Чем достигается обеспечение продольной прочности судна

Обновлено: 23.04.2024

Корпус судна во время постройки, эксплуатации и ремонта испытывает различные по величине и характеру нагрузки. На него постоянно действует сила тяжести, медленно изменяющаяся во времени в зависимости от состояния нагрузки. Во время постройки или докового ремонта она уравновешивается реакциями построечных или доковых опор. При плавании в условиях спокойного моря (на тихой воде) сила тяжести уравновешивается силами поддержания, которые легко и точно можно рассчитать по масштабу Бонжана, предварительно определив осадки носом и кормой. Но равновесие существует для судна в целом. Если мысленно разрезать его в плоскости каждого теоретического шпангоута на элементарные отсеки, способные сдвигаться в вертикальном направлении относительно друг друга, то окажется, что в одном отсеке силы тяжести больше, чем силы поддержания (например, в оконечностях), в другом - меньше. В результате возникает общий продольный изгиб корпуса. У большинства грузовых судов как в грузу, так и балласте на тихой воде наблюдается перегиб - опускание оконечностей, когда палуба растягивается, а днище сжимается; для танкеров в полном грузу характерен прогиб (палуба сжата, днище растянуто). На волнении силы поддержания изменяются (с периодом порядка 10 с или несколько меньше), что вызывает изменение напряжений от общего изгиба. На вершине волны наблюдается максимальный перегиб, на подошве - максимальный прогиб. Судно на волнении испытывает качку, при которой появляется множество других сил (силы инерции самого судна, гидродинамические силы сложной структуры, ударные нагрузки, обусловленные ударами волн в днище - слемингом или в развал борта в надводной части), оказывающих влияние на суммарный изгибающий момент.

Различают общую и местную прочность судна. Общая прочность - это прочность корпуса судна в целом, с учетом нагрузок, распределенных по всей длине. Для большинства судов рассматривается общая продольная прочность, связанная с изгибом в вертикальной плоскости. При плавании косым курсом по отношению к волнению определенную опасность может представлять изгиб в горизонтальной плоскости, когда один борт растягивается, а другой - сжимается. Иногда приходится учитывать поперечную прочность, в частности, для широких низкобортных судов с большим раскрытием палубы и для плавучих доков, а также прочность при скручивании. Местная прочность - это прочность отдельных перекрытий, балок, рам, пластин в составе корпуса.

Всякий расчет прочности связан с решением трех взаимосвязанных проблем: внешних сил (нагрузок, действующих на корпус судна и его конструкции), внутренних сил (нормальных и касательных напряжений, возникающих в элементах конструкции при действии заданной системы внешних сил) и оценки прочности (нормирования допускаемых напряжений и т.п.).

Общая прочность судна рассчитывается, исходя из критериев предельной и усталостной прочности. Критерий предельной прочности предполагает, что при однократном воздействии максимальной опасной волны корпус судна не разрушится, т.е. наибольшие растягивающие напряжения не превысят предел текучести материала корпуса, с учетом потери устойчивости отдельных сжатых связей (выпучивания пластин). Усталостная прочность учитывает возможность появления трещин при многократном (циклическом) нагружении. Важно, что для каждого расчета регламентируются характеристики расчетной волны и способы определения изгибающих моментов. Кроме того, устанавливаются нормы допускаемых напряжений. Не следует думать, что при эксплуатации судна никогда не могут возникнуть изгибающие моменты, превышающие расчетный - во-первых, современное состояние науки не позволяет найти максимально возможные нагрузки, во-вторых, экономически выгоднее допустить с малой вероятностью перелом корпуса, но избежать чрезмерного утяжеления корпусов всех судов без исключения.

Оценка прочности конструкций при изгибе производится путем сопоставления напряжений, возникающих при действии расчетной нагрузки на конструкцию, с допускаемыми, зависящими от применяемого материала и условий работы (например, вида нагрузок - статические или динамические).

