слоев комбинированного материала из тканого Е-стекла/мата создадут цельный ламинат корпуса, и оболочки сэндвич панелей будут толщиной 4-5 слоев, с каждой стороны бальзы толщиной 18.75-25 мм. Cavileer использует универсальную винилэфирную смолу от Ashland Specialty Chemical Co., Composite Polymers Div. (Columbus, Ohio, U.S.A.). Части будут закрыты вакуумным мешком и подвержены отверждению при комнатной температуре.

ДиДонато говорит, что Cavileer предпочитает использовать технологии ручной укладки, которые являются «солью» производства на рынке яхт, частично делающихся на заказ. Одна из причин состоит в том, что все материалы, включая армированные и сердцевины, предварительно раскроены и уложены в коробочные наборы дистрибьютором Mahogany, что очень сильно упрощает процесс и делает части гораздо более совместимыми, чем в прошлом, объясняет ДиДонато. Вероятнее всего в ближайшем будущем Cavileer не будет использовать закрытое формование при помощи инфузии. «Наборы улучшили контроль качества, ускорили процесс и мы сохраняем время и деньги», говорит ДиДонато. «Мы знаем точный вес, что делает конечный продукт согласующимся с дизайном».