Какие параметры оказывают влияние на обеспечение начальной поперечной остойчивости судна

Обновлено: 26.04.2024

Необходимость обеспечения безопасности мореплавания судов привело человечество к созданию нормативных материалов, подчиняющих все сферы деятельности кораблестроителей и мореплавателей – от проектирования судна до его эксплуатации – определенным нормативам и регламентациям. Разные государства шли в направлении решения вопросов безопасности своими путями. Однако, в конце ХХ века появилась необходимость координации деятельности разных государств в этой области и наметилась тенденция к созданию единых нормативов и расчетных методик для всего мирового флота.

В первую очередь, это касалось обеспечения безопасности путем строгого контроля характеристик остойчивости, поскольку именно недостаточность остойчивости обуславливает аварийность флота, связанную с человеческими жертвами. Рациональное, обоснованное расчетами, проектирование судов не могло полностью решить эту проблему.

Проектант не в состоянии полностью оградить экипажи судов (и пассажиров) от возможности опрокидывания судна, поскольку большая доля ответственности ложится на судоводителей и определяется его грамотными и обоснованными действиями по загрузке судна, её контролю и управлению судном в штормовых условиях.

Начиная с 50-х годов ХХ века в классификационных обществах разных государств, в том числе в Регистре СССР, стали разрабатывать расчетные методики контроля загрузки и остойчивости морских судов. В результате к концу ХХ века существовало несколько разных подходов к оценке остойчивости, которые, каждый в отдельности, обеспечивал определенный уровень безопасности судов от опрокидывания, но которые невозможно было сопоставить друг с другом по причине различия подходов, реализованных в разных странах.

В нашей стране вопросами разработки нормативной базы остойчивости морских судов по заказу Регистра СССР занимался проф. С.Н.Благовещенский. Им были предложены идейные основы научного подхода, который развивался под руководством Регистра судостроительными организациями и учреждениями морского транспорта.

В качестве расчетной ситуации, положенной в основу отечественного подхода в нормировании характеристик остойчивости, была выбрана следующая:

Необходимо перед началом погрузки судна выполнить контрольный расчет остойчивости в предстоящем рейсе для двух состояний его загрузки – на момент начала рейса с полными запасами (100% запасов) и на окончания рейса с неизменным количеством груза, но с остатком запасов в размере 10% исходного их количества.

Большинство контролируемых характеристик остойчивости относится к диаграмме статической остойчивости для этих двух случаев загрузки судна в планируемом рейсе.

К ним относятся:

начальная поперечная метацентрическая высота, исправленная на влияние свободных поверхностей запасов и жидких грузов. h₀ испр ≥0;
максимальное плечо ДСО l_m должно быть не менее 0,20 м (для судов длиной более 105 м) и не менее 0,25 м (для судов длиной менее 80 м). Для судов, длина которых 80Lм, предельное значение l_m определяется линейной интерполяцией между указанными величинами;
угол максимума ДСО не должен быть менее 30 0 ;
угол заката ДСО не должен быть менее 60 0 ;
отношение минимального опрокидывающего момента М_опрmin к динамическому кренящему моменту от шквалистого ветра М_{кр. дин} должно быть больше единицы. Последнее требование получило название «Критерий погоды».

Для ряда специализированных судов (пассажирские суда, лесовозы, контейнеровозы, суда ограниченного района плавания, буксиры, плавкраны, дноуглубительные снаряды и т.д.) были разработаны и другие специфические критерии и соответствующие нормативы. Эти сведения изложены в Разделе 2 «Правил классификации и постройки морских судов» Российского морского Регистра судоходства, переиздаваемых каждые пять лет.

Критерий погоды для морских судов определяется применительно к ситуации, когда судно, лишенное хода и управления, находится на волнении при действии шквалистого ветра в положении лагом к волне. Характеристики ветра, волнения и бортовой качки назначаются Регистром конкретно для каждого судна в зависимости от разрешенного ему района плавания.

Расчет носит условный характер, и не должен восприниматься буквально и связываться с реальными условиями нахождения судна в море. На момент производства расчета судно еще не загружено и рейс ему только предстоит. Находясь лагом к волнению и ветру, судно испытывает бортовую качку с условной амплитудой θ_r (симметрично на правый и левый борт).