Нормальные (растягивающие или сжимающие) напряжения при изгибе (корпуса судна или отдельных балок) рассчитываются по формуле, полученной в науке «сопротивление материалов»:

где M - изгибающий момент в расчетном сечении,

W - момент сопротивления сечения, зависящий от его формы и размеров. Например, для прямоугольника шириной b и высотой h

При проектировании судна толщины листовых конструкций, в первую очередь палубы и днища, определяются с учетом изгибающих моментов, возникающих в корпусе на расчетной волне, за исключением небольших судов, для которых эти толщины определяются, главным образом, из соображений местной прочности и коррозионного износа за срок службы (примерно 20 - 25 лет). При этом необходимо обеспечить требуемый момент сопротивления эквивалентного бруса по обоим критериям.

Эквивалентный брус - это схематизированное поперечное сечение судна в средней части по его длине. В состав эквивалентного бруса включаются все непрерывные продольные связи, имеющие достаточную протяженность. В составе корпуса имеются так называемые “прерывистые связи”, например, надстройки, комингсы грузовых люков и т.п., включение которых в состав эквивалентного бруса производится по определенным правилам. Если некоторые сжатые пластины или балки продольного набора при расчетной нагрузке теряют устойчивость, их площадь соответственно уменьшается.

Определение характеристик эквивалентного бруса производят в таблице, примерный вид которой приведен в табл. 10. В таблицу заносятся данные для половины сечения; толщины связей, расположенных в ДП, при определении площадей делятся пополам. Значения в таблице - условные.

Т а б л и ц а 10

Расчет эквивалентного бруса

№	Наименование связей	Размеры, мм	F, см 2	z, м, от ОС	Fz, см 2 м	Fz 2 , см 2 м 2	i, см 2 м 2
Настил верхней палубы	6000*14	5,5
Ширстрек	1600*16	5,0
.	.
Горизонтальный киль	1600*16	-5,0	-1280
Итого	А	е=В/А	В	С

Здесь F - площади продольных связей, включенных в состав эквивалентного бруса, z - отстояния их ЦТ от горизонтальной оси сравнения, положение которой выбирают произвольно, но лучше, если оно будет близким к действительному положению нейтральной оси, т.е. примерно посередине высоты миделевого сечения, Fz - статические моменты площадей, Fz 2 - переносные, а i - собственные моменты инерции. А, В, С - суммы чисел в соответствующих столбцах (С - в двух последних). Теперь момент инерции эквивалентного бруса можно найти по формуле:

а момент сопротивления - по формуле

где z_max - максимальное (по абсолютной величине) отстояние связи (как правило, палубы, иногда днища) от нейтральной оси (не от оси сравнения).

Изгибающие моменты в миделевом сечении рассчитывают по формулам, приведенным в Нормах прочности, в зависимости от размеров и других характеристик судна и высоты расчетной волны.

Местная прочность перекрытий и их элементов (балок, пластин), рам, а также других конструкций проверяется на действие определенных расчетных нагрузок, чаще всего обусловленных давлением воды (для палуб и борта; для днищевых перекрытий учитывается противодавление груза). При этом в практических расчетах используются сравнительно несложные расчетные схемы и методы расчета. В последние годы, благодаря успехам науки о прочности и быстрому совершенствованию вычислительной техники, начинают применяться усложненные расчеты, когда общие и местные нагрузки не разделяются, а их воздействие на конструкции оценивается совместно. Для этой цели в разных странах разработаны специальные компьютерные программы. Широкое внедрение таких программ в практику проектирования судовых корпусов в известной мере ограничивается несовершенством норм прочности - выясняется, что без их корректировки более точные методы расчетов ведут к утяжелению конструкций.

Кроме нагрузок, возникающих при плавании судов на волнении, приходится особо рассчитывать прочность при спуске с наклонного стапеля, при постановке в док, когда на отдельные конструкции корпуса действуют повышенные сосредоточенные нагрузки, способные вызвать повреждения.

При погрузке или выгрузке груза корпус судна будет подвержен изгибу.

Общей прочностью корпуса судна называется прочность судна при общем продольном изгибе. При прогибе палуба оказывается сжатой, а днище растянутым, при перегибе - наоборот.

На практике расчету подлежит только продольная прочность судна, так как поперечная прочность судна заведомо обеспечена. Равномерное распределение груза по грузовым помещениям судна не всегда представляется возможным.

Так, при перевозке навалочных грузов с небольшим удельным погрузочным объемом, применяется схема чередующей загрузки трюмов, обеспечивающая понижение остойчивости и достаточную продольную прочность.

В Информации об остойчивости и прочности грузового судна для капитана помещаются типичные варианты загрузки судна (не менее 20), служащие для облегчения расчета состояния судна при его загрузке.

Напряженное состояние корпуса судна определяется изгибающим моментом и перерезывающей силой,действующих на судно в различных его поперечных сечениях.

Изгибающие моменты, возникающие в различных поперечных сечениях корпуса судна, подразделяют на:

изгибающие моменты, возникающие при плавании судна на тихой воде;

дополнительные изгибающие моменты, возникающие при плавании судна на волнении в результате перераспределения сил плавучести по длине судна;

дополнительные динамические изгибающие моменты, действию которых судно периодически подвергается при ходе на волнении вследствие ударов днищем о воду.

Соответственно подразделяют и перерезывающие силы в поперечных сечениях корпуса.

С точки зрения общей продольной прочности наиболее неблагоприятными являются такие положения судна, когда его мидель-шпангоут располагается:

на вершине волны (силы плавучести на этом участке возрастают, а к оконечностям убывают. Наблюдается перегиб);

на подошве волны (силы плавучести посередине уменьшаются, а к оконечностям возрастают. Наблюдается прогиб).

Проверку прочности корпуса судна по изгибающему моменту выполняют по Диаграмме общей прочности или Таблицам изгибающих моментов и перерезывающих сил. Различают кроме общей прочности местную прочность, т. е. допустимую нагрузку на палубы трюмов, твиндеков, главную палубу и крышки трюмов. Ее значение дается в Информации об остойчивости и прочности для капитана.

На всех транспортных судах имеется компьютерная программа для расчета посадки, прочности и остойчивости конкретного судна. Эта программа подвергается освидетельствованию Регистром и только после ее одобрения может использоваться как грузовой инструмент.

Прочностью судна называется способность его корпуса не разрушаться и не изменять своей формы под действием постоянных и временных сил. Различают общую и местную прочность судна.

Общей продольной прочностью корпуса судна называется его способность выдерживать действие внешних сил, приложенных по длине.

Общая прочность судна обеспечивается водонепроницаемой оболочкой, которой служит обшивка и верхняя палуба, настил других палуб, продольные переборки с подкрепляющими их конструкциями и всеми конструктивными связями, имеющими длину больше высоты борта.

Местной прочностью корпуса называется способность его отдельных конструкций противостоять дополнительному воздействию сил: главным образом давлению забортной воды и сосредоточенным нагрузкам.

Для обеспечения местной прочности отдельных конструкций предусматривают их специальное местное подкрепление.

Кроме прочности, конструкции судна должны обладать также устойчивостью, т. е. они не должны изменять своей формы под действием сжимающих усилий (например, не должно происходить выпучивания палуб, изгиба переборок и т. п.). Для обеспечения необходимой устойчивости конструкций на них устанавливают дополнительные ребра жесткости или другие какие-либо подкрепления.

Расчет общей прочности судна сводится к определению размеров его прочных связей и вычислению внутренних напряжений, возникающих в них под действием приложенных сил. Если возникающие напряжения не превосходят допускаемых для данного материала, то прочность судна обеспечена; если же —наоборот, то следует увеличить размеры связей и вновь произвести расчет прочности. Для такого расчета необходимо знать момент сопротивления поперечного сечения посредине длины корпуса судна.

В строительной механике корпус принимается как пустотелая составная балка сложной конструкции. Расчет такой балки сводится к вычислению момента сопротивления так называемого эквивалентного бруса , представляющего собой условную составную балку, отдельные части которой имеют площадь и расположение по высоте, аналогичные соответствующим элементам прочных связей корпуса, участвующим в обеспечении продольной прочности судна.

Приближенно наименьшее значение момента сопротивления определяется по формуле

где η — коэффициент утилизации площади сечений, равный 0,5— 0,55;

F — площадь сечения продольных связей;

Н — высота борта судна. Внутренние напряжения б вн при изгибе балки, как известно, находят по формуле

где М — наибольший изгибающий момент по длине судна. Изгибающий момент зависит от водоизмещения и длины судна и выражается зависимостью

где k — коэффициент пропорциональности, изменяющийся в пределах от 20 до 40 в зависимости от типа судна.

Важное

Ходовые испытания подлодки "Алроса" продолжились

Важное

На "Севмаше" внедряют еще один метод для ускорения производства подлодок

Важное

Источник рассказал о возможном увеличении количества атомных подлодок нового поколения

Проверка продольной прочности судна является одним из важных факторов обеспечения безопасного плавания. Оценка продольной прочности необходима, так как загрузка судна в реальных условиях существенно отличается от проектных вариантов. Оценить необходимо общую прочность корпуса судна и местную прочность судовых конструкций.

9.1. Проверка общей прочности

Критерием оптимальной загрузки с точки зрения общей прочности, является отношение фактической полусуммы моментов сил дедвейта без учета знака к его оптимальному значению, обеспечивающему минимальное значение момента:

Таким образом, можно сказать, что судно удовлетворяет условиям сохранения общей прочности.

9.2. Проверка местной прочности

Численное значение технически допустимой нагрузки на верхнюю палубу и крышки люков – 1,6 т/м 2 ; на палубу 1,2,3 и 4 твиндеков – 3,0 т/м 2 ; 5 твиндека – 3,9 т/м 2 ; на палубы трюмов - 9,5 т/м 2

Для помещений, загруженных однородным грузом либо при послойной загрузке, фактическая нагрузка на один квадратный метр площади определяется как отношение массы груза в данном помещении ( ) к площади помещения ( ):

Так для твиндека №1 эта величина составит:

т/м 2

При композитной загрузке, а также для концевых помещений, если в разных частях помещения находятся различные грузы, фактическую нагрузку можно определить как сумму нагрузок от всех грузов, расположенных по вертикали с учетом высоты слоя груза и удельного погрузочного объема груза:

где - высота слоя груза, м;

- удельный погрузочный объем груза с учетом сепарации, м 3 /т

Для трюма №1 эта величина составит:

т/м 2

Критерий оценки рациональной загрузки с точки зрения местной прочности – это отношение фактической нагрузки к технически допустимой:

Например, для трюма №1 он будет следующим:

Данные по остальным всем грузовым помещениям представлены в табл. 9.1.

Таблица 9.1. Оценка местной прочности

Наименование судового помещения	Технически допустимая нагрузка, т/м 2	Фактическая нагрузка, т/м 2	Критерий оценки рациональной загрузки
трюм 1	9,5	3,24	0,341
твиндек 1	2,86	0,953
твиндек под баком	2,95	0,983
трюм 2	9,5	4,46	0,469
твиндек 2	1,0
трюм 3	9,5	3,065	0,323
твиндек 3	2,67	0,890
трюм 4	9,5	5,71	0,601
твиндек 4	1,75	0,583
трюм 5	9,5	8,22	0,865
твиндек 5	3,9	1,937	0,497

Таким образом, местная прочность судовых конструкций не нарушается, т.е. загрузка судна проведена верно.

Выбранные ранее размеры связей корпуса получены из условия обеспечения местной прочности, поэтому необходимо проверить, будут ли продольные связи, входящие в состав эквивалентного бруса удовлетворять условию общей прочности при общем изгибе судна.

В соответствии с требованиями Правил [1] изгибающий момент судна на тихой воде должен вычисляться интегрированием нагрузки для 21 равноотстоящей ординаты.

При этом расчеты выполняются для нескольких состояний нагрузки.

Изгибающие моменты на тихой воде вычисляем по приближенной формуле для одного состояния нагрузки- в полном грузу с полными запасами.

14.1 Изгибающие моменты и перерезывающие силы на тихой воде.

Изгибающие моменты на тихой воде вычисляются по формуле:

М_тв= = =-132069 кНм; (14.1)

где k-коэффициент, который можно определить по статистическим данным в зависимости от расположения машинного отделения и коэффициента полноты, к=39.

Перерезывающие силы на тихой воде.

N_тв= = =-6215 кНм.

Судно в полном грузу испытывает прогибь.

14.2 Изгибающие моменты и перерезывающие силы на волнении.

Изгибающие моменты при движении судна на волнении определяются по приближенной формуле. Основным параметром расчетных нагрузок является высота расчетной волны, пропорциональная величине С_w, равной 7,276.

Волновой изгибающий момент, вызывающий перегиб судна определяется по формуле[1]:

M_w=190С_wBL 2 δ10 -3 =190·7,276·16·85 2 ·0,739·10 -3 =118100 кНм; (14.2)

Волновой изгибающий момент, вызывающий прогибь судна определяется по формуле[1]:

M_w=-110С_wBL 2 (δ+0,7)10 -3 =-110·7,276·16·85 2 ·(0,7+0,739)·10 -3 =-133139 кНм (14.3)

Волновые перерезывающие силы в районе мидельшпангоута:

-на вершине волны (перегиб)

-на подошве волны (прогибь)

Nw=-21СwBL(δ+0,7)10 -2 =-21·7,276·16·85·(0,7+0,739)·10 -2 =-2990 кН.

Для судов ограниченного района плавания волновые изгибающие моменты необходимо умножать на редукционный коэффициент.

φ =1,1-0,23·85·10-2=0,9 . (14.4)

Тогда изгибающие моменты:

на вершине волны

на подошве волны

14.3 Изгибающий момент при ударе волн в развал борта

Изгибающие моменты, связанные с ударами волн в развал борта характерны для судов с большими скоростями хода и возникают при плавании в полном грузу. При ударе волн в нос изгибающий момент всегда отрицательный, и судно испытывает прогибь. Этот расчет проводится для судов от 100м до 200м.

Так как судно длиной менее 100м, то изгибающий момент при ударе волн в развал борта будет равен нулю.

14.4 Суммарные изгибающие моменты

Определение суммарных изгибающих моментов ведем в таблице 14.1.

Таблица 14.1 Расчет суммарных изгибающих моментов

Моменты кНм	Подошва волны	Вершина волны
Тихая вода	-132069	-132069
Волнение	-120424
Удар в развал борта
Суммарный	-252493	-25248

Дальнейший расчет ведем для наибольшего по абсолютной величине суммарного изгибающего момента.

14.5 Нормируемый момент сопротивления и момент инерции поперечного сечения корпуса

Для обеспечения общей продольной прочности момент сопротивления для палубы и днища не должен быть менее:

W= 10 3 = 10 3 =1,44·106 см 3 , (14.5)

σ= =175 МПа (η=1).

Во всех случаях моменты сопротивления поперечного сечения корпуса для палубы и днища должны быть не менее:

W_min=С_wBL 2 (δ+0,7) η=7,276·16·85 2 ·(0,7+0,739)1=1,21·106 см 3

Для судов ограниченного района плавания минимальный момент сопротивления нужно умножить на редукционный коэффициент φ.

W’_min= 0,9·1,21·10 6 =1,0·10 6 см 3 . (14.6)

Из формул(14.5) и (14.6) выбираем наибольший момент сопротивления.

В результате принимаем W=1,44·10 6 см 3

Момент инерции поперечного сечения корпуса должен быть не менее

I_min=3С_wBL 2 (δ+0,7) =3·7,276·16·85 2 ·(0,7+0,739)=3,08·10 8 см 4

Для судов ограниченного района плавания минимальный момент сопротивления нужно умножить на редукционный коэффициент φ, определяемый по формуле:

φ0= φη ,

где φ-коэффициент по (14.4) = 0,9; η=1;( ) max –максимально допустимое Регистром отношение длины к высоте борта.=

φ0= 0,90·1 =0,86

I_min=3,08·10 8 ·0,86=2,65·10 8 см 4 , (14.7)

14.6 Определение фактических моментов сопротивления и моментов инерции поперечного сечения корпуса

Расчет геометрических характеристик эквивалентного бруса ведем в таблице 14.2, с использованием рисунка 14.1.

Ввиду симметрии корпуса относительно диаметральной плоскости в таблице 14.2 приведены продольные связи, расположенные на полуширине судна. Условная ось совмещена с основной плоскостью, проходит по верхней поверхности горизонтального киля.

Отстояние от нейтральной оси поперечного сечения корпуса от условной оси: