Натяжение ткани ПВХ надувного баллона: расчет нагрузки
Маломерные суда из ткани ПВХ в рабочем состоянии требуют определенного избыточного давления в надувных частях. При этом судно получает достаточную жесткость конструкции, - полезное качество, обеспечивающее широкий спектр эксплуатационных возможностей.
Для бортовых баллонов рабочее избыточное давление составляет в большинстве случаев 250 мБар.
Много это или мало? Какую нагрузку испытывает ткань и каков предел ее прочности?
Чтобы ответить на этот вопрос, следует выполнить простой расчет натяжения ткани ПВХ под действием избыточного давления в баллоне и сравнить с предельной прочностью на разрыв. Предельная прочность на разрыв – обязательный параметр спецификации любой ткани ПВХ, используемой для судостроения.
Предварительно оговоримся, что термин «натяжение» более подходит для тканей. Однако если речь идет абстрактно о тонкой стенке цилиндрического сосуда, оболочке, - то более уместен термин «напряжение». Будем считать эти термины взаимозаменяемыми.
Образно говоря, натяжение ткани, оно же напряжение, – это сила, которая тянет ткань в противоположные стороны. Если оперировать физическими величинами измерения в системе СИ, то идею можно сформулировать так: натяжение ткани – это сила в ньютонах, которая тянет кусок ткани шириной 1 метр.
В цилиндрических частях под давлением (т.е. баллонах) напряжение действует в любой точке в двух направлениях: вдоль борта баллона, пытаясь растянуть баллон в длину, и по касательной к окружности баллона, пытаясь раздуть баллон. При этом последнее, так называемое радиальное напряжение, согласно математическим уравнениям, ровно в два раза больше, и, соответственно, именно радиальное напряжение следует использовать для расчета допустимых нагрузок.
Уравнение для расчета радиального напряжения выглядит так:
T = P×r
где:
T – радиальное напряжение, Н/м;
P – избыточное давление в баллоне, Па;
r – радиус баллона, м.
Из уравнения видно, что натяжение, т.е. нагрузка на ткань ПВХ, зависит так же от радиуса баллона. При одном и том же давлении нагрузка на ткань в баллоне меньшего диаметра будет меньше, чем в баллоне большого диаметра.
Поэтому при рассуждениях о действии давления на ткань следует всегда оговаривать, каков диаметр баллона. Возьмем, к примеру, надувной элемент днища низкого давления диаметром 10 см, и бортовой баллон диаметром 60 см. В этом случае при равных значениях избыточного давления натяжение ткани ПВХ будет различаться в шесть! раз. Этим объясняется то обстоятельство, что при давлении в элементах днища низкого давления 250 мБар днище выглядит "не докаченным" и прогибается даже при небольшом весе. Чтобы придать надувному днищу необходимую жесткость, его спокойно без ущерба для прочности ткани ПВХ можно надувать до 400 мБар.
Вернемся к расчетам. Определим значение натяжения ткани в баллоне диаметром 40 см (радиус соответственно 20 см) с избыточным давлением 250 мБар.
Приведя исходные данные к единицам измерения в системе Си, получим радиус 0.2 м и избыточное давление 25000 Па. Для упрощения расчетов, но без серьезного ущерба для точности, мы использовали коэффициент перевода давления 1 Бар = 100000 Па.
Итак, для нашей задачи получаем
T = 25000×0.2 = 5000 Н/м
Для наглядности можно ньютоны перевести в килограммы, используя коэффициент пересчета 10:1.
Тогда результат можно представить так: на ткань шириной 1 метр действует сила 500 кг. Впечатляющее значение. Если отнести к 1 см, то получится, что на ткань ПВХ шириной 1 см действует сила 5 кг.
Возникает резонный вопрос: на какую нагрузку расчитана ткань ПВХ?
Для этого следует изучить товарные спецификации. Для тканей ПВХ, используемых в судостроении, значение предельной нагрузки на разрыв (далее будем использовать термин «прочность на разрыв»), составляет от 2200 до 4500 Н/50мм. Обратите внимание, что прочность выражается по отношению на 50 мм ткани. Это связано с методикой определения показателей в соответствии с определенным стандартом. Подробнее об этом можно прочесть в нашем материале.
Напомним, для условий рачетного примера мы получили значение 5000 Н/м. По отношению к 50 мм получим 5000×50/1000=250 Н/50мм.
Как видим, ткани ПВХ для судостроения обладают значительным, в данном случае практически десятикратным, запасом прочности.
Итак, расчет натяжения ткани ПВХ надувного баллона достаточно прост. Полученные значения для рекомендованного рабочего давления значительно ниже предела прочности ткани.
Однако следует заметить, что ткань надувного баллона – не единственный элемент, подверженный действию нагрузки. Необходимо также принимать во внимание предельную прочность клеевых соединений, как технологически сложных и ответственных элементов конструкции.
По поводу грыж на баллонах за нас уже все написали "ТУГУНовци"
) неизбежно приведет к увеличению скорости на 30%, если Вы не будете сознательно "тормозить" 
Есть резерв уменьшить ее до 4 кг. 