В момент наибольшего накренения судна на левый борт на угол θ_r внезапно воздействует шквал со стороны левого борта. Под влиянием качки судно переваливается на правый борт, а шквал способствует его дальнейшему наклонению. В этой ситуации необходимо определить минимальный опрокидывающий момент М_опр min с помощью ДДО, которая должна быть построена заранее по имеющимся уже диаграммам статической остойчивости (ДСО), также для обоих состояний загрузки судна (100% и 10% запасов).

Полученное значение минимального опрокидывающего момента (это числитель в критерии погоды) сопоставляется со значением кренящего динамического момента от шквалистого ветра, характерного для рассматриваемого района плавания судна М _{кр. дин}:

где р_в – давление ветра по Регистру [кг · м -2 ],

F_п и z_п – соответственно площадь боковой парусности и аппликата центра парусности судна, соответствующие данной средней осадке d_ср. (z_п отсчитывается от основной плоскости судна), коэффициент 0,001 необходим для согласования размерностей участвующих величин).

Минимальный опрокидывающий момент М_опр min определяется на ДДО по методике Регистра судоходства. Вычисляется условная амплитуда бортовой качки θ_r по формулам и таблицам Раздела 2 Правил РС [3]. Эта величина угла крена откладывается на ДДО от начала координат влево и вправо. Соответствующие углу крена ± θ_r точки на ДДО показывают тот диапазон изменения механической работы, которую восстанавливающий момент должен совершать в ответ на раскачивание судна на волнах.

Оставшиеся вне этого диапазона участки ДДО – это тот резерв, имеющийся у судна, который остается для противодействия шквалистому ветру.

Из левой части ДДО необходимо провести касательную к ДДО в ее правую часть.

Эта касательная есть график работы, совершаемой кренящим ветровым моментом, опрокидывающим судно.

Тангенс угла наклона этого графика (прямой касательной линии) к горизонту численно равен в масштабе чертежа минимальному опрокидывающему моменту, который следует использовать в качестве числителя в выражении критерия погоды:

Критерий погоды считается удовлетворен, если его значение по формуле (16) не менее единицы. Величину Критерия погоды можно трактовать – как некий показатель запаса динамической остойчивости, которым располагает судно в данном районе плавания, хотя в Правилах Регистра об этом не сказано.

Целью данного расчета Критерия погоды К_п является подчинение остойчивости судна тем силовым воздействиям со стороны совместного воздействия ветра и качки, с тем, чтобы загрузка судна обеспечивала запас остойчивости для противодействия судна морской стихии.

Опрокидывающий момент в данной методике действительно оказывается минимальным (но всё же опрокидывающим судно), из трех возможных вариантов, когда ветер (шквал) действует в момент наклонения судна на левый борт (точка А), на правый борт (точка В) или в момент прохождения судном вертикального положения (точка θ = 0).

Необходимую величину тангенса угла β_опр на Рис.12 можно получить, если от вершины угла β_опр отложить по горизонтали отрезок длиной 57,3 0 (1рад) и измерить вертикальный катет образовавшегося треугольника (между горизонтальной линией АВ и касательной АС в масштабе вертикальной оси l_дин (м · рад)).

Полученный отрезок l_дин опр пересчитывается в М_опр min умножением на вес судна Р:

Критерий погоды не изменится, если представить числитель и знаменатель в относительных величинах, разделив оба на вес судна Р:

Величина в знаменателе (18) может быть названа «плечом динамического кренящего момента», хотя не следует искать ей какой-либо геометрической интерпретации.

Международная Морская Организация (ИМО), основанная в 1948 в Лондоне, осуществляет деятельность по координации усилий в части нормирования остойчивости в разных странах и по созданию единых международных норм по остойчивости морских судов. В настоящее время эта деятельность продолжается, и, хотя такие нормы еще находятся в стадии разработки, уже действуют Временные нормы в виде Кодекса ИМО по остойчивости судов 1993 г.

Нормативы Временного Кодекса ИМО изложены в Правилах Регистра судоходства [3], начиная с издания 1995 г. в Приложении к Разделу 2 «Альтернативные требования к остойчивости морских судов». Альтернативный характер требований ИМО допускает их использование на усмотрение судоходной компании наряду с Нормами Российского Регистра судоходства.

Однако, подход, реализуемый ИМО в данном вопросе, существенно отличается от отечественного подхода практически по всем пунктам требований к остойчивости. Это принципиально иной подход, как по нормативам, так и по их выбору и методике определения Критерия погоды.

Рассмотрим основные требования Альтернативного подхода в Правилах РС:

Однако, допускается снижение угла заката θ_з менее 60 0 , если удастся компенсировать это увеличением l – на каждый потерянный 1 0 угла заката θ_з добавляется 0,01 м величины минимального значения l_m сверх 0,20 м (до θ_з > 50 0 ).

Также контролируются площади трех участков ДСО:

площадь части ДСО в пределах углов крена θ = 0 – 30 0 ,

S (0 – 30 0 ) ≥ 0.055 м · рад;

площадь части ДСО в пределах углов крена θ = 30 0 – 40 0 ,

S (30 0 – 40 0 ) ≥ 0.030 м · рад;

площадь части ДСО в пределах углов крена θ = 0 – 40 0 ,

S (0 – 40 0 ) ≥ 0.090 м · рад;

угол заливания должен быть не меньше угла заката ДСО.

Также контролируется соотношение между минимальным опрокидывающим моментом при качке и кренящим динамическим моментом от шквала в положении лагом к волне (аналог отечественного критерия погоды К_п).

В этом пункте отличия подхода ИМО и Регистра проявляются в наибольшей степени:

рассматривается совместное воздействие постоянного ветра и шквалистого порыва ветра;
бортовая качка имеет несимметричный характер и отсчитывается от угла статического крена от действия постоянного кренящего момента от постоянного ветра;
давление постоянного ветра принимается одинаковым для всех судов р_в = 504 Па;
давление ветра в шквале не участвует в расчете, а просто плечо кренящего момента от шквала l_кр.дин принимается в полтора раза больше кренящего плеча от статического ветра l_кр.ст :

необходимо добиться, чтобы площадь в участка ДСО (Рис. 14) оказалась бы больше площади а участка ДСО между углом крена θ_r левого борта до угла крена от действия динамического момента от шквала.

Угол статического крена от действия постоянного ветра θ_о со стороны левого борта получают на ДСО как абсциссу точки пересечения графика плеча статического кренящего момента.

где р_в = 504 Па, F_п и z_п – площадь парусности и аппликата центра парусности судна.

Вычисление площади в на ДСО осуществляют между точкой пересечения горизонтальной линии l_дин = 1,5 l_ст и оканчивая ее вычисление либо при θ = 50 0 , либо в точке пересечения ДСО с линией l_дин = 1,5 l_.ст , смотря какая точка окажется левее, чтобы получить запас в безопасную сторону.

Как видно, оба подхода в контроле остойчивости отличаются существенно, и сопоставлять их между собой очень трудно.

В связи с этим в настоящее время в разных странах, участниках ИМО ведется исследовательская работа, называемая «гармонизацией требований к остойчивости». ИМО выступает в качестве координатора этой важной работы. Но пока эти исследования не будут завершены, не могут быть сформулированы Единые международные требования к остойчивости морских судов.

Необходимо также подчеркнуть, что действующие в настоящее время методики контроля остойчивости морских судов не охватывают всех возможных ситуаций опрокидывания судна.

Таким образом, обеспечение безопасности плавания судов в значительной степени возложено на судоводителей и зависит от уровня их компетентности, подготовки и опыта практической работы.

Основной характеристикой остойчивости является восстанавливающий момент ,который должен быть достаточным для того, чтобы судно противостояло статическому или динамическому (внезапному) действию кренящих и дифферентующих моментов, возникающих от смещения грузов, под воздействием ветра,волнения и по другим причинам.

Кренящий (дифферентующий) и восстанавливающий моменты действуют в противоположных направлениях и при равновесном положении судна равны.

Различают поперечную остойчивость , соответствующую наклонению судна в поперечной плоскости (крен судна), и продольную остойчивость (дифферент судна).

Продольная остойчивость морских судов заведомо обеспечена и ее нарушение практически невозможно, в то время как размещение и перемещение грузов приводит к изменениям поперечной остойчивости.

При наклонении судна его центр величины (ЦВ) будет перемещаться по некоторой кривой, называемой траекторией ЦВ. При малом наклонении судна (не более 12°) допускают, что траектория ЦВ совпадает с плоской кривой, которую можно считать дугой радиуса r с центром в точке m.

Радиус r называют поперечным метацентрическим радиусом судна , а его центр m - начальным метацентром судна .

Метацентр - центр кривизны траектории, по которой перемещается центр величины С в процессе наклонения судна. Если наклонение происходит в поперечной плоскости (крен), метацентр называют поперечным, или малым, при наклонении в продольной плоскости (дифферент) - продольным, или большим.

Соответственно различают поперечный (малый) r и продольный (большой) R метацентрические радиусы, представляющие радиусы кривизны траектории С при крене и дифференте.

Расстояние между начальным метацентром т и центром тяжести судна G называют начальной метацентрической высотой (или просто метацентрической высотой ) и обозначают буквой h. Начальная метацентрическая высота является измерителем остойчивости судна.

h = zc + r - zg; h = zm ~ zc; h = r - a,

где а - возвышение центра тяжести (ЦТ) над ЦВ.

Метацентрическая высота (м.в.) - расстояние между метацентром и центром тяжести судна. М.в. является мерой начальной остойчивости судна, определяющей восстанавливающие моменты при малых углах крена или дифферента.
При возрастании м.в. остойчивость судна повышается. Для положительной остойчивости суд- на необходимо, чтобы метацентр находился выше ЦТ судна. Если м.в. отрицательна, т.е. метацентр располагается ниже ЦТ судна, силы, действующие на судно, образуют не восстанавливающий, а кренящий момент, и судно плавает с начальным креном (отрицательная остойчивость), что не допускается.

Элементы начальной поперечной остойчивости:

OG – возвышение центра тяжести над килем; OM – возвышение метацентра над килем;

GM - метацентрическая высота; CM – метацентрический радиус;

m – метацентр; G – центр тяжести; С – центр величины

Возможны три случая расположения метацентра m относительно центра тяжести судна G:

метацентр m расположен выше ЦТ судна G (h > 0). При малом наклонении силы тяжести и силы плавучести создают пару сил, момент которой стремится вернуть судно в первоначальное равновесное положение;

ЦТ судна G и метацентр m совпадают (h = 0). Судно будет вести себя неустойчиво, так как отсутствует плечо пары сил.

Физический смысл метацентра заключается в том, что эта точка служит пределом, до которого можно поднимать центр тяжести судна, не лишая судно положительной начальной остойчивости.

называется способность судна, отклоненного внешним моментом от положения равновесия, возвращаться в исходное положение равновесия после устранения момента, вызвавшего отклонение. Различают остойчивость на малых углах наклонения, или начальную остойчивость, и остойчивость на больших углах наклонения.

Элементы начальной поперечной остойчивости

Диаграмма статической остойчивости судна

Остойчивость судна при малых углах наклонения (θ менее 120) называется начальной, в этом случае восстанавливающий момент линейно зависит от угла крена.
Рассмотрим равнообъемные наклонения судна в поперечной плоскости.

Диаграмма динамической остойчивости

На практике часто на судно действует внезапно возникший динамический момент (шквал ветра, удар волны, лопнувший буксир и т. п.). Судно при этом получает динамический угол крена, хотя и кратковременный, но значительно превышающий крен, который мог бы возникнуть при статическом действии этого же момента.

Критерии остойчивости

Правила Регистра ввели следующие критерии остойчивости для всех транспортных судов длиной 20 м и более:
1) критерий погоды К должен быть более или равен единице, т. е. отношение опрокидывающего момента Мопр к моменту кренящему Мкр больше или равно 1;

Обеспечение продольной прочности судна

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.

Правила Регистра ввели следующие критерии остойчивости для всех транспортных судов длиной 20 м и более:

1) критерий погоды К должен быть более или равен единице, т. е. отношение опрокидывающего момента Мопр к моменту кренящему Мкр больше или равно 1;

2) максимальное плечо диаграммы статической остойчивости должно быть не менее 0,25 м для судов длиной L < 80 м и не менее 0,20 м для судов длиной L >105 м при угле крена θ > 30°. Для промежуточных длин судна величина lmax определяется линейной интерполяцией;

3) угол крена, при котором плечо остойчивости достигает максимума, должен быть не менее 30°;

4) угол заката диаграммы статической остойчивости должен быть не менее 60°;

5) начальная метацентрическая высота h при всех вариантах нагрузки, за исключением судна порожнем, должна быть положительной. Случай отрицательной h для варианта нагрузки «судно порожнем» является в каждом случае предметом специального рассмотрения Регистром;

6) критерий ускорения К* должен быть не менее единицы. Критерий ускорения рассчитывается при вариантах сложной загрузки судна, либо при частичной или полной загрузке трюмов грузами с малым удельным погрузочным объемом (свинец и т. п.).

Порядок расчета критериев остойчивости приведен в «Правила классификации и постройки морских судов». Том.1, часть IV «Остойчивость».

Остойчивость с учетом обледенения

Для судов, плавающих в зимнее время в зимних сезонных зонах, помимо основных вариантов нагрузки, должна быть проверена остойчивость с учетом обледенения. При расчете обледенения следует учитывать изменения водоизмещения, возвышения центра тяжести и площади парусности от обледенения.
Расчет в отношении остойчивости при обледенении должен проводиться для наихудшего, в отношении остойчивости расчетного варианта нагрузки. Масса льда при проверке остойчивости для случая обледенения засчитывается в перегрузку и не включается в состав дедвейта судна.

Массу льда на квадратный метр площади общей горизонтальной проекции открытых палуб следует принимать, согласно требований Регистра, равной 30 кг. В общую горизонтальную проекцию палуб должна входить сумма горизонтальных проекций всех открытых палуб и переходов независимо от наличия над ними навесов.
Момент по высоте от этой нагрузки определяется по возвышению центра тяжести соответствующих участков палубы и переходов.

Важно, что появление восстанавливающего момента – это только реакция судна на появление крена или дифферента, то есть на изменение симметрии формы его подводного объема. При всех свободных наклонениях, при которых на судно извне действуют только внешние моменты (а не изолированные силы), судно только наклоняется (поворачивается), но не получает линейного перемещения (дрейфа или погружения). Иными словами, крен и дифферент судна – это результат совместного воздействия кренящих и восстанавливающих моментов. Без внешних моментов симметричное по форме корпуса и симметрично загруженное судно (с центром тяжести в диаметральной плоскости) плавает по поверхности воды в прямом положении.

Однако, вертикально плавающее судно при появлении внешних моментов в первый момент не оказывает им противодействия (поскольку вес и сила поддержания проходят по одной прямой). Вследствие отсутствия этого противодействия судно начинает наклоняться, изменяя конфигурацию подводного объема и «теряя симметрию» погруженного объёма. Процесс наклонения заканчивается тогда, когда внутренний (восстанавливающий) момент достигает величины внешнего момента и наступает новое состояние равновесия, теперь уже – для наклоненного судна. И это состояние будет сохраняться, пока внешний момент не изменится или не исчезнет. Как только это произойдет, восстанавливающий момент заставит судно принять вновь вертикальное положение, т. е. «восстановит» судно. При любом изменении баланса между внешним кренящим и восстанавливающим моментом судно будет изменять свое положение на поверхности воды в направлении действия большего по величине момента.

Такова физическая картина, рассматриваемая в разделе теории остойчивости, называемом статической остойчивостью.

При прочих условиях, когда процесс наклонения рассматривается протекающим во времени, а внешний кренящий и восстанавливающий моменты изменяются по величине (и во времени) следует учитывать инерцию самого судна и окружающей жидкости. Этот круг вопросов составляет предмет динамической остойчивости .

Таким образом, статическая остойчивость изучает равновесные состояния судна под действием постоянных внешних моментов, и условия этого равновесия, а динамическая остойчивость занимается комплексом проблем, включая опрокидывание судна в реальных условиях его эксплуатации.

Если рассматривать наклонения в продольной (диаметральной) и в поперечной (в плоскости миделя) плоскостях, то можно говорить о продольной и поперечной остойчивости судна .

Теория продольной остойчивости позволяет рассчитать и предсказать дифферент судна и его посадку на тихой воде, что очень важно для экипажа при решении проблем загрузки судна, обеспечения прочности, определения количества груза на судне, безопасной его посадки, заливаемости, слемминга и т.д.

Теория поперечной остойчивости позволяет судоводителю

-оценивать уровень безопасности мореплавания,

-планировать и осуществлять действия по распределению грузов и запасов на судне,

-выполнять необходимые расчеты по методикам контроля остойчивости Регистра судоходства и ИМО,

-обосновывать те или иные действия по изменению загрузки судна.

Кроме того, существует условное методическое разделение остойчивости на начальную остойчивость и остойчивость при больших наклонениях .

В первом случае удается за счет введения упрощающих предположений получить несложные расчетные формулы для некоторых важных величин, а во втором – применять графоаналитические методы при невозможности применения простых формул начальной остойчивости.

Автор статьи

Куприянов Денис Юрьевич

Юрист частного права

Страница автора

Читайте также: